Метод нейтрализации и его применение в медико-санитарной практике
Медико биологическое значение.
Метод кислотно-основного титрования позволяет определять количественно в исследуемых объектах кислые и основные продукты.
Так, в санитарно-гигиенической практике этим методом определяют кислотность и щелочность многих пищевых продуктов, питьевых и сточных вод.
В клинической практике кислотно-основное титрование используют для определения кислотности желудочного сока, буферной емкости крови, спинно-мозговой жидкости, мочи и других биологических жидкостей.
Этот метод широко используется в фармацевтической химии при анализе лекарственных веществ, установления доброкачественных продуктов питания (например,молока).
Большое значение имеет рассматриваемый метод и при санитарно гигиенической оценке объектов окружающей среды. Промышленные стоки могут содержать или кислые, или щелочные продукты. Закисление или защелачиваниеприродных водоемов и почвы приводит порой к необратимым последствиям, в связи с чем контроль кислотно-основного баланса весьма важен.
МЕТОД НЕЙТРАЛИЗАЦИИ
Краткое описание метода нейтрализации сводится к следующим моментам:
а) Реакция
В основе метода лежит реакция взаимодействия
H + + OH - → H 2 O.
б) Определяемые вещества:
кислоты: сильные и слабые
основания: сильные и слабые: соли, подвергающиеся гидролизу.
в) Титранты:
Сильные кислоты (соляная, серная) с концентрацией от 0,01 до 1,0 моль/л используются для определения концентрации оснований и солей, гидролизующихся по аниону.
Сильные основания: (NaOH, KOH) с концентрацией от 0,01 до 1,0 моль/л используются для определения концентрации кислот и солей, гидролизующихся по катиону.
Чаще всего титранты для метода нейтрализации готовят из фиксаналов. Иногда растворы сильных кислот готовят разбавлением концентрированного раствора кислоты, а растворы сильных оснований, растворением навески твердой щелочи. Последние способы приготовления растворов, требуют экспериментального уточнения концентрации приготовленного титранта с использованием установочных (исходных) веществ.
Для титрантов кислот, в качестве установочных веществ, используют соду Na 2 CO 3 или буру Na 2 B 4 O 7 10H 2 O.
Для титрантов щелочей - щавелевую кислоту (H 2 C 2 O 4 2H 2 O).
г) Индикаторы
Реакция между кислотами и основаниями не сопровождается, как правило, какими-либо внешними эффектами, поэтому для фиксирования точки эквивалентности приходится использовать специальные вещества-индикаторы. Кислотно-основные индикаторы это, слабые кислоты или основания, степень ионизации которых определяется концентрацией ионов в растворе.
H + Ind ↔ H + +Ind -
Чем больше концентрация H + ионов, тем меньше будет степень ионизации индикатора. Молекулярная HInd и ионная HInd формы индикатора имеют разные окраски. Таким образом, концентрация ионов H + влияет на соотношение концентраций HInd и Ind что, в свою очередь, определяет характер или яркость окраски.
Для характеристики кислотности растворов в химии широко пользуются водородным показателем, pH - отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации .
В кислых растворах pH<7, в щелочных pH>7, в нейтральных
Все индикаторы изменяют свою окраску не скачкообразно, а плавно, т.е. в определенном интервале значений pH, называемом интервалом перехода.
Поскольку индикаторы как кислоты или основания отличаются друг от друга по силе, они имеют разные интервалы перехода (см. табл.1).
Таблица 1
|
Анализ вещество титрант |
pH в точке эквивалент-ности |
Скачок титрования |
Используемые индикаторы |
Интервал перехода индикатора |
|
|
Сильная кислота Сильное основание или наоборот |
Метилоранж Метилрот Фенолфталеин | ||||
|
Слабая кислота Сильное основание |
Фенолфталеин | ||||
|
Слабое основание Сильная кислота |
Метилоранж Метилрот |
В основе метода нейтрализации лежит реакция нейтрализации:
н+ + он- ->- н 2 о.
Метод нейтрализации применяется для количественного определения кислот и щелочей. При помощи этого метода проводят также ряд других объемных определений, связанных с реакцией нейтрализации, например определение некоторых солей, образованных сильными основаниями и слабыми кислотами (Na 2 C0 3 , Na 2 B 4 07), или солей аммония.
При количественном определении кислот - алкалиметрия - рабочим раствором является раствор щелочи NaOH или КОН. Приготовить титрованный раствор щелочи по навеске невозможно, так как щелочь не отвечает требованиям, предъявляемым к веществам, из которых можно готовить раствор точной концентрации по точно взятой навеске. Кроме того, при самом тщательном хранении растворы щелочей довольно быстро меняют свой титр, поэтому титр этих рабочих растворов устанавливают. Исходным веществом для установления титра рабочего раствора щелочи может служить щавелевая кислота Н 2 С 2 0 4 -2Н 2 0 или янтарная кислота Н2С4Н4О4. Часто в лабораторной практике в качестве исходного
раствора употребляют 0,1 н. раствор кислоты, приготовленный из фиксанала.
При количественном определении щелочи - ациди-метрии - рабочим раствором является раствор сильной кислоты (обычно НС1 или H 2 S0 4 J. Приготовить титрованный раствор кислоты исходя из концентрированной кислоты невозможно. Как бы точно мы ни взяли навеску концентрированной кислоты, мы не будем знать истинного ее количества, так как серная кислота гигроскопична, а концентрированная соляная кислота выделяет хлористый водород. Поэтому титр рабочих растворов кислот устанавливают. Исходным веществом для установки титра раствора кислоты служит бура Na 2 B 4 0r- 10Н 2 О или химически чистая сода Na 2 C0 3 . В некоторых случаях рабочий раствор кислоты готовят из фиксанала. Титр раствора кислот не меняется довольно продолжительное время.
Метод нейтрализации применяется в. клинических лабораториях для определения кислотности желудочного сока. В санитарно-гигиенических лабораториях метод нейтрализации находит самое широкое применение. При помощи этого метода определяют карбонатную жесткость воды, кислотность молочных продуктов, квашеной капусты и безалкогольных напитков.
Если титровать раствор любой кислоты раствором щелочи, происходит связывание ионов Н+ кислоты ионами ОН — и концентрация ионов Н+ постепенно уменьшается, а рН раствора возрастает (см. § 18). При определенном значении рН достигается точка эквивалентности и титрование должно быть закончено. При титровании раствора щелочи раствором кислоты связываются ионы ОН~, концентрация их в растворе уменьшается, а концентрация ионов Н+ увеличивается и рН раствора уменьшается. Однако величина рН в точке эквивалентности не во всех случаях имеет одно и то же значение, она зависит от природы реагирующей кислоты и основания.
При нейтрализации сильной кислоты сильным основанием
НС1 + NaOH = NaCl + Н 2 0
образуется только один слабый электролит - вода. Реакция практически доходит до конца. Образующаяся при реакции соль гидролизу не подвергается, и раствор
имеет нейтральную реакцию (рН 7,0). Следовательно, при титровании сильной кислоты сильной щелочью и наоборот в точке эквивалентности среда раствора нейтральна, рН раствора равен 7,0.
Если титровать сильной — щелочью слабую кислоту, например, уксусную
CH 3 COOH + NaOH =s=fc CH 3 COONa-f Н 2 0,
в точке эквивалентности будет присутствовать соль CH 3 COONa, подвергающаяся гидролизу:
CH 3 COONa + Н 2 0 ? -f СН 3 СООН + NaOH.
Следовательно, протекающая в данном случае при титровании реакция обратима и не пойдет до конца. В точке эквивалентности в растворе присутствуют свободные СНзСООН и NaOH. Слабая уксусная кислота будет находиться в растворе в основном в виде недиссо-циированных молекул, а едкий натр будет диссоциирован почти полностью. Концентрация ионов ОН — превысит концентрацию ионов Н+ и титрование закончится при рН>7,0. При титровании слабых оснований сильными кислотами, например
NH4OH + НС1 т-*■ NH4CI + н 2 о,
образующаяся соль подвергается гидролизу. Реакция нейтрализации обратима, и в точке эквивалентности концентрация ионов Н+ превысит концентрацию ионов ОН~. Титрование будет заканчиваться при рН<7,0.
Таким образом, при методе нейтрализации точка эквивалентности совпадает с точкой нейтральности лишь при взаимодействии сильной кислоты с сильным основанием. При титровании необходимо установить точку эквивалентности, а не нейтральности и, следовательно, титрование в разных случаях приходится заканчивать при различных значениях рН.
НЕЙТРАЛИЗАЦИИ МЕТОД (син. кислотно-основная титриметрия ) - титриметрический метод определения концентрации кислот (ацидиметрия) и щелочей (алкалиметрия) в растворах, основанный на реакции нейтрализации, т. е. реакции взаимодействия кислоты с основанием, протекающей с образованием воды и соли.
Н. м. применяется в клиникобиохимических и сан.-гиг. лабораториях, а также в контрольно-аналитических аптечных лабораториях. Этим методом в клинико-биохими-ческих лабораториях определяют общую кислотность желудочного содержимого, т. е. свободную и связанную соляную к-ту, органические к-ты и кислореагирующие фосфаты, титруя свежий исследуемый материал 0,1 н. р-ром едкого натра (см. Желудочный сок). Н. м. используется и для определения титрационной кислотности и щелочности мочи, величины pH кишечного сока, крови, нек-рых пищевых продуктов.
В водных р-рах реакция нейтрализации сводится к соединению водородных ионов (Н +), образуемых к-той, с гидроксильными ионами (ОН -), образуемыми щелочью, в молекулы воды: H + + OH - -> H 2 O.
При определении концентрации к-ты к точно измеренному объему анализируемого р-ра постепенно Приливают из бюретки рабочий р-р щелочи (напр., р-р едкого натра) известной концентрации до тех пор, пока не будет достигнута точка эквивалентности, т. е. до тех пор пока не будет прилит такой объем рабочего р-ра (титранта), в к-ром содержится количество щелочи, эквивалентное количеству к-ты, находящемуся в исследуемом объеме р-ра, взятого для титрования. Определение концентрации щелочи производят аналогичным образом. В этом случае в качестве титранта используют рабочий р-р кислоты, напр, соляной к-ты, известной концентрации.
Концентрацию к-ты или щелочи в анализируемых р-рах вычисляют по уравнению:
H = (H 0 V 0)/V,
где V и V 0 - соответствующие объемы анализируемого р-ра и титранта, а H и Н 0 - нормальные концентрации анализируемого р-ра и титранта.
Определив нормальную концентрацию (Н) анализируемого р-ра, рассчитывают, если это необходимо, титр р-ра (Т), т. е. содержание к-ты или щелочи в граммах в 1 мл р-ра, по уравнению:
T = (Н*Э)/1000
где Э - эквивалент к-ты или щелочи.
Для определения конца титрования применяют кислотно-основные индикаторы (см.). Р-р индикатора (1-2 капли) предварительно добавляют к анализируемому р-ру и титрование заканчивают в момент резкой перемены окраски индикатора. В качестве индикаторов в Н. м. обычно используют индикаторы, окраска к-рых различна в кислой и щелочной среде, напр., бромтимо-ловый синий, зона перемены окраски к-рого от желтой к синей находится в интервале значений pH 6,0-7,6; феноловый красный, меняющий окраску от желтой к красной при pH 6,8-8,4; фенолфталеин с зоной перемены окраски от бесцветной к малиново-фиолетовой при pH 8,3-10,0 и др. Существуют также безиндикаторные методы определения эквивалентной точки (см.
Существующее в неорганической химии понятие “реакция нейтрализации” подразумевает химический процесс, в котором взаимодействуют вещества с кислотными и основными свойствами, в результате чего происходит потеря участниками реакции и тех и других характерных химических свойств. Реакция нейтрализации в микробиологии имеет то же глобальное значение, продукты ее теряют свои биологические свойства. Но, разумеется, это совершенно иной процесс с другими участниками и итогами. И биологическое свойство, о котором идет речь и которое прежде всего интересует врачей и ученых, — это способность микроорганизма вызывать заболевание или гибель восприимчивого животного.
Области применения
Чаще всего этот метод исследования используется для идентификации вирусов, то есть диагностики вирусных заразных болезней. Причем тест может быть направлен как на выявление самого возбудителя, так и антител к нему.
В бактериологии эту методику обычно применяют для выявления антител к ферментам бактерий, таких как антистрептолизины, антистафилолизины, антистрептокиназы.
Каким образом проводится этот тест
Реакция нейтрализации основана на способности антител — особых иммунных белков крови — нейтрализовать антигены — чужеродные агенты, попадающие в организм. Если необходимо обнаружение возбудителя и его идентификация, тогда смешивают стандартную иммунную сыворотку, содержащую антитела, с биологическим материалом. Полученная смесь выдерживается в термостате нужное время и вводится в живую восприимчивую систему.
Таковыми являются лабораторные животные (крысы, мыши), куриные эмбрионы, культуры клеток. При отсутствии биологического действия (болезни или смерти животного) можно сделать вывод о том, что это именно тот вирус, стандартную сыворотку к которому использовали. Так как, как уже было сказано, признаком того, что реакция прошла, является потеря вирусом биосвойств (способности вызывать смерть животного) вследствие взаимодействия антител сыворотки и антигенов вируса. При определении токсических веществ алгоритм действий тот же, но есть варианты.
Если исследуют какой-либо субстрат, содержащий токсин, тогда его смешивают со стандартной сывороткой. В случае изучения последней применяют контрольное токсическое вещество. Чтобы пошла реакция нейтрализации, эта смесь также инкубируется заданное время и вводится восприимчивой системе. Техника оценки результата точно такая же.
В медицинской и ветеринарной практике используемая как диагностический тест реакция нейтрализации вирусов проводится в так называемой методике парных сывороток.
Это способ подтверждения диагноза какого-либо вирусного заболевания. Для его проведения у больного человека или животного берут дважды — в начале заболевания и через 14-21 дней после этого.
Если после проведения теста обнаруживается увеличение количества антител к вирусу в 4 и более раза, то диагноз можно считать подтвержденным.
Глава 3. ТИТРИМЕТРИЯ
(ТИТРИМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ)
Основные понятия
Содержание веществ, растворенных в воде или ином растворителе, можно определить методом титрования. Титрование – процесс добавления к раствору данного вещества небольших порций раствора другого вещества с точно известной концентрацией. Титриметрический анализ основан на точном измерении количества вещества, израсходованного на реакцию с определяемым веществом. Согласно закону эквивалентов , вещества реагируют между собой в эквивалентных количествах: n Э (A) = n Э (B), где n Э – число молей химических эквивалентов веществ A и B. Химический эквивалент (Э) – реальная или условная частица, которая может присоединять, замещать, высвобождать один ион H + в кислотно-основной реакции или быть равноценна одному электрону в окислительно-восстановительной реакции.
В объёмном титриметрическом анализе точно измеряют объёмы растворов двух реагирующих веществ. Для двух веществ, участвующих в стехиометрически протекающей в растворе реакции
A + B ® продукты,
закон эквивалентов имеет выражение:
C Э (A)·V (A) = C Э (B)·V (B), (4)
где С Э – молярная концентрация эквивалента (или нормальная концентрация – н.), V – объём раствора. Молярную концентрацию эквивалента задают числом молей эквивалентов в единице объема раствора (С Э = n Э /V ) и измеряют в моль/л, отсюда n Э = C Э ·V . Зная С Э (B) и объёмы растворов прореагировавших веществ, рассчитывают неизвестную концентрацию С Э и массу m другого вещества в любом объёме анализируемого раствора:
С Э (A) = (5)
m (A) = C Э (A)·V (A)·M Э (A), (6)
где M Э – молярная масса эквивалента вещества или иона.
Для проведения титриметрического анализа необходимо:
1) знать точную концентрацию одного из растворов. Раствор с точно известной концентрацией называют титрантом. Числовое значение точной концентрации (как правило, молярной концентрации эквивалента) имеет четыре значащих цифры, например: 1,524; 0,01265; 0,2000 н.
2) точно измерять объемы реагирующих веществ. Для измерения объемов жидкостей с точностью до 0,1…0,05 мл (и более) используют специальную мерную посуду: пипетки, бюретки, мерные колбы.
3) правильно выбрать реакцию для определения и надежно фиксировать момент окончания реакции – точку эквивалентности. Точка эквивалентности (ТЭ) – момент титрования, при котором количество прибавленного титранта эквивалентно количеству титруемого (определяемого) вещества: n Э (A) = n Э (B).
В титриметрии используют реакции, удовлетворяющие следующим требованиям:
1. Реакция должна быть практически необратимой, т.е. константа равновесия K ³ 10 8 ; в этом случае считают, что реакция протекает на 99,99 %.
2. Реакция должна протекать в строгом соответствии с уравнением химической реакции, без образования побочных продуктов.
3. Реакция должна осуществляться быстро. К быстропротекающим реакциям относят реакции с временем полупревращения t 1/2 < 10 с.
4. Должен существовать способ определения момента окончания реакции, т.е. фиксирования ТЭ. Например, появление или исчезновение окраски, прекращение выделения осадка и др.
Проблему выбора способа фиксирования ТЭ решают применительно к конкретной задаче. Для нахождения ТЭ используют кривые титрования. Кривая титрования – графическая зависимость изменения концентрации С Э определяемого компонента (или какого-либо связанного с концентрацией свойства раствора) от объёма прибавленного титранта. Значение концентрации в ходе титрования меняется на несколько порядков, поэтому часто кривую титрования строят в координатах lgC Э – V . Реакцию, не удовлетворяющую хотя бы одному из требований, в титриметрии не используют.
Существует три способа титрования: прямое, обратное и заместительное. Прямое титрование – постепенное прибавление титранта В непосредственно к раствору анализируемого вещества А до достижения ТЭ. При обратном титровании к определяемому веществу добавляют избыток титранта B, доводят реакцию до конца, а затем находят количество непрореагировавшего титранта, титруя его раствором другого реагента N с известной концентрацией. При заместительном титровании проводят реакцию анализируемого вещества с вспомогательным реагентом Д, а образующийся в эквивалентном количестве продукт M оттитровывают подходящим титрантом B (табл. 3). Титрование обычно проводят методом пипетирования. При пипетировании исследуемый раствор количественно переносят в мерную колбу, разбавляют водой до метки, перемешивают. Из колбы пипеткой отбирают несколько проб (аликвот) раствора для параллельных титрований. Результаты трех–четырех сходящихся титрований далее усредняют.
Таблица 3
Способы титрования
Титриметрические методы анализа классифицируют по типу основной реакции, протекающей при титровании, или по названию титранта. В классификации по типу реакции выделяют: 1) кислотно-основное титрование, или метод нейтрализации ; 2) окислительно-восстановительное титрование, или метод редоксиметрии ; 3) осадительное титрование, или метод осаждения ; 4) комплексонометрическое титрование, или метод комплексонометрии . По способу фиксирования ТЭ различают титрование с визуальной индикацией и инструментальной индикацией. В первом случае часто используют вещества, проявляющие видимые изменения в ТЭ или вблизи её и называющиеся индикаторами . При инструментальной индикации (фотометрическое, потенциометрическое, кондуктометрическое титрование) ТЭ определяют графически из кривой титрования.
Метод нейтрализации
Метод нейтрализации основан на реакциях, связанных с процессом передачи иона Н + , например:
H 3 O + + OH – ® 2 H 2 O (или упрощенно H + + OH – ® H 2 O)
CH 3 COOH + OH – ® CH 3 COO – + H 2 O
CO 3 2– + H + ® HCO 3 –
Метод нейтрализации используют для определения содержания неорганических и органических кислот и оснований, смеси кислот, солей, подвергающихся гидролизу или реагирующих с кислотами и основаниями, азота и серы в органических соединениях и др. Метод широко используют для анализа качества природных и сточных вод (определение общей и свободной щелочности и кислотности, карбонатной жесткости, растворенного СО 2 и др.), биологических жидкостей, продуктов питания.
Титрантами метода являются 0,01…0,1 М растворы сильных кислот (ацидиметрическое титрование ) или 0,01…0,1 молярные растворы щелочей (алкалиметрическое титрование ). Молярную концентрацию С выражают числом молей растворенного вещества в 1,0 л раствора (например, 0,1 моль/л º 0,1М); С связана с молярной концентрацией эквивалента соотношением С Э = zC , где z – эквивалентное число. Для кислотно-основного взаимодействия z равно числу ионов Н + или ОН – , отдаваемых или присоединяемых частицей в данной реакции.
Рассмотрим соответствие кислотно-основного взаимодействия требованиям, предъявляемым к реакциям в титриметрии, на примере происходящей в водных растворах реакции нейтрализации:
Н + + ОН – ® Н 2 О
1. Реакция является практически необратимой, так как константа равновесия K = 1/K диссоциации (H 2 O)=1/(1,8·10 –16) = 5,6·10 15 при Т = 298 K.
2. Реакция протекает стехиометрически, без образования побочных продуктов.
3. Экспериментально установлено, что реакция протекает быстро.
4. Точку эквивалентности ТЭ легко фиксируют визуально с помощью кислотно-основных индикаторов или физико-химическими методами.
При кислотно-основном титровании меняется значение рН среды, и в ТЭ среда может быть нейтральной, кислотной или основной. Так, при нейтрализации сильной кислоты сильным основанием (и наоборот), например:
HCl + NaOH ® NaCl + H 2 O
H + + OH – ® H 2 O
образующаяся соль NaCl не гидролизуется, следовательно, в ТЭ раствор имеет нейтральную реакцию среды (рН ТЭ = 7). При нейтрализации слабой кислоты сильным основанием, например:
CH 3 COOH + KOH Û CH 3 COOK + H 2 O
CH 3 COOH + OH – Û CH 3 COO – + H 2 O
реакция обратима. Так как продукт взаимодействия – соль CH 3 COOK (или ион СH 3 COO –) - гидролизуется по аниону (обратная реакция), в ТЭ рН > 7. При нейтрализации слабого основания сильной кислотой:
NH 4 OH + HCl Û NH 4 Cl + H 2 O
NH 4 OH + H + Û NH 4 + + H 2 O
в ТЭ значение рН < 7 из-за гидролиза продукта взаимодействия NH 4 Cl (NH 4 +).
Согласно протолитической теории в качестве индикаторов в методе используют слабые органические кислоты HInd или основания Ind – , существующие в растворе в ионизированной и неионизированной формах. Формы имеют разную окраску и находятся в равновесии, зависящем от рН среды:
HInd H + + Ind –
окраска 1 окраска 2
Изменение рН раствора приводит к смещению равновесия, т.е. к изменению окраски. Индикаторы меняют окраску в определенном интервале значений рН, который называют интервалом перехода окраски индикатора DрН. Он зависит от строения молекулы индикатора и его способности к ионизации. Для характеристики индикатора используют также показатель титрования рТ – значение рН в пределах перехода окраски, при котором наблюдается наиболее резкое изменение цвета индикатора (табл.4).
