Практикалық сабақ 2

Мазмұны

Химиялық білім берудегі практикалық сабақтар теориялық білімді нақты тәжірибемен ұштастырудың маңызды құралы болып табылады. Олар студенттерге химиялық процестерді өз көзімен көріп, өлшеу, талдау және синтездеу дағдыларын меңгеруге мүмкіндік береді. Бұл «Практикалық сабақ 2» курстық жұмысымыз химиялық талдаудың негізгі әдістерінің бірі – титрометриялық талдауға немесе қысқаша титрлеуге арналған. Бұл сабақ арқылы сіз ерітінділердің концентрациясын дәл анықтау үшін қажетті теориялық негіздер мен практикалық дағдыларды меңгересіз.

Кіріспе: Сандық талдаудың маңызы

Химиядағы сандық талдау – зат құрамындағы компоненттердің мөлшерін анықтайтын әдістер жиынтығы. Бұл әдістер ғылыми зерттеулерде, өнеркәсіпте, медицинада, қоршаған ортаны қорғауда және күнделікті өмірде кеңінен қолданылады. Мысалы, судың сапасын бақылау, дәрілік заттардың белсенді ингредиенттерінің мөлшерін анықтау, тамақ өнімдеріндегі қышқылдылықты өлшеу сияқты көптеген салаларда сандық талдаудың маңызы зор. Титрлеу – осы сандық талдау әдістерінің ішіндегі ең кең таралған, дәл және үнемді тәсілдердің бірі. Оның көмегімен белгісіз концентрациядағы ерітінділердің мөлшерін өте жоғары дәлдікпен анықтауға болады.

Титрлеу: Негізгі ұғымдар мен анықтамалар

Титрлеу – бұл концентрациясы белгісіз ерітіндінің (аналит) белгілі бір көлеміне концентрациясы нақты белгілі ерітіндіні (титрант) біртіндеп қосу арқылы жүзеге асырылатын сандық химиялық талдау әдісі. Бұл процесс химиялық реакция толығымен аяқталғанға дейін жалғасады.

• Титрант: Концентрациясы дәл белгілі, стандартталған ерітінді. Ол бюреткаға құйылады және аналитке біртіндеп қосылады.
• Аналит (Титрленетін зат): Концентрациясы анықталуы тиіс ерітінді. Ол пипеткамен конус колбасына өлшеп алынады.
• Эквиваленттік нүкте: Реакцияға түсетін заттардың стехиометриялық мөлшерлері теңесетін теориялық нүкте. Бұл нүктеде реакция толығымен аяқталады.
• Соңғы нүкте: Эквиваленттік нүктеге өте жақын, индикатордың түсінің өзгеруі арқылы визуалды түрде анықталатын нүкте. Дәл титрлеуде соңғы нүкте эквиваленттік нүктемен сәйкес келуі керек.
• Химиялық индикатор: Реакцияның эквиваленттік нүктесіне жеткенін көрсететін түсін өзгертетін зат. Индикаторды дұрыс таңдау титрлеудің дәлдігі үшін өте маңызды. Мысалы, қышқыл-негіздік титрлеуде фенолфталеин немесе метилоранж жиі қолданылады.
• Стандартты ерітінді: Концентрациясы жоғары дәлдікпен белгілі ерітінді. Олар біріншілік стандартты заттардан (мысалы, натрий карбонаты, қымыздық қышқылы) немесе стандартты емес, бірақ концентрациясы стандартты зат арқылы анықталған екіншілік стандартты заттардан (мысалы, HCl, NaOH) дайындалады.

Титрлеу түрлері

Титрлеу реакцияның түріне байланысты бірнеше түрге бөлінеді:

1. Қышқыл-негіздік титрлеу: Ерітіндідегі қышқыл немесе негіз концентрациясын анықтау үшін қолданылады. Реакция бейтараптану реакциясына негізделген.
2. Тотығу-тотықсыздану (редокс) титрлеу: Тотығу-тотықсыздану реакцияларына негізделген. Мысалы, калий перманганатымен темір (II) иондарын титрлеу.
3. Комплексонометриялық титрлеу: Металл иондарын анықтау үшін, әсіресе ЭДТА (этилендиаминтетрасірке қышқылы) сияқты комплекстүзуші реагенттер қолданылады.
4. Шөгінді титрлеу: Реакция нәтижесінде аз еритін тұнба түзілуіне негізделген. Мысалы, күміс нитратымен хлорид иондарын титрлеу (Мор әдісі).

Бұл практикалық сабақта біз ең кең таралған және маңызды болып табылатын қышқыл-негіздік титрлеуге толықтай назар аударамыз.

Қышқыл-негіздік титрлеудің әдістемесі

Қышқыл-негіздік титрлеу – бұл қышқыл мен негіз арасындағы бейтараптану реакциясына негізделген әдіс. Процестің негізгі мақсаты – белгісіз концентрациядағы қышқылды немесе негізді белгілі концентрациядағы стандартты негізбен немесе қышқылмен бейтараптандыру арқылы оның концентрациясын анықтау.

Қажетті құралдар мен реактивтер:

• Бюретка және штатив
• Пипетка
• Конус колба (Эрленмейер колбасы)
• Шыны таяқша
• Су ерітіндісін дайындауға арналған өлшеуіш колба
• Концентрациясы белгілі стандартты қышқыл немесе негіз ерітіндісі (титрант)
• Концентрациясы белгісіз қышқыл немесе негіз ерітіндісі (аналит)
• Қышқыл-негіздік индикатор (мысалы, фенолфталеин, метилоранж)
• Тазартылған су (дистилденген немесе деиондалған)

Жүзеге асыру кезеңдері:

1. Құралдарды дайындау: Барлық шыны ыдыстарды (бюретка, пипетка, конус колба) тазартылған сумен мұқият шайып, кептіру қажет. Бюретканы титрант ерітіндісімен, пипетканы аналит ерітіндісімен шайып алу керек.
2. Аналитті дайындау: Пипетканың көмегімен белгісіз концентрациядағы аналит ерітіндісінің нақты көлемін (мысалы, 10.00 мл немесе 25.00 мл) конус колбасына өлшеп құйыңыз.
3. Индикаторды қосу: Аналит салынған колбаға 2-3 тамшы сәйкес химиялық индикаторды тамызыңыз. Индикатордың түсі аналиттің pH ортасына байланысты болады.
4. Титрантты бюреткаға толтыру: Бюретканы штативке бекітіп, оны титрант ерітіндісімен нөлдік белгіге дейін толтырыңыз. Бюретканың төменгі бөлігінде ауа көпіршіктерінің болмауын тексеріңіз.
5. Титрлеу процесі: Бюретканың кранын ақырын ашып, титрантты аналит салынған конус колбасына тамшылатып қосыңыз. Қоспаны үнемі айналдыру арқылы араластырып отырыңыз. Реакция барысында индикатор түсінің өзгеруіне мұқият бақылаңыз.
6. Соңғы нүктені анықтау: Индикатор түсінің тұрақты өзгеруі (мысалы, фенолфталеин үшін түссізден қызғылтқа) соңғы нүктені білдіреді. Бұл нүктеге жеткенде, бюретканың кранын тез жабыңыз. Түс өзгерісі бір тамшыдан кейін де сақталуы керек.
7. Көлемді жазу: Бюреткадан жұмсалған титрант көлемін (соңғы және бастапқы белгілердің айырмасы) 0.05 мл дәлдікпен жазып алыңыз.
8. Тәжірибені қайталау: Дәл нәтиже алу үшін тәжірибені 2-3 рет қайталап, орташа мәнін есептеңіз. Жүгіргіш тәжірибені (rough titration) есепке алмай, дәл нәтижелерді қолданыңыз.

Есептеулер

Титрлеу нәтижелерін өңдеу және белгісіз ерітіндінің концентрациясын анықтау үшін стехиометриялық есептеулер қолданылады. Қышқыл-негіздік титрлеудің қарапайым жағдайында (мысалы, HCl + NaOH), реакция 1:1 қатынаста жүреді:

HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l)

Бұл жағдайда эквиваленттік нүктеде қышқыл мен негіздің моль саны тең болады:

n_қышқыл = n_негіз

Моль саны концентрация мен көлемнің көбейтіндісіне тең болғандықтан (n = C * V):

C_қышқыл * V_қышқыл = C_негіз * V_негіз

Мұнда:

• C_қышқыл – қышқыл ерітіндісінің концентрациясы (моль/л).
• V_қышқыл – қышқыл ерітіндісінің көлемі (л).
• C_негіз – негіз ерітіндісінің концентрациясы (моль/л).
• V_негіз – негіз ерітіндісінің көлемі (л).

Егер реакцияда стехиометриялық коэффициенттер әртүрлі болса (мысалы, H₂SO₄ + 2NaOH), онда мольдер қатынасын ескеру қажет:

(C_қышқыл * V_қышқыл) / a = (C_негіз * V_негіз) / b

Мұндағы a және b – теңдеудегі стехиометриялық коэффициенттер. Кейбір жағдайда "нормальдық" концентрация (экв/л) қолданылса, бұл коэффициенттер автоматты түрде ескеріледі:

N_қышқыл * V_қышқыл = N_негіз * V_негіз

Нақты өмірдегі қолданыстар мен мысалдар

Титрлеу әдісінің маңызы оның сан алуан салалардағы қолданылуымен айқындалады:

• Азық-түлік өнеркәсібі: Шырындардағы, сүт өнімдеріндегі және басқа да тағамдардағы қышқылдылықты (мысалы, лимон қышқылы, сүт қышқылы) бақылау үшін титрлеу қолданылады. Бұл өнімнің дәмін, сақталу мерзімін және сапасын анықтау үшін маңызды.
• Фармацевтика: Дәрілік заттардың белсенді ингредиенттерінің концентрациясын және тазалығын дәл анықтау үшін титрлеу әдісі өте қажет. Бұл препараттардың тиімділігі мен қауіпсіздігін қамтамасыз етеді.
• Қоршаған орта мониторингі: Судың pH деңгейін, қаттылығын (кальций және магний иондарының мөлшері), сілтілігін, сондай-ақ ластаушы заттардың концентрациясын (мысалы, хлоридтер) анықтауда титрлеу әдістері қолданылады. Бұл су ресурстарының сапасын бақылау және қоршаған ортаны қорғау үшін өте маңызды.
• Медициналық диагностика: Қандағы кейбір заттардың (мысалы, бикарбонаттар) деңгейін анықтау арқылы ағзаның қышқыл-негіз тепе-теңдігін бағалауға болады, бұл әртүрлі ауруларды диагностикалауға көмектеседі.
• Өнеркәсіп: Химиялық өнімдердің сапасын бақылауда, шикізатты талдауда және өндіріс процестерін оңтайландыруда титрлеу әдісі тұрақты қолданылады. Мысалы, тазалау заттарының, тыңайтқыштардың немесе бояулардың концентрациясын тексеру.

Білім беру түсіндірмелері және Тұрақты даму мақсаттарымен байланыс

Практикалық сабақтар студенттерге тек химиялық білім беріп қана қоймай, сонымен қатар шешім қабылдау, сыни ойлау, дәлдікке ұмтылу және қателіктерді талдау сияқты маңызды дағдыларды дамытады. Титрлеу процесіндегі әрбір қадам дәлдікті, мұқияттылықты және ұқыптылықты талап етеді. Қателіктердің себептерін талдау және оларды болдырмау жолдарын іздеу студенттердің кәсіби құзыреттілігін арттырады.

Титрлеу әдісі Біріккен Ұлттар Ұйымының Тұрақты Даму Мақсаттарымен (ТДМ) тығыз байланысты:

• ТДМ 3: Жақсы денсаулық және әл-ауқат. Фармацевтикада дәрілік заттардың сапасын бақылау арқылы адамдардың денсаулығы мен қауіпсіздігін қамтамасыз етеді. Клиникалық талдауда қанның химиялық құрамын бақылау арқылы ауруларды ерте диагностикалауға көмектеседі.
• ТДМ 6: Таза су және санитария. Судың сапасын (pH, қаттылық, ластаушы заттардың деңгейі) анықтау арқылы қауіпсіз ауыз суға қолжетімділікті қамтамасыз етуде және су экожүйелерін қорғауда маңызды рөл атқарады.
• ТДМ 12: Жауапты тұтыну және өндіріс. Өнеркәсіптік процестерді оңтайландыру және қалдықтарды талдау арқылы ресурстарды тиімді пайдалануға және қоршаған ортаға кері әсерді азайтуға ықпал етеді. Мысалы, өндірістік ағынды суларды тазарту алдында олардың құрамын анықтау.
• ТДМ 14: Су экожүйелерін сақтау. Мұхиттардың қышқылдану деңгейін (CO2 сіңірілуіне байланысты) және оның теңіз өміріне әсерін зерттеуде титрлеу әдістері қолданылады.

Қызықты деректер немесе соңғы жетістіктер

• Титрлеудің тарихы: Титрлеудің негіздері 18 ғасырда француз химигі Франсуа-Антуан-Анри Делаландтың жұмыстарымен қаланған. Ал 19 ғасырдың ортасында Жозеф Луи Гей-Люссак титрлеуді стандарттауға және оны аналитикалық химияның маңызды әдісіне айналдыруға үлкен үлес қосты.
• Автоматтандырылған титраторлар: Қазіргі заманғы зертханаларда жұмысты жылдамдату және дәлдікті арттыру үшін автоматты титраторлар кеңінен қолданылады. Олар титрантты автоматты түрде қосып, индикатордың немесе электродтың сигналы арқылы соңғы нүктені тіркейді және есептеулерді өздігінен жүргізеді.
• Микротитрлеу: Өте аз көлемдегі ерітінділермен жұмыс істеуге мүмкіндік беретін әдіс, бұл әсіресе биохимиялық және медициналық зерттеулерде құнды.
• Потенциометриялық титрлеу: Индикаторды қолданбай, реакция барысындағы ерітіндінің потенциалын өлшеу арқылы эквиваленттік нүктені анықтайтын әдіс. Бұл әдіс дәлірек және түсті ерітінділерді талдауға мүмкіндік береді.

Қорытынды

«Практикалық сабақ 2» аясында қарастырылған титрлеу әдісі – химиялық талдаудың іргелі әдістерінің бірі. Оның теориялық негіздерін, әдістемесін және қолданылу аясын түсіну болашақ химиктер мен ғылыми мамандар үшін аса маңызды. Бұл дағдылар тек зертханалық жұмыстарда ғана емес, сонымен қатар нақты өмірдегі көптеген мәселелерді шешуде, әсіресе тұрақты дамуға бағытталған жобаларда, химиялық процестерді бақылауда және қоршаған ортаны қорғауда да өте қажет. Титрлеуді меңгеру арқылы сіз химиялық деректерді дәл интерпретациялауға және ғылыми негізделген шешімдер қабылдауға қабілетті болып шығасыз.

Презентация

Дәріс материалдарын төмендегі сілтемеден жүктеп алуға болады:

Практикалық сабақ 2 - Жүктеп алу