Практикалық сабақ 6

Мазмұны

Практикалық сабақтар химия ғылымын тереңірек түсіну үшін аса маңызды рөл атқарады. Олар студенттерге теориялық білімді нақты жағдайларда қолдануға, зертханалық дағдыларды дамытуға және ғылыми ойлау қабілетін жетілдіруге мүмкіндік береді. Осы "Практикалық сабақ 6" аясында біз химиялық талдаудың ең негізгі және кең таралған әдістерінің бірі – қышқыл-негіздік титрлеуді толығырақ қарастырамыз. Бұл әдіс ерітінділердегі қышқылдардың немесе негіздердің концентрациясын дәл анықтауға мүмкіндік береді және көптеген салаларда қолданылады.

Кіріспе: Титрлеудің маңызы

Химиялық талдаудың сандық әдістерінің бірі болып табылатын титрлеу, белгісіз концентрациядағы ерітіндінің (аналит) белгілі концентрациядағы ерітіндімен (титрант) әрекеттесу реакциясын қолдану арқылы аналиттің концентрациясын анықтау процесі. Қышқыл-негіздік титрлеу – бұл қышқыл мен негіз арасындағы бейтараптану реакциясына негізделген арнайы титрлеу түрі. Бұл әдіс арқылы біз қышқылдық немесе негіздік заттың ерітіндідегі нақты мөлшерін есептей аламыз.

Титрлеу процесі дәлдікті, мұқияттылықты және химиялық реакциялардың стохиометриялық заңдылықтарын түсінуді талап етеді. Бұл білім студенттерге тек академиялық ортада ғана емес, сонымен қатар өндірісте, зерттеу орталықтарында және қоршаған ортаны қорғау саласында жұмыс істеу үшін де қажет.

Негізгі ұғымдар мен анықтамалар

• Титрлеу (Titration): Химиялық талдау әдісі, мұнда бір заттың (аналит) белгісіз концентрациясын екінші заттың (титрант) белгілі концентрациясымен және көлемімен реакцияға түсіру арқылы анықтайды.
• Титрант (Titrant): Концентрациясы дәл белгілі, стандартты ерітінді. Ол бюреткаға құйылып, аналитке біртіндеп қосылады.
• Аналит (Analyte): Концентрациясы анықталуы қажет зат. Ол колбаға орналастырылады.
• Эквиваленттік нүкте (Equivalence Point): Реакцияға қатысушы қышқыл мен негіздің химиялық эквивалентті мөлшері толық әрекеттесіп біткен нүкте. Бұл нүктеде қышқылдың моль саны негіздің моль санына тең болады (монопротонды қышқылдар мен моногидроксидті негіздер үшін). Бұл теориялық нүкте.
• Соңғы нүкте (End Point): Индикатордың түсі өзгеретін практикалық нүкте. Жұмыс барысында біз эквиваленттік нүктенің орнын индикатор көмегімен анықтаймыз. Дұрыс таңдалған индикатор арқылы соңғы нүкте эквиваленттік нүктеге өте жақын болуы тиіс.
• Индикаторлар (Indicators): Эквиваленттік нүктені көрсететін, ерітіндінің pH мәніне байланысты түсін өзгертетін заттар. Мысалы, фенолфталеин (қышқыл ортада түссіз, негіздік ортада таңқурай түсті), метилоранж (қышқыл ортада қызыл, негіздік ортада сары). Индикаторды таңдау реакцияның эквиваленттік нүктесіндегі pH мәніне байланысты болады.
• Стандартты ерітінді (Standard Solution): Концентрациясы өте дәл белгілі ерітінді. Олар бастапқы стандартты заттардан немесе басқа стандартталған ерітінділер арқылы дайындалуы мүмкін.
• Концентрация (Concentration): Ерітіндідегі еріген заттың мөлшерін көрсететін шама. Титрлеуде көбінесе молярлық концентрация (моль/л) немесе нормальдық концентрация (экв/л) қолданылады.

Қышқыл-негіздік титрлеудің жүргізілу тәртібі

1. Дайындық: Барлық қажетті зертханалық құралдарды (бюретка, колба, пипетка, штатив) тазалап, дайындау. Титрантты (белгілі концентрациядағы ерітінді) бюреткаға толтырып, бастапқы көлемін тіркеу. Аналиттің (белгісіз концентрациядағы ерітінді) белгілі бір көлемін пипетка арқылы конус тәрізді колбаға дәл құю.
2. Индикаторды қосу: Аналит салынған колбаға бірнеше тамшы сәйкес индикаторды тамызу.
3. Титрлеу: Бюреткадан титрантты колбадағы аналитке баяу, тамшылатып қосу. Бұл кезде колбаны үнемі айналдырып отыру қажет, бұл реакцияның біркелкі жүруін қамтамасыз етеді.
4. Соңғы нүктені анықтау: Индикатордың түсі тұрақты түрде өзгерген кезде (яғни, енді бастапқы түске қайта оралмайды) титрантты қосуды тоқтату. Бұл соңғы нүкте болып табылады.
5. Көлемді тіркеу: Бюреткадағы титранттың қолданылған соңғы көлемін тіркеу. Қолданылған титрант көлемі – бастапқы көлем мен соңғы көлемнің айырмасы.
6. Қайталау: Дәл нәтиже алу үшін тәжірибені бірнеше рет (кем дегенде 3 рет) қайталау және орташа мәнін есептеу.

Есептеулер

Титрлеу нәтижелерін есептеу үшін стохиометрия заңдылықтары қолданылады. Қышқыл мен негіз арасындағы бейтараптану реакциясының жалпы теңдеуі:

Қышқыл + Негіз → Тұз + Су

Эквиваленттік нүктеде қышқылдың моль саны негіздің моль санына тең болады (1:1 мольдік қатынастағы реакциялар үшін). Егер реакцияның мольдік қатынасы басқаша болса, сәйкес стохиометриялық коэффициенттер ескеріледі.

Ең қарапайым жағдайда, егер қышқыл мен негіз 1:1 қатынаста әрекеттессе, біз келесі формуланы қолдана аламыз:

Mқышқыл * Vқышқыл = Mнегіз * Vнегіз

• M_қышқыл – қышқылдың молярлық концентрациясы (моль/л)
• V_қышқыл – қышқылдың көлемі (л немесе мл)
• M_негіз – негіздің молярлық концентрациясы (моль/л)
• V_негіз – негіздің көлемі (л немесе мл)

Осы формула арқылы белгісіз концентрациядағы ерітіндінің молярлығын оңай анықтауға болады.

Нақты өмірдегі қолданыстар мен мысалдар

Қышқыл-негіздік титрлеу көптеген салаларда кеңінен қолданылады:

• Тағам өнеркәсібі: Сүт өнімдерінің (сүт, йогурт), шырындардың, сірке суының қышқылдығын анықтау. Бұл өнімдердің сапасын, дәм сипаттамаларын және сақтау мерзімін бақылау үшін маңызды. Мысалы, сүттің қышқылдығы оның жаңашылдығын көрсетеді.
• Фармацевтика: Дәрі-дәрмектердің белсенді ингредиенттерінің концентрациясын және тазалығын бақылау. Дәрілік заттардың қажетті дозасының дәлдігін қамтамасыз ету үшін титрлеу өте маңызды.
• Суды талдау: Ауыз судың, ағынды сулардың және өнеркәсіптік судың қышқылдығын немесе негіздігін (pH) анықтау. Бұл судың қауіпсіздігін және қоршаған ортаға әсерін бағалау үшін қажет.
• Өнеркәсіп: Химиялық өндірісте шикізат пен дайын өнімдердің сапасын бақылау. Мысалы, жуғыш заттардың, тыңайтқыштардың құрамындағы белсенді заттарды анықтау.
• Денсаулық сақтау: Адам қанының pH деңгейін бақылау. Қанның pH деңгейінің шамалы өзгерісінің өзі ауыр денсаулық проблемаларына әкелуі мүмкін, сондықтан оны дәл анықтау медицинада өте маңызды.

Тұрақты даму мақсаттарымен байланыс (ТДМ)

Қышқыл-негіздік титрлеу әдісі Біріккен Ұлттар Ұйымының бірнеше Тұрақты даму мақсаттарына (ТДМ) жетуге ықпал етеді:

• ТДМ 6: Таза су және санитария. Су объектілеріндегі (өзендер, көлдер, жерасты сулары) pH деңгейін және ластаушы заттардың концентрациясын бақылау арқылы судың сапасын қамтамасыз етуге көмектеседі. Ағынды суларды тазарту процестерін бақылау және оңтайландыру үшін де қолданылады.
• ТДМ 3: Салауатты өмір салты және әл-ауқат. Дәрі-дәрмектердің сапасын және тиімділігін қадағалау арқылы халықтың денсаулығын жақсартуға үлес қосады. Сондай-ақ, биологиялық сұйықтықтардың (қан, зәр) химиялық құрамын талдау арқылы ауруларды диагностикалауға көмектеседі.
• ТДМ 12: Жауапты тұтыну және өндіріс. Өнеркәсіптік өндірісте ресурстарды тиімді пайдалануды және қалдықтарды азайтуды қамтамасыз ету үшін химиялық процестерді бақылауға мүмкіндік береді. Өнім сапасын жоғарылату және өндіріс процестерін оңтайландыру арқылы жауапты өндіріске үлес қосады.
• ТДМ 2: Аштыққа қарсы күрес. Топырақтың қышқылдығын анықтау арқылы ауыл шаруашылығындағы өсімдіктердің өсуіне қолайлы жағдай жасауға, тыңайтқыштарды дұрыс қолдануға және азық-түлік қауіпсіздігін арттыруға мүмкіндік береді.

Қызықты деректер немесе соңғы жетістіктер

• Автоматты титраторлар: Қазіргі заманғы зертханаларда қолмен титрлеудің орнына автоматты титраторлар кеңінен қолданылады. Бұл құрылғылар адам қатысуынсыз титрантты дәл мөлшерлеп, соңғы нүктені электродтар арқылы анықтайды, нәтижелерді тіркеп, есептеулерді автоматты түрде жүргізеді. Бұл дәлдікті, қайталануды және жұмыс өнімділігін арттырады.
• Компьютерлік модельдеу: Титрлеу қисықтарын компьютерлік бағдарламалар арқылы модельдеу және талдау, күрделі жүйелердегі эквиваленттік нүктені дәлірек анықтауға мүмкіндік береді.
• Микротитрлеу: Өте аз көлемдегі ерітінділермен (микролитр) жұмыс істеуге арналған микротитрлеу әдістері, биологиялық және медициналық зерттеулерде кеңінен қолданылады.

Қорытынды

Қышқыл-негіздік титрлеу – химиялық талдаудың тек негізгі әдісі ғана емес, сонымен қатар студенттерге стохиометрияны, реакция кинетикасын және индикаторлардың жұмыс принципін терең түсінуге көмектесетін практикалық дағды. Бұл сабақ арқылы алынған білім мен дағдылар сіздің болашақ кәсіби қызметіңізде, мейлі ол ғылыми зерттеу, өндіріс немесе қоршаған ортаны қорғау саласы болсын, өте пайдалы болады. Титрлеудің маңызы Тұрақты даму мақсаттарына жетуде де айқын көрінеді, бұл біздің планетамыздың және қоғамның әл-ауқатын жақсартуға химияның қосқан үлесін көрсетеді.

Осы дәріс материалдарын төмендегі сілтемеден жүктеп алуға болады, бұл сіздің біліміңізді одан әрі тереңдетуге көмектеседі:

Практикалық сабақ 6 - Жүктеп алу