Ćwiczenie nr 3
dr Marta Struga
Analiza ilościowa płynów ustrojowych
Repetytorium
1. Kompleksy – definicja, budowa i podział.
2. Biologicznie ważne kompleksy (pochodne porfiny, chloryny i koryny - hem, hemoglobina, chlorofil, witamina B12).
3. Kompleksometria – EDTA.
4. Zastosowanie związków kompleksowych w medycynie.
5. Alkacymetria i acydymetria – krzywe miareczkowania.
6. Iloczyn rozpuszczalności – definicja i zastosowanie.
7. Precypitometria.
Część praktyczna
1. Kompleksometryczne oznaczanie wapnia w surowicy krwi.
2. Oznaczanie chlorków w moczu metodą Volharda.
3. Alkacymetryczne oznaczanie kwasowości soku żołądkowego.
1. Kompleksy – definicja, budowa i podział
Twórcą nauki o kompleksach był A. Werner (1893), który stwierdził, że strukturę związku koordynacyjnego metalu (kompleksu) określa nie wartościowość, lecz liczba koordynacyjna metalu.
Kompleks składa się z atomu (jonu) centralnego i skoordynowanych wokół niego ligandów. Jonami centralnymi mogą być: Cu2+, Ni2+, Fe2+, Fe3+, Ag+, Hg+ i inne.
atom centralny + ligand ⇋ kompleks
(akceptor ligandu) (donor ligandu)
Liczba ligandów związanych z jonem centralnym nosi nazwę liczby koordynacyjnej metalu. Przyjmuje ona najczęściej wartości 4 lub 6, rzadziej 2.
Kompleksy dzielimy na proste i chelatowe (pierścieniowe). Kompleksy proste powstają w wyniku reakcji jonu centralnego z ligandami jednofunkcyjnyni, którymi mogą być np. cząsteczki NH3, H2O (hydraty) i jony Cl-, I-, CN-, SCN-.
Kompleks może być cząsteczką obojętną, jonem dodatnim lub ujemnym, zależnie od algebraicznej sumy ładunków jonu centralnego i ligandu, np.
[Co2+(NH3)2(NO2-)4]2-
Jeżeli jon centralny Men+ reaguje z m ligandami, to reakcja przebiega stopniowo, tzn. ligandy kolejno przyłączają się do atomu centralnego tworząc szereg kompleksów pośrednich, zanim zostanie utworzony kompleks koordynacyjnie wysycony. W taki stopniowy sposób przebiega np. tworzenie się rodankowych kompleksów żelaza (III):
1. Fe3+ + SCN- ⇋ Fe(SCN)2+
2. Fe(SCN)2+ + SCN- ⇋ Fe(SCN)2+
3. Fe(SCN)2+ + SCN- ⇋ Fe(SCN)3
4. Fe(SCN)3 + SCN- ⇋ [Fe(SCN)4]-
5. [Fe(SCN)4]- + SCN- ⇋ [Fe(SCN)5]2-
6. [Fe(SCN)5]2- + SCN- ⇋ [Fe(SCN)6]3-
W układzie tworzy się sześć różnych kompleksów, przy czym powstawaniu ostatniego sprzyja duże stężenie ligandów i wyższe pH roztworu.
Reakcje tworzenia się kompleksów w roztworach podlegają w pełni prawu działania mas. Jeśli jon centralny Me tworzy z ligandem L kompleks w reakcji Me + L ⇋ MeL, to stała równowagi tworzenia się kompleksu, czyli stała trwałości wyraża się wzorem:
Stałą reakcji dysocjacji kompleksu nazywamy stałą nietrwałości kompleksu:
Stała nietrwałości jest wielkością charakterystyczną dla związków kompleksowych. Im wartość liczbowa stałej nietrwałości jest mniejsza, tym kompleks jest trwalszy, czyli w mniejszym stopniu zdysocjowany w roztworze. Wygodne jest podawanie jej wielkości w postaci wykładników stałych nietrwałości pK.
pK = -lgK
Siły działające w kompleksach i utrzymujące ich składniki najczęściej wyjaśnia się przy pomocy wiązań koordynacyjnych, które są szczególnym przypadkiem wiązań kowalencyjnych. W wiązaniu koordynacyjnym wiążąca para elektronów pochodzi od atomu ligandowego. Wiązanie takie zwykle oznacza się strzałką biegnącą od atomu ligandowego do metalu, Me ← L
Większość ligandów, w tym przede wszystkim odczynniki organiczne, zawiera więcej niż jeden atom ligandowy w cząsteczce. Są to ligandy wielofunkcyjne, zajmujące więcej niż jedno miejsce w koordynacyjnej sferze metalu. Ligandy wielofunkcyjne, wielokleszczowe, łącząc się z metalami w kompleksy tworzą pierścienie. Kompleksy, w których metal wchodzi w skład pierścienia, nazywa się kompleksami chelatowymi (pierścieniowymi). Termin „chelatowy” pochodzi od greckiego słowa chela oznaczającego szczypce, kleszcze. Ligandami dwufunkcyjnymi są glicyna (NH2CH2COOH) i etylenodiamina (NH2CH2CH2NH2) tzn. że oba atomy donorowe wchodzące w skład jednej cząsteczki uczestniczą w utworzeniu wiązań.
Atomy ligandowe są wyróżnione czcionką pogrubioną.
Ligandem trójfunkcyjnym jest kwas winowy,
natomiast trietanoloamina jest ligandem czterofunkcyjnym.
Wiele kompleksów spotykanych w przyrodzie ma duże znaczenie biologiczne. Porfiryny i ich niearomatyczne analogi są makrocyklicznymi układami występującymi jako składniki ważnych produktów naturalnych.
Podstawowym elementem struktury porfiryn jest układ porfiny (układ czterech pierścieni pirolowych powiązanych mostkami metinowymi), a najpospolitszą porfiryną jest protoporfiryna tworząca z żelazem kompleks zwany hemem, będący grupą prostetyczną hemoglobin, mioglobin, cytochromów, katalaz i peroksydaz. Hem jest przedstawicielem tzw. grupy metaloporfiryn.
układ porfiny hem (porfiryna)
W cząsteczce hemoglobiny, która zbudowana jest z hemu i komponentu białkowego (globiny), atom żelaza jest związany z czterema otaczajacymi go atomami azotu, piąte wiązanie koordynacyjne wiąże go z substancją białkową (globiną), szóste natomiast z tlenem tworząc oksyhemoglobinę
hemoglobina + O2 ⇋ oksyhemoglobina
HHb + O2 = HbO2- + H+
Położenie równowagi tego procesu zależy od ciśnienia tlenu. W płucach, gdzie krew nasycona jest powietrzem, równowaga jest prawie całkowicie przesunięta w prawo. W silnie ukrwionych tkankach, gdzie ciśnienie tlenu jest małe, oksyhemoglobina rozpada się, a wydzielony tlen uczestniczy w procesach utleniania.
Blisko spokrewnione z porfiną są chloryna i koryna.
układ chloryny chlorofil
Podstawowy szkielet koryny przedstawia wzór:
układ koryny witamina B12
Najbardziej znanym produktem naturalnym zawierającym szkielet koryny jest witamina B12. Układ koryny związany jest kompleksowo z atomem kobaltu.
3. Kompleksometria – EDTA
Reakcje tworzenia się kompleksów znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach chemii. Kompleksy proste i chelaty rozpuszczalne w wodzie wykorzystuje się w miareczkowaniach kompleksometrycznych. Wewnętrzne chelaty wykorzystuje się w analizie wagowej, np. strącanie niklu dimetyloglioksymem, roztwory barwnych wewnętrznych chelatów w rozpuszczalnikach organicznych często wykorzystuje się w kolorymetrii. Reakcje kompleksowania wykorzystuje się często do maskowania jonów przeszkadzających w analizie. Pod pojęciem maskowania jonu przeszkadzającego rozumie się przeprowadzenie go w wyniku dodania czynnika kompleksotwórczego w trwały kompleks. Związany w ten sposób jon staje się niezdolny do reakcji zakłócającej prawidłowy przebieg reakcji oznaczania lub wykrywania innego jonu.
Najważniejszą metodą miareczkowania kompleksometrycznego jest miareczkowanie jonów metali mianowanymi (o znanym stężeniu) roztworami EDTA (sól disodowa kwasu etylenodiaminotetraoctowego nazwa zwyczajowa tego kwasu to kwas wersenowy) co pozwala na oznaczenie stężenia tych jonów w roztworze – czyli ilościowego oznaczenia. EDTA jest ligandem sześciofunkcyjnym i reaguje z jonami metali zawsze w stosunku 1 : 1, niezależnie od wartościowości jonu metalu.
EDTA
Zasady kompleksometrii zobrazować można na przykładzie oznaczania jonów Ca2+ np. w surowicy krwi za pomocą EDTA (wersenianu disodowego). Jeśli wersenian disodowy oznaczymy wzorem Na2H2Y, a anion jako H2Y2- to reakcję kompleksowania możemy zapisać następująco:
Ca2+ + H2Y2- ⇋ CaY2- + 2H+
Miareczkując roztwór oznaczanego metalu mianowanym roztworem EDTA, koniec miareczkowania rozpoznaje się najczęściej stosując barwne wskaźniki kompleksometryczne. Są to substancje organiczne, które przy określonym pH tworzą z jonami metali kompleksy różniące się swym kolorem od zabarwienia samego wskaźnika. Kompleks metalu ze wskaźnikiem kompleksometrycznym musi być odpowiednio mniej trwały niż kompleks tego metalu z EDTA. Jeśli doda się do roztworu metalu wskaźnika, to roztwór zabarwi się na kolor właściwy dla kompleksu metalu z tym wskaźnikiem. Podczas miareczkowania roztworem EDTA odczynnik ten wiąże się najpierw z wolnymi jonami metalu w roztworze badanym, a w końcu wypiera metal z jego kompleksu ze wskaźnikiem kompleksometrycznym, czemu towarzyszy zmiana zabarwienia na kolor charakterystyczny dla wolnego wskaźnika. Zmiana barwy roztworu sygnalizuje punkt końcowy miareczkowania (PK).
Wskaźniki stosowane w kompleksometrii to: granat eriochromowy, czerń eriochromowa, mureksyd.
4. Zastosowanie związków kompleksowych w medycynie
Detoksykacja – stosując sztuczne związki chelatujące możemy usunąć z organizmu obce i szkodliwe dla niego kationy będące truciznami, np. Pb2+, Hg2+, Hg22+, Zn2+.
Dekontaminacja – usuwanie z organizmu nuklidów promieniotwórczych w postaci związków kompleksowych.
Konserwacja krwi – kompleksowanie jonów Ca2+ odpowiedzialnych za krzepnięcie krwi przy użyciu cytrynianów lub EDTA.
5. Alkacymetria i acydymetria – krzywe miareczkowania
Alkacymetria to dział analizy miareczkowej, w którym wyróżniamy: alkalimetrię – oznaczanie kwasów za pomocą zasad i acydymetrię – oznaczanie zasad za pomocą kwasów.
Podstawową reakcją w alkacymetrii jest reakcja jonów wodorowych, pochodzących od kwasów, z jonami wodorotlenowymi, pochodzącymi od zasad, w wyniku której tworzą się słabo zdysocjowane cząsteczki wody:
H3O+ + OH- ⇋ 2H2O
W alkacymetrii wykorzystuje się fakt, że kwas i zasada reagują ze sobą z zachowaniem stechiometrii. Na jeden mol jednowodorotlenoej zasady zużywa się jeden mol jednoprotonowego kwasu kwasu. Wobec tego znając objętość roztworu, który miareczkowaliśmy, oraz jego stężenie, możemy łatwo obliczyć stężenie roztworu badanego.
Do obliczeń stosujemy wzór:
vz · Mz/ilość grup wodorotlenowych = vk · Mk/ilość protonów kwasu
gdzie: vz – objętość zasady, Mz – stężenie molowe zasady, vk - objętość kwasu, Mk – stężenie molowe kwasu.
...
chomiczkaAnka