Раздел Физическая и коллоидная химия

Лабораторная работа №5

«Скорость химической реакции и ее зависимость от различных факторов»

Цель работы: изучение скорости химической реакции и ее зависимости от различных факторов: природы реагирующих веществ, концентрации, температуры.

Задачи: 1) образовательная: сформировать представление о законе действия масс и вытекающих из него следствиях, дать понятие механизма реакции, рассмотреть зависимость скорости от различных факторов;

2) развивающая: развивать у студентов представление о взаимосвязи химического процесса и внешних факторов, развивать умение использовать теоретические знания на практике, развивать логическое мышление умение анализировать, обобщать и делать выводы;

3) воспитательная: формировать научное мировоззрение.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Скоростью химической реакции называют изменение концентрации реагирующего вещества в единицу времени. Скорость реакции определяется природой реагирующих веществ и зависит от условий протекания процесса (концентрации реагирующих веществ, температуры, наличия катализатора и др.).

Зависимость скорости реакции от концентрации выражается законом действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам. Например, для реакции Н₂(г)+I₂(г)=2НI(г) закон действующих масс может быть записан:

где v -скорость химическойреакции; k-константа скорости; C_H₂ и C_I₂- концентрации реагирующихвеществ

Реакции в гетерогенной системе, например С(к)+О₂(г)=СО₂(г), осуществляется на поверхности раздела между фазами. Поэтому скорость гетерогенных реакций при постоянной температуре зависит не только от концентрации веществ, но и от площади поверхности раздела. Так, для реакции:

С(к)+О₂(г)=СО₂(г)

зависимость скорости от концентрации описывается кинетическим уравнением реакции:

Где k- константа скорости; С_О2 - концентрация кислорода; S- площадь поверхности раздела между фазами.

Зависимость скорости реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа:

Где v_T₁ и v_T₂ - скорость реакции при Т₂ и T₁; -температурный коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10°C. Если температура изменилась на ТС, уравнение принимает вид

= ^Т/10

Одностадийные реакции, протекают, как правило, через образование активированного комплекса. Для одностадийных реакций порядок реакций совпадает с молекулярностью реакции, т.е. мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные реакции являются соответственно реакциями первого, второго и третьего порядка.

Кинетическое уравнение одностадийной химической реакции совпадает с законом действующих масс.

Сложные реакции.К сложным относятся реакции, протекающие последовательно через несколько стадий, или параллельно. Большинство реакций являются многостадийными.

Например, реакция 2А + 3В = А₂В₃

может идти через стадии: А + В = АВ (1)

А + АВ = А₂В (2)

А₂В + 2В = А₂В₃ (3)

2А + 3В = А₂В₃(4)

Если одна из этих стадий протекает значительно медленнее других, то эта стадия будет определять скорость всего процесса, и ее называют лимитирующей (скоростьопределяющей) стадией. Скорость всей реакции будет определяться скоростью лимитирующей стадии. Например, если лимитирующей будет стадия (1), то скорость этой стадии и соответственно всей реакции будет равна

В данном случае 1+1=2 , т.е. порядок реакции меньше суммы стехиометрических коэффициентов (=5). Обычно лимитирующая стадия записывается как необратимая реакция, а другие стадии - как обратимые реакции.

Одним из методов ускорения химической реакции является катализ, который осуществляется при помощи веществ (катализаторов), увеличивающих скорость реакции, но не расходующихся в результате ее протекания.

Механизм действия катализатора сводится к уменьшению величины энергии активации реакции, т.е. к уменьшению разности между средней энергией активных молекул (активного комплекса) и средней энергией молекул исходных веществ. Скорость химической реакции при этом увеличивается.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ РЕАГИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ изучают на примере взаимодействия тиосульфата натрия с серной кислотой:

Na₂S₂O₃+H₂SO₄=Na₂SO₄+SO₂+H₂O+S

Признаком реакции является помутнениераствора, так как выделяется сера.

Возьмите 3 бюретки: налейте в первую 1 нормальный раствор, серной кислоты, во вторую 0,05 нормальный раствор Nа₂S₂О₃, в третью воду.

В три пробирки налить из бюретки по 5 мл серной кислоты. В три конические колбы налить из бюреток: в первую - 5 мл раствора Na₂S₂O₃ и 10 мл воды; во вторую 10 мл раствора Na₂S₂O₃ и 5 мл воды, в третью 15 мл раствора Na₂S₂O₃.Заметив время, в первую колбу налить из пробирки 5 мл отмеренного раствора серной кислоты, быстро перемешать полученнуюсмесь. Отметить помутнение раствора. Проделать то же самое с оставшимися колбами. Результат внесите в таблицу.

№ колбы	Объем реактива, мл	Об-щий объ-ем мл	Отно-сительная концентрация	Темпе-ратура опыта °С	Время начала помутнения с	Относитель-ная скорость реакции
H₂SO₄	Na₂S₂O₃	H₂O	v теор.	v практ.

Рассчитайте v практ. для второго и третьего случаев, учитывая, что скорость реакции до начала помутнения раствора обратно пропорциональны.

где v₁ скорость реакции, v₂ - скорость реакции во втором случае; ₁ -время протекания реакции до начала помутнения раствора в первом случае; ₂ - время протекания реакции во втором случае. Напишите уравнение реакций, сделайте вывод.

ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

(по правилу Вант - Гоффа при у = 1,8)

Возьмем три бюретки с растворами серной кислоты, Na₂S₂O₃. воды. В две пробирки из бюретки подольем по 5 мл серной кислоты. В две конические колбы из бюреток прильем по 5 мл раствора Na₂S₂O₃, и 10 мл воды.

Одну колбу и пробирку поместить в термостат с температурой воды на 10°С выше комнатной. Через 5-7 минут, когда растворы нагреются смешать компоненты и отметить время помутнения. Аналогичную операцию проделать и со второй колбой и второй пробиркой, но температура должна быть выше комнатной на 20°С.

Результаты внесите в таблицу:

№ колбы	Объем колбы мл	Общий объем мл	Температура опыта ºС	Время начала помутнения, с	Относительная скорость реакции
H₂SO₄	Na₂S₂O₃	H₂O	v теор.	v практ.

Сделайте вывод о зависимости скорости реакции от температуры.

Контрольные задания:

1.Что называют скоростью химической реакции? От каких факторов она зависит?

2.Как и почему изменяется скорость химической реакции при изменении температуры?

3. От каких факторов зависит скорость химической реакции в гетерогенных системах?

4.Что называют порядком реакции? Запишите кинетическое уравнение для реакции первого порядка.

Основная литература:

1. Коровин, Н.В. Общая химия: учеб. / Н.В.Коровин. – М.: Высшая школа, 2000. - С.167-201

2. Коровин, Н.В. Лабораторные работы по химии /Н.В.Коровин, Э.М. Мингулина, Н.Г. Рыжова; Под ред. Н.В Коровина. – М.: Высшая школа, 2001. – С.49-56

Дополнительная литература:

1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа.
1988.с.96-101

2. Васильева З.Г., Грановская А.А., Таперова А.А., Макарычева Е.П., Фриденберг Е. Э. Лабораторный практикум по общей химии. Полумикрометод. М., Химия, 1965.

3. Глинка Н.Л. Общая химия. Л. : Химия, 1983.

4. Лучинский Г. П. Курс химии. М.: Высшая школа,1985.с. 129-135

5. Фролов В.В. Химия. М. Высшая школа, 1986. с. 85-90

6. Зайцев О. С. Задачи и вопросы по химии. М.: Химия, 1985.

7. Романцева Л. М., Лещинская З. Л., Суханова В.А. Сборник задач и упражнений по общей химии. М.: Высшая школа,1980.с.152-166

Раздел Биохимия.

Лабораторная работа №6

«Выделение рибонуклеопротеидов и качественные реакции на их компоненты»

Цель работы:изучение состава РНП.

Задачи: 1) образовательная: провести гидролих РНП (рибонуклеопротеидов) дрожжей, определить компоненты РНП с помощьюкачественных реакций;

2) развивающая: развивать у студентов умение использовать полученные знания на практике, развивать логическое мышление, умение анализировать, обобщать и делать выводы;

3) воспитательная: формировать научное мировоззрение.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Hyклеиновые кислоты играют основную роль в сохранении и реализации генетической информации. Различают два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые кислоты [ДНК (DNA)], которые обеспечивают сохранение информации, и рибонуклеиновые кислоты [PHK (RNA)], принимающие участие в процессах генной экспрессии и биосинтеза белка. Нуклеиновые кислоты построены из нуклеотидных звеньев, которые в свою очередь состоят из азотистого основания, углеводного остатка и фосфатной группы. ДНК и РНК различаются по типу углеводного остатка и структуре оснований.

Рибонуклеиновые кислоты представляют собой полимеры из нуклеозидфосфатных звеньев, соединенных фосфодиэфирной связью. В качестве азотистых оснований в РНК присутствуют урацил, цитозин, аденин и тимин. Дезоксиибонуклеиновые кислоты также представляют собой полимеры из нуклеозидфосфатных звеньев, соединенных фосфодиэфирной связью. В качестве азотистых оснований в ДНК присутствуют тимин, цитозин, аденин и тимин. Предложенная в 1953 г. модель структуры ДНК позволила объяснить причину таких соотношений: интактная ДНК состоит из двух полидезоксинуклеотидных цепей. Каждое основание одной цепи связано с комплементарнымему основанием другой цепи водородными мостиками. При этом аденин комплементарен тимину (А – Т), гуанин — цитозину (Г – Ц).

В функциональном отношении две цепи ДНК не эквивалентны. Кодирующей цепью (матричной, смысловой) является та из них, которая считывается в процессе транскрипции. Именно эта цепь служит матрицей для PHK. Некодирующая цепь (антисмысловая) по последовательности подобна РНК (при условии замены T на U). Общепринято давать структуру гена в виде последовательности некодирующей цепи ДНК в направлении 5'3'. Если прочитать кодоны в этом направлении, то с помощью генетического кода можно воспроизвести аминокислотную последовательность белка в принятом порядке, от N- к С-концу.

Большая часть нуклеиновых кислот в клетках встречается в виде комплексов с основными белками. такие комплексы называют нуклеопротеидами. Для изучения компонентов нуклеопротеидов используют пекарские дрожжи, содержащие рибонуклеопротеиды (РНП). В результате кислотного гидролиза РНП распадаются на составляющие компоненты: пуриновые и пиримидиновые основания, рибозу, фосфорную кислоту, пептиды.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

ОПЫТ 1. ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРОЛИЗАТА ДРОЖЖЕЙ

В круглодонную колбу для гидролиза помещают 1 г пекарских дрожжей, доливают 20 мл 10 %-ного раствора серной кислоты и 20 мл дистиллированной воды, колбу закрывают пробкой, в которую вставлена в качестве холодильника стеклянная трубка длиной 20—30 см, кипятят под тягой в течение 1 ч на асбестовой сетке при слабом нагревании, после окончания гидролиза жидкость охлаждают, доводят водой до первоначального объема и фильтруют.

ОПЫТ 2. ОБНАРУЖЕНИЕ ПУРИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ В СОСТАВЕ НУКЛЕОПРОТЕИДОВ

Метод основан на образовании комплексов пуриновых оснований с солями серебра.

К 1 мл гидролизата добавляют концентрированный раствор аммиака до получения щелочной среды (по лакмусу) н 0,5 мл раствора AgN0₃. Через 3—5 мин образуется рыхлый осадок серебряных солей пуриновых оснований.

ОПЫТ 3. ОБНАРУЖЕНИЕ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ В СОСТАВЕ НУКЛЕОПРОТЕИДОВ

Метод основан на взаимодействии фосфорной кислоты с молибденовым реактивом с образованием окрашенного соединения.

К 1 мл гидролизата добавляют 1 мл молибденового реактива и кипятят. Жидкость окрашивается в лимонно-желтый цвет, а при охлаждении выпадает кристаллический осадок желтого цвета, обусловленный образованием фосфорномолибденовокислого аммония.

ОПЫТ 4. ОБНАРУЖЕНИЕ УГЛЕВОДНОГО КОМПОНЕНТА В СОСТАВЕ НУКЛЕОПРОТЕИДОВ (РЕАКЦИЯ ТРОММЕРА)

А. К 0,5 мл гидролизата добавляют 1 мл 30% раствора гидроксида натрия и 3 капли 7% раствора сульфата меди. (11). Пробирку нагревают до кипения. Образование мелтого или красного осадка свидетельствует о наличии редуцирующих углеводов.

В. К 5 каплям гидролизата добавляют 20 капель 1% - ного раствора дифениламинового реактива (1 г дифениламина + 40 мл ледяной СН₃СООН+2,75 мл H₂SO_4конц, до 100 мл ледяной СН₃СООН) и кипятят на водяной бане 15 минут. Появляется сине-зеленое окрашивание. (Дифениламин с рибозой дает зеленое окрашивание, с дезоксирибозой – синее).

ОПЫТ 5. ОБНАРУЖЕНИЕ БЕЛКОВ В СОСТАВЕ НУКЛЕОПРОТЕИДОВ

Биуретовая реакция характерна для соединений, содержащих не менее двух пептидных связей

В пробирку вносят 0,5 мл гидролизата, нейтрализуют (по лакмусу) раствором NaOH, затем добавляют 0,5 мл 10 % раствора NaOH и 2—3 капли 2 % раствора CuS0₄. Смесь перемешивают и наблюдают появление красно-фиолетовой окраски, что свидетельствует о присутствии в пробе полипептидов, образующихся в результате гидролиза белковой части нуклеопротеидов.

Химизм реакции можно представить следующими уравнениями:

NaOH+ CuSO₄ —> Na₂SO₄ + Cu(OH)₂

биурет медная комплексная

соль биурета

№	Название этапа работы	Условия реакции (реактивы, t°С, время, уравнение реакции)	Наблюдаемые эффекты
1.
2.

Контрольные задания:

1. Какие азотистые основания входят в состав РНК?

2. Содержание нуклеотидов в цепи и-РНК следующее: аденина — 27%, гуанина — 35%, цитозина — 18%, урацила — 20%. Определите процентный состав нуклеотидов участка молекулы ДНК (гена), являющегося матрицей для этой и-РНК.

3. Какую длину имеет участок ДНК, кодирующий синтез инсулина, который содержит 51 аминокислоту в двух цепях, если один нуклеотид занимает 3,4 А (ангстрема) цепи ДНК? 1 А = 0,1 нм (нанометра)?

4. В молекуле ДНК обнаружено 880 гуаниловых нуклеотидов, которые составляют 22% от общего количества нуклеотидов этой ДНК. Определите длину ДНК и содержание нуклеотидов каждого типа (в %)?

5. На фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в последовательности: А-А-Г-Т-Ц-Т-А-Ц-Г-Т-А-Т. Достройте схему двухцепочечной молекулы ДНК. Какова длина в нм этого фрагмента ДНК? (Каждый нуклеотид занимает 0,34 нм по длине цепи ДНК). Сколько нуклеотидов (в %) содержится в этой ДНК?

Основная литература:

1. Коровин, Н.В. Общая химия: учеб. / Н.В.Коровин. – М.: Высшая школа, 2000. – С.450-474

2. Коровин, Н.В. Лабораторные работы по химии /Н.В.Коровин, Э.М. Мингулина, Н.Г. Рыжова; Под ред. Н.В Коровина. – М.: Высшая школа, 2001. – С.180-185

Дополнительная литература:

1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа.
1988.

3. Глинка Н.Л. Общая химия. Л. : Химия, 1983.

4. Лучинский Г. П. Курс химии. М.: Высшая школа,1985.

5. Фролов В.В. Химия. М. Высшая школа, 1986.

6. Зайцев О. С. Задачи и вопросы по химии. М.: Химия, 1985.

7. Романцева Л. М., Лещинская З. Л., Суханова В.А. Сборник задач и упражнений по общей химии. М.: Высшая школа,1980.