Медико-биологических исследованиях

1. Количественный анализ. Титриметрический анализ. Расчеты в объемно-аналитических исследованиях. Рабочие растворы. Закон эквивалентов. Точка эквивалентности и способы её фиксирования. Титрование. Применение титриметрического анализа в лабораторной работе.

 

Количественный анализ предназначен для определения количественных соотношений составных частей исследуемого вещества. Другими словами, количественный анализ дает возможность установить количественный элементный или молекулярный состав анализируемого вещества или содержание отдельных его компонентов.

В ряде случаев требуется установить содержание всех элементов, ионов или соединений, входящих в состав данного исследуемого вещества. Например, при анализе медных сплавов (бронз и латуней) определяют содержание меди, олова, свинца, цинка и других элементов.

В других случаях требуется установить содержание некоторых отдельных элементов, ионов или соединений, входящих в состав анализируемого продукта. Так, при анализе металлического сплава химика-аналитика может интересовать лишь содержание меди и олова, или ванадия и вольфрама, или алюминия и магния, или только железа и т. д.

 

Количественный анализ бывает - весовой и титриметрический (объемный).

Количественный анализ позволяет установить элементный и молекулярный состав исследуемого объекта или содержание отдельных его компонентов.

В зависимости от объекта исследования различают неорганический и органический анализ. В свою очередь их разделяют на элементный анализ, задача которого — установить, в каком количестве содержатся элементы (ионы) в анализируемом объекте, на молекулярный и функциональный анализы, дающие ответ о количественном содержании радикалов, соединений, а также функциональных групп атомов в анализируемом объекте.

Титриметрический анализ — метод количественного анализа, который часто используется в аналитической химии, основанный на измерении объёма раствора реактива точно известной концентрации, расходуемого для реакции с определяемым веществом.

Титрование — это добавление к известному объёму раствора вещества с неизвестной концентрацией – анализируемого раствора небольших порций раствора с точно известной концентрацией – рабочего раствора (титранта). Титрование производят с помощью бюретки, заполненной титрантом до нулевой отметки. Титровать начиная от других отметок не рекомендуется, так как шкала бюретки может быть неравномерной. Заполнение бюреток рабочим раствором производят через воронку или с помощью специальных приспособлений, если бюретка полуавтоматическая. Конечную точку титрования (не следует путать с точкой эквивалентности) определяют индикаторами или физико-химическими методами (по электропроводности, светопропусканию, потенциалу индикаторного электрода и т. д.). По количеству пошедшего на титрование рабочего раствора рассчитывают результаты анализа.

В процессе титрования достигается точка эквивалентности, т.е. момент, когда количества реагирующих веществ в смеси становятся эквивалентными. Для определения т.э. применяют индикаторы – вещества, изменяющие окраску в момент эквивалентности.

Титрование используется для определения количественного содержания вещества в изучаемом объекте (растворе)

В основе количественных расчётов лежит закон эквивалентов:

V₁*C₁=V₂*C₂

V₁, V₂ – объём в литрах

С₁, С₂ – молярная концентрация эквивалента вещества.

 

 

1. Приготовление рабочих титрованных растворов и проверка их концентрации (на примере лабораторной работы «Приготовление раствора тетрабората натрия и проверка его концентрации по HCl»).

Смотри в зелёной тетради.

 

3. Ациди- и алкалиметрия, сущность метода кислотно-основного титрования. Кислотно-основные индикаторы, выбор индикатора. Применение метода нейтрализации и медицинской и санитарно-гигиенической практике.

 

Методы кислотно-основного титрования основаны на использовании реакций нейтрализации между кислотами и основаниями.

В зависимости от титранта различают методы ацидиметрического и алакалиметрического титрования.

В ацидиметрии - титрант сильная кислота

алкалиметрии – щелочь NaOH, KOH, Ba(OH)₂

Ацидиметрию используют для анализа растворов щелочей и солей, дающих при гидролизе щелочную реакцию.

Алкалиметрию используют для определения кислот, солей, дающих при гидролизе кислую реакцию

Для определения точки эквивалентности применяются кислотно-основные индикаторы – вещества, являющиеся слабыми кислотами и основаниями, которые изменяют окраску в зависимости от раствора рН.

Кислотно-основные индикаторы изменяют свою окраску в области интервала перехода, независимо от того, достигнута или не достигнута точка эквивалентности.

Правильно выбранный индикатор изменяет окраску в области скачка титрования. Наблюдаемое при титровании резкое изменение цвета индикатора при добавлении лишь одной капли титранта связано с резким (в несколько единиц) изменением pH в области скачка. У неправильно выбранного индикатора изменение окраски может происходить задолго до наступления точки эквивалентности (в недотитрованных растворах) или после нее (в перетитрованных). При этом изменение цвета раствора не будет столь резким, как вблизи точки эквивалентности.

Выбирают индикатор с помощью кривой титрования. Для этого на график кривой титрования наносят интервал перехода индикатора. У правильно подобранного индикатора интервал перехода полностью или частично перекрывается скачком титрования. Если такого перекрывания нет, индикатор для данного титрования не подходит. Отличным индикатором для рассмотренного выше титрования сильной кислоты сильным основанием является Фенолфталеин, так как его интервал перехода (8,2…9,8) захватывает область скачка титрования. Явно непригодным индикатором для титрования 0,1 М HCl раствором NaOH был бы, например, метиловый оранжевый (табл. 1.1).

При ацидиметрическом титровании KOH выбирается метилоранж (переход 4-5)

При титровании уксусной кислоты – фенолфталеин.

среда	нейтральная	кислая	щёлоч
индикатор
Лакмус	фиолетовый	красный	синий
Метилоранж	оранжевый	красный	жёлтый
фенолфтал	бесцв	бесцв	малиновый

 

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.

 

1. Оксидиметрия: пермагнаганатометрия и йодометрия, сущность методов, индикаторы, рабочие растворы (на примере лабораторной работы), использование в клинической и санитарно-гигиенических исследованиях.

 

Оксидиметрия – методы количественного анализа в основе которых лежат окислительно-восстановительные реакции.

В качестве рабочих растворов применяются растворы окислителей: KMnO4, J₂, K₂Cr₂O₇ и др.

Восстановителей: Na₂S₂O₃, SnCl₂ и др.

 

Перманганатометрия — это титриметрический (объёмный) метод определения веществ, основанный на реакциях окисления с участием перманганат-ионов.

В основе перманганатометрического титрования лежит окислительно-восстановительный процесс с участием парыMn(VII)/Mn(II) (Еo=+1,52 В) в кислой среде:

При использовании раствора перманганата калия в качестве титранта можно определять, например, ионы железа, пероксид водорода, оксалаты:

Конечную точку титрования определяют без индикатора по появлению собственной фиолетовой окраски ионов MnO4-.

Mn⁺⁷O₄^----<7-----Mn²⁺ (Z=5)

-----7------Mn⁺⁴O₂ (Z=3)

----->7-----Mn⁺⁶O₄ (Z=1)

 

K2Cr2⁺⁶O7 _-----à 2Cr⁺³ (Z=6)

K₂CrO_{4 -------à} Cr³⁺ (Z=3)

Иодометрия — титриметрический (объёмный) метод определения веществ, основанный на реакциях окисления-восстановления (разновидность оксидиметрии) с участием иода или иодида калия:

Стандартный электродный потенциал данной реакции составляет +0,5355 В.

Прямое иодометрическое титрование непосредственно раствором I2 может быть использовано, в частности, для титрования восстановителей в присутствии избытка KI:

Этим способом определяют концентрацию As(III), Sn(II), Sb(III), сульфидов, сульфитов, тиосульфатов и др.:

Возможно также определение восстановителей с избытком иода, непрореагировавшее количество которого определяется титрованием тиосульфата натрия.

Косвенное иодометрическое титрование используется для титрования окислителей; в этом случае определяемые вещества взаимодействуют с избытком KI с образованием иода, который оттитровывается раствором тиосульфата натрия. Этот способ используется для определения концентрации Cu(II), H2O2, Br2, BrO3-, ClO-

Иодометрический метод анализа используется также для определения концентрации ионов H+:

Иодометрический метод анализа является также основой метода Фишера по определению воды в органических растворителях.

Определение конечной точки титрования.

Наиболее распространённым индикатором для определения конечной точки титрования служит крахмал, который образует с иодом ярко окрашенный аддукт темно-синего цвета. Другими индикаторами служат кумарин, производные α-пирона. Конечную точку титрования определяют также при помощи физико-химических методов анализа — потенциометрически, амперометрически и др.

Погрешности в определении конечной точки титрования связаны с летучестью иода, возможностью изменения концентрации иодида калия вследствие его окисления кислородом воздуха, разложения тиосульфата натрия в кислой среде или протекания реакции тиосульфата натрия с иодом в щелочной среде по иному механизму реакции.

 

Методом перманаганатометрии определяют содержание мочевой кислоты в моче Са²⁺ в кровяной сыворотке, сахара в крови.

Метод йодометрии используют при определении фермента пероксидазы, активного хлора в хлорной извести и анализе многих органических и неорганических лекарственных веществ: формалина, витамина С, калия перманганата и др.

 

 

ХИМИЯ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

 

1. Учение В.И.Вернадского о биосфере. Макро- и микроэлементы в окружающей среде и в организме человека. Связь эндемических заболеваний с особенностями биохимических провинций. Топография важнейших биогенных элементов в организме человека.

 

Биогенные элементы - (biogenic elements) химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и выполняющие определенные биологические функции.

Согласно представлениям Вернадского, биосфера состоит из нескольких разнородных компонентов. Главный и основной — это живое вещество, совокупность всех живых организмов, населяющих Землю. В процессе жизнедеятельности живые организмы взаимодействуют с неживым (абиогенным) веществом. Такое вещество образуется в результате процессов, в которых живые организмы не принимают участия, например, изверженные горные породы. Следующий компонент - биогенное вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф, известняк, мел, лесная подстилка, почвенный гумус и т.д.). Еше одно составляющее биосферы - биокосное вещество — результат совместной деятельности живых организмов (вода, почва, кора выветривания, осадочные породы, глинистые материалы) и косных (абиогенных) процессов.

Прежде всего В.И. Вернадский определил пространство, которое охватывает биосфера Земли, — вся гидросфера до максимальных глубин океанов, верхняя часть литосферы материков до глубины около 3 км и нижняя часть атмосферы до верхней границы тропосферы. Он ввел в науку интегральное понятие живое вещество и стал называть биосферой область существования на Земле «живого вещества», представляющего собой сложную совокупность микроорганизмов, водорослей, грибов, растений и животных. По существу, речь идет о единой термодинамической оболочке (пространстве), в которой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды (пленка жизни). Он показал, что биосфера отличается от других сфер Земли тем, что внутри нее происходит геологическая деятельность всех живых организмов. Живые организмы, преобразуя солнечную энергию, являются мошной силой, влияющей на геологические процессы.

Специфическая черта биосферы как особой оболочки Земли — непрерывно происходящий в ней кругооборот веществ, регулируемый деятельностью живых организмов. По мнению В.И. Вернадского, в прошлом явно недооценивали вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Хотя живое вещество по объему и массе составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

Занимаясь созданной им наукой биохимией, изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, В.И. Вернадский пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента из таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Он сформулировал три важных биогеохимических принципа:

· Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к своему максимальному проявлению. Этот принцип в наши человеком дни нарушен.

· Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, происходит в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.

· Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, создающейся и поддерживающейся на Земле космической энергией Солнца. Вследствие нарушения двух первых принципов космические воздействия из поддерживающих биосферу могут превратиться в разрушающие ее факторы.

Перечисленные геохимические принципы соотносятся со следующими важными выводами В.И. Вернадского:

§ каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой;

§ жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете.

§ Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и, в первую очередь, ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат Земли, а последний, в свою очередь, — жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на Земле.

Значительное место в работах В.И. Вернадского по биосфере отведено зеленому живому веществу растений, поскольку только оно автотрофно и способно аккумулировать лучистую энергию Солнца, образуя с ее помощью первичные органические соединения.

Значительная часть энергии живого вещества идет на образование в биосфере новых вадозных (неизвестных вне ее) минералов, а часть захороняется в виде органического вещества, образуя, в конечном счете, залежи бурого и каменного угля, горючих сланцев, нефти и газа. «Мы имеем здесь дело, — писал В.И. Вернадский, — с новым процессом, с медленным проникновением внутрь планеты лучистой энергии Солнца, достигшей поверхности Земли. Этим путем живое вещество меняет биосферу и земную кору. Оно непрерывно оставляет в ней часть прошедших через него химических элементов, создавая огромные толщи неведомых, помимо него, вадозных минералов или пронизывая тончайшей пылыо своих остатков косную материю биосферы».

По мнению ученого, земная кора представляет собой в основном остатки былых биосфер. Даже гранитно-гнейсовый ее слой образовался в результате метаморфизма и переплавления пород, возникших когда-то под воздействием живого вещества. Только базальты и другие основные магматические породы он считал глубинными и по своему генезису не связанными с биосферой.

В учении о биосфере понятие «живое вещество» является основополагающим. Живые организмы превращают космическую лучистую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Своим дыханием, питанием, метаболизмом, смертью и разложением, длящимся сотни миллионов лет, непрерывной сменой поколений они порождают существующий только в биосфере грандиознейший планетарный процесс — миграцию химических элементов.

 

Академик В.И. Вернадский - основоположник учения о химических элементах. Он научно обосновал тесную взаимосвязь химического состава земной коры, океана и живых организмов. В.И. Вернадский установил, что количественный и качественный состав химических элементов в живых организмах в значительной мере зависит от содержания их в окружающей среде.

Изучая геохимические превращения в земной коре, В.И. Вернадский установил, что изменения, происходящие в верхних слоях земной коры, оказывают определенное влияние на химический состав живых организмов. Так, например, все химические элементы, содержащиеся в морской воде, можно обнаружить в организме человека, а также и в земной коре.

На основе полученных данных А.П. Виноградов установил закономерности распределения химических элементов в живых организмах, показав, что в общей форме существует один закон распределения химических элементов в литосфере и биосфере, а химический состав живых организмов является выражением химического состава естественной среды. Следует отметить, что живые организмы используют только те химические элементы, которые обладают соотношением различных свойств и доступны организмам в окружающей среде. При этом живые организмы должны обладать способностями избирательно поглощать и концентрировать отобранные химические элементы.

А.П. Виноградов, анализируя данные о содержании химических элементов в земной коре, почвах, морской воде, растениях и животных организмах, установил, что наиболее распространены в земной коре следующие элементы: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, титан, углерод (занимает 16-е место). Основу живых организмов составляют только шесть химических элементов, которые получили название «органогены». К последним относятся углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая массовая доля которых в организме составляет 97,4%.

Развивая учение академика В.И. Вернадского о роли элементного состава почвы в эволюции живых организмов, А.П Виноградов разработал учение о биогеохимических провинциях, территории которых отличаются определенным составом и количественным содержанием химических элементов в почве. Установлено, что в живых организмах, населяющих эти провинции, протекают соответствующие биохимические реакции.

Бурное развитие промышленности, широкое применение в сельском хозяйстве удобрений, а также комбинация этих и других искусственных факторов с естественными, могут создать сложную геохимическую обстановку со значительным увеличением содержания микроэлементов в одних районах земного шара и их дефицитом в других. Например, известны провинции с пониженным содержанием йода (западные области Украины), кобальта, с повышенным содержанием меди и др.

Установлено, что многие заболевания (эндемический зоб, эндемическая подагра, кариес зубов и др.) обусловлены повышенным или пониженным содержанием в организме определенных химических элементов.

Чтобы устранить дефицит микроэлементов в биологических зонах, осуществляются йодирование поваренной соли, фторирование питьевой воды и другие мероприятия.

Большое значение в этом направлении имеют работы В.В. Ковальского, создателя геохимической экологии ~ учения о биохимических и физиологических адаптациях организмов к химическим элементам данной сферы. В.В. Ковальский установил, что даже в геохимических провинциях, отличающихся аномальным содержанием тех или иных элементов, большинство организмов приспосабливается и нормально развивается. Только 5-20% организмов в этих условиях заболевает.

По мнению В.В. Ковальского, недооценивать роль геохимической среды для человека является большой ошибкой.

 

Органы человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы, т. е. микро– и макро–элементы неравномерно распределяются между разными органами и тканями. Большинство микроэлементов накапливается в печени, костной и мышечной тканях. Эти ткани являются основными депо (запасниками) для многих микроэлементов.

Элементы могут проявлять специфическое сродство по отношению к некоторым органам и содержаться в них в высоких концентрациях. Хорошо известно, что цинк концентрируется в поджелудочной железе, йод – в щитовидной, фтор – в эмали зубов, алюминий, мышьяк, ванадий накапливаются в волосах и ногтях, кадмий, ртуть, молибден – в почках, олово – в тканях кишечника, стронций – в предстательной железе, костной ткани, барий – в пигментной сетчатке глаза, бром, марганец, хром – в гипофизе и т. д.

В организмах микроэлементы могут находиться в связанном состоянии и в виде свободных ионных форм. Известно, что кремний, алюминий, медь и титан в тканях головного мозга находятся в виде комплексов с белками, тогда как марганец – в ионном виде.

Водород и кислород – макроэлементы. Они входят в состав воды, которой в организме взрослого человека в среднем содержится около 65%. Вода неравномерно распределена по органам, тканям и биологическим жидкостям человека. Так, в желудочном соке, слюне, плазме крови, лимфе вода составляет от 89,5 до 90%, в моче, сером веществе головного мозга, почках – 80%, в белом веществе головного мозга, печени, коже, спинном мозге, мышцах, легких, сердце – 70—80%.

Меньше всего – 40% воды – содержится в ске–лете.

Макроэлементы – углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор – входят в состав белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений организма. Содержание углерода в белках составляет 51—55%, кислорода – 22—24%, азота – 15—18%, водорода – 6,5—7%, серы – 0,3—2,5%, фосфора – около 0,5%.

 

 

Углерод, водород и кислород входят также в состав углеводов, содержание которых в тканях животных не–велико – примерно 2%. Эти элементы входят в состав липидов (жиров). Кроме того, в состав фосфолипидов входит фосфор в виде фосфатных групп. В наибольшей степени липиды концентрируются в головном мозге (12%), затем в печени (5%), молоке (2—3%) и сыворот–ке крови (0,6%). Однако основная часть фосфора (600 г) содержится в костной ткани. Это составляет 85% от мас–сы всего фосфора, находящегося в организме челове–ка. Концентрируется фосфор и в твердых тканях зубов, в состав которых он входит вместе с кальцием, хлором, фтором в виде гидроксил-, хлор-, фторапатитов общей формулы Са5 (РO4)3Х, где X = ОН, CI, F соответственно.

Кальций преимущественно концентрируется в кост–ной, а также и в зубной тканях. Натрий и хлор в основ–ном содержатся во внеклеточных жидкостях, а калий и магний – во внутриклеточных. В виде фторидов нат–рий и калий входят в состав костной и зубной тканей. Магний в виде фосфата Mg3 (PO4)2 содержится в твер–дых тканях зуба.

В поддержании определенного содержания макро-и микроэлементов в организме участвуют гормоны.

 

2. Химия элементов s-блока. Электронные структуры атомов и катионов. Изменение в группах величин радиусов атомов и ионов, потенциала ионизации. Сравнение свойств простых веществ, ионов и соединений элементов IA и IIA групп. Биологическая роль натрия, калия, магния, кальция. Токсичность бериллия и бария.

Смотреть в учебно-методических разработках (часть 2), стр 14-18.

 

3. Химия элементов d-блока. Общая характеристика d-элементов. Характерные особенности d-элементов: переменные степени окисления, образование комплексов. КО и ОВ свойства соединений d-элементов в разных степенях окисления. Биологическая роль d-элементов. Бактерицидное действие, токсичность ряда d-элементов и их соединений.

 

Смотреть в учебно-методических разработках (часть 2), стр 23-28.

 

4. Химия элементов р-блока. Общая характеристика р-элементов. КО и ОВ свойства важнейших соединений р-элементов в различных степенях окисления. Биологическая роль р-элементов (углерода, азота, фосфора, кислорода, серы, фтора, хлора, брома, йода и др.) и применение их соединений в медицине.

 

 

Смотреть в учебно-методических разработках (часть 2), стр 32-39.