Краткая характеристика методов pH – метрии, спектрофотометрии и математического моделирования

Содержание
Введение	2
Глава I. Обзор литературы	2
1.1.	Характеристика никеля	2
1.2 Общая характеристика лиганда	2
1.3. Комплексы никеля с аминокислотами	2
Глава II. Результаты экспериментальных исследований	2
2.1 Методика эксперимента	2
2.2. Краткая характеристика методов pH – метрии, спектрофотометрии и математического моделирования	2
2.3 Обсуждение результатов	2
Глава III. Методика изучения комплексных соединений в школе	2
Заключение	2
Список литературы	2



    Введение
     За последние годы потребность в значительных количествах аминокислот неуклонно возрастает в связи с широким использованием их в биохимии, питании, микробиологии и при исследовании растительных и животных тканей. Кроме того, аминокислоты нашли широкое применение в качестве добавок к природным и переработанным продуктам питания. В прошлом потребность в большинстве аминокислот могла быть удовлетворена путем их выделения из кислотных, щелочных и энзиматических гидролизатов белков или из других природных источников. Фактически эти методы и до настоящего времени применяют в промышленности при производстве аргинина, аспарагина, цистина, глутаминовой кислоты, гистидина, оксипролина, пролина и тирозина. Однако сейчас эти методы не представляют собой лучшего пути получения большинства аминокислот, входящих в состав белков. В настоящее время существует целый ряд удобных синтетических методов, позволяющих легко получить аланин, аспарагиновую кислоту, глицин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, серин, треонин, триптофан и валин, а также многие другие аминокислоты, причем как в лабораторном, так и в промышленном масштабах.
     Более 80% соединений, используемых в аналитической химии, являются координационными соединениями. Способность ионов d-элементов к образованию комплексов столь велика, что изучения свойств их координационных соединений невозможно полностью описать химическую природу многих металлов. Аналитическое определение многих элементов требует проведения реакций образования комплексов с выбранными металлами, обладающими ценными для химика-аналитика свойствами. К таким металлам относится никель.
     Роль координационных соединений никеля (IV) в науке и технике также весьма значительна. Известно, например, что комплексы циркония применяются в органическом синтезе в качестве катализатора полимеризации, так как они обладают высокой каталитической активностью [23]. Сами по себе соединения циркония используюНикель является органическим реагентом, нашедшем применение в фотометрическом определении некоторых d-элементов, например, железа (III) и титана (IV) [3, 4]. Однако, некоторые важные аспекты (в частности, стехиометрия, устойчивость и области рН существования тиронатов циркония(IV)) до настоящего времени мало изучены.
     Таким образом, изучение свойств циркония (IV) как комплексообразователя и тирона как лиганда является актуальным, так как новая информация о составе и свойствах циркониевых комплексов может послужить основой для разработки новых фармацевтических препаратов, катализаторов, методик аналитических определений данного элемента в различных объектах окружающей среды. 
     В связи с вышесказанным, изучение комплексообразования глицина с ионами никеля и кобальта представляется актуальной проблемой. Поэтому в качестве объектов исследования в данной дипломной работе были выбраны комплексы глицина с никелем и кобальтом, а в качестве предмета – равновесия в водных растворах комплексов глицина с ионами выбранных  металлов, а именно состав, устойчивость и области существования данных соединений.
     Целью данной дипломной работы является изучение комплексообразования глицина с ионами никеля и кобальта. Из поставленной цели вытекает ряд задач:
     Анализ литературных данных по выбранной тематике;
     Определение состава комплексов никеля (II) и кобальта(II) с хелатирующим лигандом –– ?-аминоуксусной кислотой (глицином).
     Расчет констант устойчивости комплексов никеля (II) и кобальта(II) с глицином.
     Построение диаграмм распределения, иллюстрирующих области существования глицинатов никеля (II) и кобальта(II).
     Работа выполнена на базе кафедры химии и методики преподавания химии Оренбургского государственного педагогического университета.


Глава I. Обзор литературы
 Характеристика никеля
     Никель принадлежит к элементам восьмой группы побочной подгруппы и образует первую триаду d-элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Порядковый номер никеля равен 28. Атомный вес никеля по углеродной шкале равен 58,71. 
     Электронная конфигурация никеля:
        +28Ni….3s23p63d84s2
     Никель имеет степень окисления +2. Координационные числа Ni(II) в соединениях равны 6 и 4, что соответствует октаэдрической [Ni(H2O)6]2+, [Ni(SCN)6]4- и тетраэдрической [NiCl4]2- структуре комплексов. Для никеля с координационным числом 4 также известны комплексные соединения с квадратной структурой, например Ni(CN)4]2-. В водных растворах никель(II) обычно находится в виде комплексных соединений, имеющих характерную октаэдрическую структуру.
     Ион Ni2+  имеет 8 электронов на внешнем энергетическом уровне и потому в поле любой силы обладает конфигурацией t2g6eg2. Вода является лигандом слабого поля, поэтому расщепление электронных оболочек ионов металлов подгруппы железа имеет небольшие величины 8500 см-1 для Ni2+. Благодаря такому расщеплению становиться возможным переход электронов на более высокий энергетический уровень. Энергия d-d переходов обычно невелика, и молярные коэффициенты поглощения комплексов, образующихся по этому типу взаимодействия, имеют величины одного-двух порядков.
     В электрохимическом ряду напряжения никель находиться правее кобальта, нормальный редокс-потенциал равен ? = – 0,23 В и -0,28 В для пар Ni2+/Ni и Co2+/Co соответственно.
     
1.2. Общая характеристика лиганда
     В подходящих растворителях амфолиты способны проявлять свойства слабых кислот и слабых оснований. В зависимости от того, что преобладает — кислотные или основные свойства, раствор амфолита можно оттитровать сильным основанием или сильной кислотой.
     Важный класс амфолитов составляют простейшие аминокислоты. Их кислотно-основные свойства обусловлены одновременным присутствием в молекуле функциональных групп, обладающих кислотным и основным характером. В водном растворе типичной аминокислоты, например глицина, устанавливается три важных равновесия:
     "N" "H" _"2"  "C" "H" _"2"  "COOH ?N" "H" _"3" ^"+"  "C" "H" _"2"  "CO" "O" ^"-" ,
     "N" "H" _"3" ^"+"  "C" "H" _"2"  "CO" "O" ^"-"  "+" "H" _"2"  "O ? N" "H" _"2"  "C" "H" _"2"  "CO" "O" ^"-"  "+" "H" _"3"  "O" ^"+"  ",   " "k" _"a"  "=2?" ?"10" ?^"-10"  "," 
"N" "H" _"3" ^"+"  "C" "H" _"2"  "CO" "O" ^"-"  "+" "H" _"2"  "O ?  N" "H" _"3" ^"+"  "C" "H" _"2"  "COOH+O" "H" ^"-"  ",    " "k" _"b"  "=2?1" "0" ^"-12"  "  "  
     Первое из них представляет разновидность внутренней кислотно-основной реакции и по сути аналогично реакции взаимодействия карбоновых кислот с аминами, т. е.
     "R" _"1"  ?"NH" ?_("2"  ) "+" "R" _"2"  "COOH" "? " "R" _"1"  ?"NH" ?_"3" ^"+"  "+ " "R" _"2"  "CO" "O" ^"-" 
     Константы ионизации типичных алифатических аминов характеризуются величинами порядка, тот же порядок имеют и константы диссоциации большинства карбоновых кислот. Вследствие этого равновесия (10-19) и (10-22) смещены практически нацело вправо.
     Частицу аминокислоты, несущую одновременно и положительный, и отрицательный заряды [уравнение (10-19)], называют цвиттер-ионом. Из величин констант равновесия (10-20) и (10-21) следует, что кислотные свойства цвиттер-иона глицина выражены сильнее, чем основные свойства, и поэтому раствор глицина имеет слабокислую реакцию.
     В отличие от ионов, имеющих только положительный или только отрицательный заряд, цвиттер-ион аминокислоты, несущий одновременно и положительный и отрицательный заряды, не мигрирует в электрическом поле ни к катоду, ни к аноду. При pH растворителя, при котором концентрации анионных и катионных форм идентичны, миграции аминокислоты в электрическом поле вообще не наблюдается. Это значение pH называется изоэлектрической точкой и является важной физической характеристикой аминокислоты. Изоэлектрическую точку несложно найти, зная константы ионизации. Так, для глицина
     ("[" "Н" _"3"  "O" ^"+"  "][N" "H" _"2"  ?"CH" ?_"2"  "CO" "O" ^"-"  "]" )/("[N" "H" _"3"  "C" "H" _"2"  "CO" "O" ^"-"  "]" ) "= " "k" _"a" 
     ("[О" "Н" ^"-"  "][N" "H" _"3" ^"+"  "C" "H" _"2"  "COOH]" )/("[N" "H" _"3" ^"+"  "C" "H" _"2"  "CO" "O" ^"-"  "]" ) "= " "k" _"b" 
     В изоэлектрической точке
     ["N" "H" _"2"  ?"CH" ?_"2"  "CO" "O" ^"-"  ]"= [N" "H" _"3" ^"+"  "C" "H" _"2"  "COOH]" 
     Разделив Ка на Кb, получим
     ("[" "H" _"3"  "O" ^"+"  "][N" "H" _"2"  ?"CH" ?_"2"  "CO" "O" ^"-"  "]" )/("[О" "Н" ^"-"  "][N" "H" _"3" ^"+"  "C" "H" _"2"  "COOH]" )=("[" "H" _"3"  "O" ^"+"  "]" )/("[О" "Н" ^"-"  "]" ) "="  "k" _"a" /"k" _"b"  
     После замены [ОН-] на k?/[Н3O+] и преобразования получим
     ["H" _"3"  "O" ^"+"  ]"=" ?(("k" _"a"  "k" _"?" )/"k" _"b"  )
     Для глицина изоэлектрическая точка находится при pH 6,0:
     ["H" _"3"  "O" ^"+"  ]"=" [("2?" ?"10" ?^"-10"  " " )/("2?" ?"10" ?^"-12"  ) " ?1?1" "0" ^"-14"  ]^("1" ?"2" ) "=1?1" "0" ^"-6" 
     Величины Ка и Кb простых аминокислот обычно настолько малы, что прямое определение их методом кислотно-основного титрования невозможно. В присутствии формальдегида протекает реакция, блокирующая функциональную группу с основным характером, поэтому продукт реакции можно оттитровать стандартным раствором основания. Так, в случае глицина
     "N" "H" _"3" ^"+"  "C" "H" _"2"  "CO" "O" ^"-"  "+ C" "H" _"2"  "O ?C" "H" _"2"  "=NC" "H" _"2"  "COOH" 
     кривая титрования продукта реакции имеет вид, характерный для . типичных карбоновых кислот.
     Аминоуксусная кислота – важный для организма химический реактив
     Аминоуксусная (аминоэтановая) кислота, в народе известная как глицин – реактив в виде белого или светло-серого кристаллического порошка без ярко выраженного запаха, относящийся к простейшим алифатическим аминокислотам. Вещество хорошо растворимо в горячей воде, плохо – в эфире, спирте и других органических растворителях. Название кислоты происходит от древнегреческого слова, что в переводе означает «сладкий» из-за сладковатого вкуса. В природе глицин содержится во всех живых организмах и сложных составах молекул белков.
     Производят химреактив в процессе химического синтеза или гидролиза белков в специальном лабораторном оборудовании. На протяжении последних десятилетий его получают из соединительной ткани некоторых животных. Сам процесс производства является довольно простым и недорогим. В качестве пищевой добавки ее получают при взаимодействии аммиака и хлоруксусной кислоты.
     Данный химический реактив относится к группе умеренно опасных веществ. Аминоуксусная кислота является горючей, и при неосторожном обращении может вызвать раздражение слизистых оболочек и кожных покровов. Поэтому работать с ней нужно только в резинотехнических изделиях: защитной маске, халате, бахилах, перчатках смотровых или перчатках нитриловых.
     Важность для организма
     Аминоуксусная кислота входит в состав многих белков и биологических соединений. На нее реагируют многие рецепторы головного и спинного мозга. Это позволяет снизить выделение возбуждающих аминокислот, оказывать при этом успокоительное и снотворное действие.
     Фармакологическое действие кислоты заключается в легкой просачиваемости в жидкости и ткани, например: в мозг. Вещество распадается (метаболизируется) до углекислого газа и воды, при этом не накапливается в тканях.
     Избыточное содержание аминоуксусной кислоты в организме отражается на здоровье: человек испытывает чувство вялости и сонливость.
     Медицина и косметология
     Благодаря своим антиокислительным, антитоксичным и антидепрессивным свойствам аминоуксусная кислота входит в состав многих лекарственных препаратов для:
     - нормализации сна и облегчения засыпания;
     - улучшения настроения;
     - повышения умственной работоспособности;
     - минимализации токсического действия препаратов и алкоголя, негативно влияющих на работу ЦНС;
     - оказания успокоительного действия;
     - снижения эмоционально-психологического напряжении и агрессивности;
     - улучшения памяти и внимания; 
      - снижения гиперактивности;
     - восстановления и блеска волос;
     - замедления дегенерации мышечной ткани (является источником креатина);
     - уменьшения действия противосудорожных препаратов;
     - препятствия эпилептических судорог и др.
     Полезна также в качестве профилактического препарата после ишемического инфаркта и черепно-мозговых травм, а также при лечении желудочно-кишечных заболеваний.
     Глицин входит в состав многих косметологических средств в качестве увлажняющего компонента: замедляет преждевременное старение кожи, защищает клеточные мембраны от разрушительного воздействия свободных радикалов и способствует улучшению обменных процессы в клетках. Также применяется в качестве загустителя. Иногда этот химреактив добавляют в процессе изготовления мыл взамен шелковым волокнам. Он придает гладкость, блеск и кремовый цвет, образует пену, не оказывает раздражающего действия.
     Пищевая промышленность
     Аминоуксусная кислота используется как пищевая добавка E640 в качестве усилителя аромата и вкуса некоторых напитков, в частности, спиртных. В некоторые продукты питания глицин добавляют для обогащения их полезными веществами, например: соединения аминоуксусной кислоты и кальция – для обогащения кальцием напитков.
     Благодаря своим полезным свойствам данная кислота входит в состав спортивного питания.
     Химическая промышленность
     Химический реактив используется в качестве исходного материала для получения очищенного глицина. Также ее используют для получения всевозможных удобрений, красителей, серной кислоты, для травления полупроводниковых материалов и металлов. Применяется как окислитель ракетного топлива.
     В фотоделе используется в качестве недорого проявителя.
     Глицин, аминокислота
     
     Глицин замедляет дегенерацию мышечной ткани, так как является источником креатина - вещества, содержащегося в мышечной ткани и используемого при синтезе ДНК и РНК.
     Глицин необходим для синтеза нуклеиновых кислот, желчных кислот и заменимых аминокислот в организме.
     Глицин входит в состав многих антацидных препаратов, применяемых при заболеваниях желудка.
     Глицин полезен для восстановления поврежденных тканей, так как в больших количествах содержится в коже и соединительной ткани.
     Он необходим для центральной нервной системы и хорошего состояния предстательной железы.
     Он выполняет функцию тормозного нейромедиатора и таким образом может предотвратить эпилептические судороги.
     Его применяют в лечении маниакальнодепрессивного психоза.
     Глицин может быть эффективен при гиперактивности.
     Избыток глицина в организме вызывает чувство усталости, но адекватное количество обеспечивает организм энергией.
     Природные источники глицина:
     - Желатин
     - Говядина
     - Печень
     - Арахис
     - Овес
     
1.3 Комплексы никеля с аминокислотами

Глава II. Результаты экспериментальных исследований
     
2.1 Методика эксперимента
     
2.2. Краткая характеристика методов pH – метрии, спектрофотометрии и математического моделирования
2.3 Обсуждение результатов
Глава III. Методика изучения комплексных соединений в школе
Заключение
В заключение хотелось бы сказать, что аминокислота глицин является очень важным веществом, которое применяется в основном в медицинской, пищевой и химической промышленности. Так, в химической промышленности глицин используется в качестве сырья для получения очищенного глицина с помощью процесса перекристаллизации и для синтеза различных органических соединений. 
          Аминоуксусную кислоту применяют для приготовления буферных растворов, для синтеза пептидов, гиппуровой и аминогиппуровой кислот, как комплексообразующий реагент и др.
          Применяют для получения удобрений, нитратов целлюлозы, красителей, серной кислоты, для травления металлов и полупроводниковых материалов, как окислитель ракетного топлива, компонент "нитрующей смеси" (с серной кислотой).
           В медицине он применяется в качестве лекарства благодаря своим полезным свойствам. Основным действующим веществом фармацевтического препарата глицина является аминокислота глицин, фармацевтическим носителем - метилцеллюлоза (0,5-2,0 масс%). Исследования действия глицина у здоровых добровольцев и ограниченного количества больных с разнообразной неврологической патологией продемонстрировало полную его безопасность и хорошую переносимость. Являясь естественным метаболитом мозга, глицин не проявлял токсичности даже в дозах более 10 г/сут. Единственным побочным эффектом препарата может считаться легкая седация. Препарат глицин в дозах 300-600 мг/сут оказывает антистрессовый и ноотропный эффекты.
         В пищевой промышленности глицин используется в качестве одного из модификаторов аромата и вкуса(зарегистрирован в качестве пищевой добавки под названием Е640).


Список литературы
      Назаренко, В. А. Гидролиз ионов металлов в разбавленных растворах. В.А. Назаренко, В.П. Антонович, Е.М. Невская. - М. : Атомиздат, 1979. - 192 с.
      Неорганическая химия: в 3 т. / Под. Ред. Ю.Д. Третьякова. Т. 2: Химия непереходных элементов / А.А. Дроздов, В.П. Зломанов, Г.Н. Мазо, Ф.М. Спиридонов. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 368 с.
      Неорганическая химия: в 3 т. / Под. Ред. Ю.Д. Третьякова. Т. 3: Химия переходных элементов. Кн. 2 / А. А. Дроздов, В. П. Зломанов, Г. Н. Мазо, Ф. М. Спиридонов. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 400 с.
      Лидин, Р.А. Химические свойства неорганических веществ / Р. А. Лидин, В. А. Молочко, Л. Л. Андреева. – М.: Химия, 2000. – 480 с.
      Селифонова Е.И., Чернова Р.К. Селективное электрофоретическое  разделение ионных форм аминокислот // Изв. Сарат. Ун-та. 2012. Т.12 Вып. 3 . С.  1-7.)
      Диссертация Булдаковой
      20. Chaberek S., Country R. C., Martell A.C. –Ibid., p.5057
      22. Bolzan J.A., Arvia A.J., -«Electrochim. acta», 1962, v. 7.p. 589.
      23. Bolzan J.A., Podesta J.J., Arvia A.J.,-«Analyt. Asos. Quim. Argentina»,1963, v. 51, p. 43.
      24. Shankar J., De Souza B. C. - «Austral. J. Chem.», 1963, v.16,p. 1119/
      25. Collados M. P., Brito F., Dias Calavieco R.-«An. Real. Soc. Esp. Fis. yqium.», 1967, v. 63B, p. 843.
      27.Conocchioli T. J., Nancollas G. H., Sutin N.-«Irong, Chem.», 1965, v. 5, p. 1.
      28.Hill J., Mc Aulcy A.-«J. Chem. Soc (A)», 1968. P. 2405.
      29.Schwab G. M., Polydoropoulos K.-«Z. anorgan. Und allgem. Chem.», 1953, Bd 274, S. 234.
      30. Лурье, Ю.Ю. Справочник по аналитической химии / Ю.Ю. Лурье. –М.: Химия, 1979. -480 с
      33. Collados, M.P. Hydrolyss of cobalt(II) in 1.5 M (Ba, Co)(ClO4)2 at 250 / M.P. Collados, F. Brito, R.D. Cadaviieco // Anales Fisica y Quimica, Series B. -1967. – Vol.63. –P. 843-845.
      35. Bandyopadhyay, S. Equilibrium and structural studies on Co(II), Ni(II), Cu(II) and Zn(II) complexes with N-(2-benzimidazolyl)methyliminodiaceticacid: crystal structures of Ni(II) and Cu(II) complexes / S. Bandyopadhyay, A. Das, G.N. Mukherjee // Inorg. Chim. Acta. -2004. –Vol. 357, No. 12.-P.3563-3573/
      36. Mukherjee, G.N.nMultimetal multiligand complexes. Part-II. Eqiulibrium study on the formation and stability of mixed-metal, mixed-ligand complexes of cobalt-, nickel-, copper- and zine(II) with aspartate and benzimidazole in aqueous solution / G.N. Mukherjee, H.K. Sahu // Journal of the Indian  Chemical Society Y.-2000.-Vol.7,No.4.-P.209-212
      37. Ziemaniak, S.E. Cobalt(II) Oxide Solubility and Phase Stability in Alkaline Media at Elevated Temperatures / S.E. Ziemniak, M.A. Goyette, K.E.S. Combs // Journal of solution chemistry. -1999.- Vol. 28, No. 7.-P.809-836.
      38. Srivastava. H.P. Equilibrium Studies of Polynucleating Dye with Bivalent Metal Ions  / H.P. Srivastava, D. Tiwari /// Indian J. Chem. -1995. -Vol.34A. -P.550-555.
      39. Giasson, G. Hydrolysis of Co(II) at elevated temperatures / G. Giasson, P.H. Tewari // Can. J. Chem.-1978. -Vol.56.-P.435-440.
      40. Gubeli, A.O. Laction de lhydroxyde de cobalt(II) et la stabilite des complexes en milieu aqueux / A.O. Gubeli, J. Hebert, R. Taillon et al // Helyetica Chimica Acta. -1970. -Vol. 53, No.5. -P.1229-1235.
      41. Shankar, J. Hydrolysis of Co2+aq and Ni2+aq ions / J. Shankar, B. de Souza //  Australian Journal of Chemistry. -1963. -Vol. 16. No. 6. -P. 1119-1122.
      42. Bonzan, J.A. Hydrolytic equilibria of metallic ions I. The hydrolysis of Co(II) ions in NaClO4/ J.A. Bonzan, A. J. Arvia //  Electrochim. Acta – 1962. - Vol. 7. -P. 589-599.
      43. Chaberek, S. Stability of Metal Chelates. II. ?-Hydroxyethyliminodiacetic Acid / S. Chaberek Jr., R. C. Courtney, A.E. Martell // J. Am. Chem. Soe. -1952 – Vol. 74, No.20.-P.5057-5060/
      44. Gayer, K. H. Hydrolysis of Cobait Chloride and Nickel Chloride at 25 0 / K. H. Gayer, I. Woontner // J. Am. Chem. Soc. - 1952. - Vol. 74, No. 6. -P.1436-1436.
      50.Ksandr Z., Hejtmanek M. Sb.-«J. Celost. Pracov. Konf. Analiyt. Chem.»,1952, p. 42. C.A., 1956, v.50. p. 3150h.
      51.Guta F., Ksandr Z., Hejtmanek M.-«Collect. Czechoslov. Chem. Commun.», 1956, v. 21, p. 1388.
      56.Matulis J., Slizys R.-«Electrochim. Acta», 1964, v. 9, p. 1177.
      



3

.......................