Читать книгу: «Химия для студентов-медиков: общая, физическая и коллоидная химия. Практикум-рабочая тетрадь»

Татьяна Александровна Лобаева, Дмитрий Дмитриевич Жданов

Шрифт:

Утверждено Методическим советом Медицинского университета МГИМО-МЕД

Рецензенты:

Чистяков М. В. – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры нормальной физиологии и медицинской физики, «Научно-образовательный институт «Высшая школа клинической медицины им. Н. А. Семашко», ФГБОУ ВО МГМСУ им. А. И. Евдокимова Минздрава России

Нестерова О. В. – доктор фармацевтических наук, заведующая кафедрой химии образовательного департамента Института фармации им. А. П. Нелюбина Сеченовского университета, заслуженный работник здравоохранения.

Предисловие к изданию

Целью освоения дисциплины «Общая, физическая и коллоидная химия» является формирование необходимых как для обучения последующим учебным дисциплинам, так и для непосредственного формирования медика, системных знаний о физико-химической сущности и механизмах процессов, происходящих в организме человека; изучение закономерностей химического поведения основных биологически важных классов неорганических и органических соединений, необходимых для рассмотрения процессов, протекающих в живом организме на молекулярном, надмолекулярном и клеточном уровнях.

Пособие «Химия для студентов-медиков: общая, физическая и коллоидная химия. Практикум-рабочая тетрадь» составлено авторами на основе многолетнего педагогического опыта в ведущих медицинских ВУЗах РФ в соответствии с ФГОС и рассчитано для использования в учебном процессе по направлению подготовки 31.05.01 Лечебное дело (специалитет), а также для студентов других медицинских специальностей: 33.05.01. Фармация (специалитет), 31.05.03 Стоматология (специалитет).

Сборник включает краткое теоретические введение, методики лабораторных работ и разноплановый комплект учебно-методических материалов по 3 основным разделам курса химии для студентов-медиков:

• Введение в химию. Основные понятия и законы химии.

• Общая химия. Физическая химия

• Коллоидная химия

Темы заданий и задач данного пособия соответствуют одному семестру изучения общей, физической и коллоидной химии для студентов специальности «Лечебное дело» и других медицинских специальностей.

Пособие адресовано студентам-медикам, аспирантам, стажерам и преподавателям для текущего использования в учебном процессе, а также для аттестации студентов.

КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ

Лобаева Татьяна Александровна – кандидат биологических наук (специальность «Фармацевтическая химия, фармакогнозия»), доцент по специальности «Биохимия», преподаватель кафедры фундаментальных дисциплин Медицинского университета МГИМО-МЕД.

Автор свыше 80 учебно-методических и научных работ по фармацевтической и токсикологической химии, молекулярной биологии, биохимии, педагогике.

Жданов Дмитрий Дмитриевич – доктор биологических наук, заведующий лабораторией медицинской биотехнологии ИБМХ им. В. Н. Ореховича, доцент по специальности «биохимия», профессор кафедры биохимии им. акад. Берёзова Т. Т. МИ РУДН.

Автор свыше 100 научных и учебно-методических работ по молекулярной биологии, биохимии, медицине.

Раздел 1. Введение в химию. Основные понятия и законы химии

1.1. Введение в химию. Основные понятия и законы химии. Классификация химических соединений. Строение атома. Химическая связь

Часть 1. Теоретическое введение

Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Атом – наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Химические свойства атома определяются его строением.

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами, которые определяютя её составом и химическим строением мощью химических формул, в которых атомы обозначаются символами химических элементов, а их количество подстрочными индексами.

Атомная масса (Аr) – относительная масса атома элемента, показывающая во сколько раз данный атом тяжелее 1/12 атома углерода, т.е. выраженная в дальтонах.

Молекулярная масса (Mr) – относительная масса молекулы вещества, выраженная в дальтонах. Молекулярная масса вещества равна сумме масс всех атомов, образующих молекулу или частицу.

Величиной, характеризующей число структурных единиц, является количество вещества. За единицу измерения количества вещества принят моль.

Моль – количество вещества n (либо ν (ню), содержащее столько структурных единиц, сколько содержится в 12 г изотопа ₁₂С.

Молярная масса (M) – масса 1 моля вещества в граммах, равная отношению массы вещества (m) к соответствующему количеству вещества (n):

М = m/n

M численно равна молекулярной массе Mr.

N_А – число Авогадро, которое соответствует числу структурных единиц в одном моле любого вещества. N_А = 6,022 · 10²³ 1/моль.

Масса вещества (m), его количество и молярная масса между собой связаны соотношением:

m = n·М

Молярный объём газа (V_M )

– объём, который занимает 1 моль газообразного вещества при данных условиях.

– это объем 1 моля газа, равный отношению объема газа (V) к количеству вещества (n).

При нормальных условиях (н.у.), т.е. при температуре 20 ^◦С и давлении 1 атм. (101,3 кПа), молярный объём газа (Vm) составляет 22,4 л/моль. При вычислении молярного объёма газа в других условиях используют уравнение состояния идеального газа:

P·V = n·R·T

(P – давление, V – объём газа, n – количество газа, Т – абсолютная температура,

R – универсальная газовая постоянная, значение которой 8,31 Дж/моль·K = 0,082057 л·атм·К⁻¹·моль⁻¹)

Эквивалент – реальная или условная часть формульной единицы (атома, молекулы или иона), принимающая участие в образовании одной химической связи при протекании химической реакции.

Под «реальной» частицей понимают реально существующие соединения (NaOH, H₂SO₄, H₂O и др.), под «условной» частицей – доли этих реальных частиц 1/2 H₂SO₄). Например, в реакции NaOH + HCl = NaCl + H₂O эквивалентом гидроксида натрия будет катион Na⁺ потому что при обмене он заменяется на катион водорода. То есть он эквивален H⁺.

Числo эквивалентности Z показывает, сколько эквивалентов вещества содержится в одной формульной единице. Значение Z зависит от химической реакции, в которой вещество принимает участие.

Наряду с числом эквивалентности часто используют понятие фактора эквивалентности f, представляющего собой долю формульной единицы, соответствующую эквиваленту f =1/Z.

Пример:

H₂SO₄+ 2NaOH = Na₂SO₄ + H₂O
Z (H₂SO₄) = 2
Z (NaOH) = 1

В данной реакции одна молекула серной кислоты, отщепляя 2 катиона водорода, расходует две химических связи на образование средней соли Na₂SO₄, т.е. 1 молекула серной кислоты содержит 2 эквивалента. Число эквивалентности Z = 2, а эквивалентом серной кислоты является ½ молекулы, т.е. фактор эквивалентности f = ½.

H₂SO₄+ NaOH = NaHSO₄ + H₂O
Z (H₂SO₄) = 1
Z (NaOH) = 1

При образовании кислой соли NaНSO₄ в молекуле серной кислоты замещается на натрий только один атом водорода, поэтому в данной реакции эквивалентом серной кислоты является вся молекула.

Примечание:

А) В химических реакциях обменного типа число эквивалентности считают равным количеству моль Н+ или ОН¯ ионов, которые отщепляются или присоединяются 1 молем вещества.

В) В окислительно-восстановительных реакциях (ОВР) число эквивалентности рассчитывается по отношению к количеству отданных или принятых частицей электронов. Количество эквивалентов вещества νЭ прямо пропорционально произведению количества моль вещества и числа эквивалентности: νЭ = Z · ν

Молярная масса эквивалента (эквивалентная масса) МЭ равна массе одного моль эквивалента вещества. [MЭ]= 1 г/моль

Молярная масса эквивалента МЭ (размерность г/моль)– равна массе вещества, эквивалентной 1 молю водорода или 1 молю электронов в химической реакции. Численно равна эквиваленту вещества. МЭ равна молярной массе вещества, умноженной на фактор эквивалентности:

М(1/z X) = M(X) • f_экв(X) = M(X) / z

Основные законы химии:

1. Закон сохранения массы (Михаил Васильевич Ломоносов, 1756 и Антуан Лоран Лавуазье, 1778)

Масса исходных веществ, вступивших в реакцию, равна массе получившихся веществ.

2. Закон эквивалентов (И. В. Рихтер, 1792 и У. Х. Волластон, 1807)

Отношение масс веществ, вступающих в химическое взаимодействие, равно отношению их химических эквивалентов

3. Закон постоянства состава (Жозеф Луи Пруст, 1799г.).

Состав индивидуального химического соединения постоянен и не зависит от способа получения этого соединения.

4. Закон простых кратных отношений. (Джон Дальтон, 1803г.). Если два элемента образуют между собой несколько соединений, то на одну и ту же массу одного элемента приходятся такие массы другого, которые относятся друг к другу, как небольшие целые числа.

5. Закон простых объёмных отношений (Жозеф Луи Гей Люссак, 1808).

Объёмы реагирующих газов относятся друг к другу и к объёмам газообразных продуктов как небольшие целые числа.

6. Закон Авогадро (Амедео Авогадро, 1810г.; Канниццаро, 1860г.).

В равных объёмах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

ЗАДАНИЕ 1

Как проанализировать образец воды и убедиться, что она чистая или содержит примеси?

Решение:

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 2. Приведите по 2 примера веществ, являющихся при 20 градусах Цельсия: а) газами б) жидкостями в) твердыми

Решение:

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 3. Приведите примеры смесей: а) двух газов, б) 2 жидкостей в) твердого и жидкого вещества г) газа и жидкости

Решение:

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 4. Как очистить кукурузную крупу от соли и соевое масло от воды?

Решение:

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 5. В чем сходство и различие очистки веществ фильтрованием и отстаиванием?

Решение:

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 6. В чем заключается очистка веществ перегонкой? Какое оборудование необходимо иметь в лаборатории для проведения перегонки?

Решение:

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 7. Что называют экстракцией? Какое оборудование необходимо иметь в лаборатории для проведения экстракции?

Решение:

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 8. Назовите 5 любых веществ и область их применения. Какие из них используются в медицине?

Решение:

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 9. Приведите 3 примера, как чистое вещество превращается в смесь. Какие смеси используются в медицине?

Решение:

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 10. Будет ли смешиваться с водой (образовывать однородную жидкость, растворяться): а) спирт б) ацетат натрия (соль) в) бензин г) подсолнечное масло д) серная кислота

Решение:

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 11. Напишите формулы 3 веществ, относительные молекулярные массы которых кратны а) 3 б) 4

ЗАДАНИЕ 12. Определите валентность центрального атома в соединениях: а) азотистая кислота б) фосфорная кислота в) перманганат калия г) хромат калия д) карбонат натрия

ЗАДАНИЕ 13. В каком из оксидов марганца самая высокая массовая доля кислорода : MnO, Mn₂O₃, MnO₂, Mn₃O₄, Mn₂O₇Ответ подтвердите расчетом.

ЗАДАНИЕ 14. В каких соединениях CuS, FeS₂, SO₂, SO₃, CS₂ – массовые доли серы составляют 33%; 3%; 40%; 50%; 53%; 84,2%?

ЗАДАНИЕ 15. Какого металла больше по массе в медном колчедане CuFeS₂ (меди или железа)?

Определите формулу химического соединения по данным элементного анализа:

А) w (H)= 1,46% ; w (Cl) =51,82%; w(O)= 46,72% (Ответ: HClO₂)
Б) w(K)= 39,7%; w(Mn)=27,9%; w(O)=32,4% (Ответ: K₂MnO4)

ЗАДАНИЕ 16. С какой массой преципитата CaHPO₄ в почву будет внесено столько же фосфора, сколько его вносится с 620 кг фосфорита Ca₃(PO₄)₂(Ответ: 544 кг)

ЗАДАНИЕ 17. Гормон инсулин имеет Mr = 5734. Вычислите массу одной молекулы инсулина в граммах.

ЗАДАНИЕ 18. Масса молекулы хлорофилла равна 1,485 ·10 ^-18 мг. Вычислите молярную массу хлорофилла.

ЗАДАНИЕ 19. Как называют силы, удерживающие атомы в химических соединениях? Какова природа сил химической связи?

ЗАДАНИЕ 20. Для соединений каких классов веществ характерна ионная связь?

ЗАДАНИЕ 21. Какое строение – молекулярное или ионное – имеют вещества с ковалентной связью?

ЗАДАНИЕ 22. Определите тип химической связи в следующих соединениях:

H₂, KCl, NH₃, CaBr₂, CH₄, N₂, NCl₃, LiOH, SF₆.

ЗАДАНИЕ 23. Укажите виды химических связей в следующих веществах и их смесях (сплавах):

латунь (сплав меди и цинка), хлор, вода, фтороводород, графит (углерод), метан, серная кислота, углекислый газ.

ЗАДАНИЕ 24. Как изменится длина химический связи водород-галоген в ряду: H-Cl, H-Br, H-I?

ЗАДАНИЕ 25. На основании физических характеристик определите, какое строение имеет вещество – ионное или молекулярное:

t пл = 2800 ´C (MgO)

t кип = 84´C, резкий запах (HNO₃)

t пл = 801 ´C (NaCl)

t кип = – 84,8´C, резкий запах (HCl)

t кип = – 252,6´C (H₂)

ЗАДАНИЕ 26. Напишите структурные (графические) формулы веществ:

HCl, H₂S, PCl₃, CF₄, N₂O₃

ЗАДАНИЕ 27. Карбиды CaC₂, Al₄C₃ и нитриды Mg₃N₂, AlN – это вещества с ионной связью. Определите в каком из них наибольшая массовая доля металла, рассчитайте ее значение.

ЗАДАНИЕ 28. У атомов каких химических элементов электроотрицательность выше: лития или углерода, брома или азота, серы или хлора?

ЗАДАНИЕ 29. К атомам каких элементов смещены общие электронные пары в молекулах: HI, CO, N₂H₄, SiCl_4?

ЗАДАНИЕ 30. Назовите 4 типа кристаллических решеток (КР), различающихся характером частиц в узлах?

Сгруппируйте по типам кристаллических решеток (КР) следующие вещества: O₂, C, CaC₂, Si, Pb, CuO, H₂O, CO₂, Al.

Часть 2. Практическая работа
«Агрегатные состояния вещества. Кристаллические решётки»

1. К твёрдым углеводородам неорганического происхождения, обладающих структурой ионных кристаллов относят шунгит и керит (фиброкерит). Опишите их структуру и ответьте на вопрос, можно ли эти вещества отнести к предбиологическим системам.

Решение:

_____________________________________

2. Биологические кристаллы построены из биологических макромолекул – белков, нуклеиновых кислот или вирусных частиц. Вследствие больших размеров биологических макромолекул, содержащих 10^3–10⁴ атомов, биологические кристаллы имеют очень большие (по сравнению с обычными кристаллами) периоды кристаллической решётки (50–200 Å), а у вирусов они достигают 1000Å и более. Биологические кристаллы образуются иногда в живых организмах – in vivo, однако главным методом их получения является кристаллизация выделенных из живых организмов и тщательно очищенных белков и других биологических макромолекул.

Проанализируйте электронно-микроскопические фотографии упаковки молекул в кристаллах белков каталазы, вируса некроза табака и кристаллов белка из микроорганизмов Bacillus thwingiensis. Какие особенности вы можете заметить в них (см. рис.)?

3. Заполните таблицу «Кристаллические образования, присутствующие в различных тканях». Опишите структуру решетки неорганических кристаллов костной ткани.

Обсуждение и комментарии:

_____________________________________

4. Гидроксиапатит (гидроксилапатит) – основной кристалл минерализованных тканей; составляет 95–97% в эмали зуба, 70–75% в дентине и 60–70% в костной ткани. Зарисуйте простанственную структуру кристалла гидроксиапатита Ca₁₀(PO₄)₆(OH)_2,учитывая, что гидроксильные группы расположены вдоль гексагональной оси, тогда как фосфатные группы, имеющие наибольшие размеры по сравнению с ионами кальция и гидроксилами, распределяются как равнобедренные треугольники вокруг гексагональной оси.

Решение:

5. Скелет одноклеточных радиолярий и многоклеточных губок образован «органоминеральным» кристаллическим веществом, состоящим на 20–30 процентов из органических соединений, а в остальном из минерального кристалла. В индивидуальном развитии такого организма идет процесс минерализации – замещения биомолекул минералом, причем законы кристаллографии и биохимии здесь тесно переплетены.

Предположите химический состав скелета радиолярий.

Решение:

_____________________________________

6. В организме человека, в лекарственных препаратах большинство d – элементов образуют комплексные соединения: Fe – гемоглобин, Zn – ферменты карбоангидраза и алкогольдегидрогеназа, Cu – цитохромоксидаза, Mn – пируваткарбоксилаза, Mg – хлорофилл, Co – витамин В₁₂.

Опишите, по какому принципу построены эти вещества.

Обсуждение и комментарии:

_____________________________________

7. Соединения железа используют при лечении железодефицитных анемий (фероцены), цинка – в дерматологии, хелатные комплексы (комплексоны) используют как антиоксиданты и антидоты для звязывания тяжелых металлов при отравлениях.

Среди комплексонов наиболее распространены соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), прежде всего этилендиаминтетраацетат натрия. Опишите антидоты – комплексоны (комплексообразователи), которые образуют прочные комплексные соединения с токсичными катионами Hg, Co, Cd, Pb . Каков механизм их действия?

Обсуждение и комментарии:

_____________________________________

Часть 3. Лабораторная работа
«Определение физических свойств химических веществ»

Перечень образцов для анализа:

Ментол, салициловая кислота, сульфосалициловая кислота, глицин, сахароза, нитрат кобальта, медный купорос, железный купорос

ПРОТОКОЛ ОФОРМЛЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Дата ______________________

Номер образца_____________

Физические характеристики и физические константы образца:

Физико-химические характеристики:

Микрокристаллоскопия

(рассмотреть кристаллы под микроскопом, нарисовать рисунок)

Выводы: _____________________________________

Часть 4. Домашнее задание

1. Продумайте план анализа неизвестного химического вещества. Составьте предполагаемый план анализа

Физические характеристики:
1. Цвет
2. Запах
3. Характер кристаллов (для тв. веществ)
Физические константы (Tпл., Ткип., плотность и др.)
Способность растворяться:
– в воде
– в спирте
– в неполярных органических растворителях
Химическая природа вещества (неорганическое/ органическое)
Тест на обугливание
Химические свойства
Количественный анализ
Выводы:

2. Составьте план анализа для таких веществ как хлорид натрия, сульфат магния, ментол, аскорбиновая кислота, ацетилсалициловая кислота

3. Перечень вопросов для самостоятельной проработки:

1. Что является предметом изучения химии?

2. Сформулируйте основные стехиометрические законы.

3. Дайте определения понятиям: химический элемент, атом, молекула, эквивалент.

4. В каких единицах измеряется атомная масса? Сколько граммов в 1 а.е.м.?

5. В каких единицах измеряется количество вещества? Приведите значение числа Авогадро. В чём его физический смысл?

6. Как вычисляют молекулярную массу? Что такое молярная масса и молярная масса эквивалента (эквивалентная масса)?

7. Что такое молярный объём газа? Какой объём занимает 1 моль газа при н.у.?

8. Вычислите молярную массу веществ: CaCO₃, CH₃COOH, H₂C₂O₄·2H₂O. Последняя формула соответствует кристаллогидрату щавелевой кислоты, в котором на одну молекулу кислоты приходится две молекулы воды.

9. Как масса вещества связана с его количеством? Сколько моль вещества содержится в 53 г H₂CO₃, 180 г H₂O, 56 л N₂ при н.у.?

10. Вспомните формулы для расчёта молярной массы эквивалента веществ. Вычислите эквивалентные массы веществ: H₃ВO₃, Ba(OH)₂, CuSO₄

11. С какой массой калиевой селитры KNO₃ в почву будет внесено столько же азота, сколько его вносится с 396 кг (NH₄)₂SO₄(Ответ: 606 кг)

12. Рассчитайте эквивалентную массу серной кислоты, гидроксида кальция и сульфата алюминия.

13. Определите эквивалент и эквивалентную массу фосфорной кислоты в реакции с гидроксидом кальция, в которой в качестве продукта присутствует кислая соль – гидрофосфат кальция.

14. Определите эквивалент и эквивалентную массу гидроксида висмута в реакции, продуктом которой является средняя соль – хлорид висмута.

15. Что является эквивалентом лития, бериллия, бора и углерода в их гидридах.

16. Определите эквивалентную массу различных оксидов хрома.