«Электронная лаборатория» и ее использование при определении констант кислотности пара-нитрозофенолов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Т 51 (3)

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ

ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

2008

УДК 547.564.2 - 004.42

Е.М. Товбис, Г.Ш. Шкаберина, И.Я. Дорошенко, М.С. Товбис, С.П. Якимов

«ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАБОРАТОРИЯ» И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ КОНСТАНТ КИСЛОТНОСТИ пара-НИТРОЗОФЕНОЛОВ

(Сибирский государственный технологический университет) E-mail: [email protected])

Создана система автоматизированной поддержки учебного процесса «Электронная лаборатория», организованная по принципу лабораторного стенда. Рассмотрен пример использования «Электронной лаборатории» при определении констант кислотности органических веществ. Получены значения констант кислотности замещенных п-нитрозофенолов с использованием спектрофотометрического метода.

Проведение лабораторных занятий в вузе, в том числе по дисциплинам химической направленности, сопровождается рядом проблем. В частности, это большой объем материала, сложность проверки (особенно при работе с большими группами), риск травматизма и существенные затраты времени и средств при проведении лабораторных работ на реальных установках. Перечисленные проблемы явились предпосылками для создания системы автоматизированной обработки данных учебного эксперимента «Электронная лаборатория» [1].

В рамках «Электронной лаборатории» был создан лабораторный модуль «Определение констант кислотности и основности веществ», служащий для автоматизированной обработки данных при экспериментальном определении констант кислотности и основности веществ спек-трофотометрическим методом. Применение данного модуля позволяет:

• автоматизировать рутинные расчеты,

• сократить время на математическую обработку,

• снизить вероятность появления ошибок, связанных с человеческим фактором,

• осуществить контроль точности,

• сохранять результаты измерений и историю получения результатов,

• совмещать расчетную и справочную систему в одном программном продукте,

• оперативно моделировать экспериментальные зависимости,

• создавать отчеты по полученным результатам,

• накапливать базу экспериментальных данных,

• проводить массовые исследования.

Модуль создан для проведения учебного эксперимента в вузе, но может быть использован и как средство обработки данных научного эксперимента. В состав модуля входят блок авторизации прав доступа, справочно-табличный блок, блок расчета и выдачи отчетных форм.

В качестве объекта исследования был взят ряд замещенных п-нитрозофенолов и изучена их кислотность спектрофотометрическим методом [2]. Для незамещенного п-нитрозофенола рКа составляет величину 6,36 [3].

На аналитической длине волны производили замеры оптической плотности соответствующего нитрозофенола в буферных растворах, получая значения Бх (табл. 1), а также в кислой среде, получая поглощение недиссоциированной формы Б0, и в щелочной среде, где весь нитрозо-фенол находился в форме аниона (Б¥). Значения рН и соответствующие значения Бх заносили в базу данных программного модуля.

Расчет значения рКа замещенных нитро-зофенолов, ошибки опыта и тангенса угла наклона

зависимости lg

[HA

от рН, который должен быть

близок к единице, производился автоматически (табл. 1). На рис. 1 приведен отчет системы. Один из графиков показывает экспериментальную зависимость логарифма ионизационного отношения от величины рН среды, второй - ее линейную модель.

Таблица 1.

Данные спектрофотометрического определения кислотности 3-метил-4-нитрозо-5-фенилфенола Table 1. Spectrophotometric determination of 3-methyl-4-

№ рН Dx I lg I pKa

1 5,83 0,167 0,135 -0,869 6,70

2 6,08 0,245 0,316 -0,501 6,58

3 6,56 0,410 0,982 -0,008 6,57

4 6,83 0,507 1,821 0,260 6,57

5 7,14 0,587 3,336 0,523 6,62

6 7,51 0,650 6,512 0,814 6,70

7 7,69 0,678 10,138 1,006 6,68

Хан = 390 нм, D0 = 0,090, D¥ = 0,736, угол a=44,3° tg a=0,975 pKa=6,63 ± 0,05

1

м

ний в базу данных занесены сведения о различных функциях кислотности для растворов серной и других кислот и дополнены значениями, полученными с помощью интерполяции, с шагом изменения концентрации в 0,5 процента. Поэтому исследователю достаточно ввести экспериментальные значения ионизационного отношения в базу данных системы. Подбор наиболее подходящей функции кислотности для описания процесса протонирования и расчет рКа слабого основания происходит автоматически.

Таблица 2.

Значения рКа замещенных нитрозофенолов строения: Table 2. pKa values of substituted nitrosophenols with structure:

OH

R

CH

R

NO

6 pH 7

—♦— эксп —♦— мод

Рис. 1. Экспериментальная и модельная зависимости логарифма ионизационного отношения от рН среды Fig. 1. Experimental and model dependencies of ionization rate logarithm on pH

Как оказалось, все измеренные величины рКа диссоциации для изученных пара-нитро-зофенолов лежат в пределах от 6,50 до 7,40, причем появление метильной группы в орто-по-ложении у карбонильной группы вызывает некоторое понижение кислотности. Однако появление сложноэфирных групп в молекуле приводит к значительному повышению кислотности до значений 4,7-5,3.

Применение модуля «Определение констант кислотности и основности веществ» не ограничивается приведенными примерами. Так, для слабых оснований, протонирование которых происходит в сильно кислых средах и описывается функциями кислотности, в программном модуле предназначен блок для работы с функциями кислотности. На основе табличных значе-

№ R1, R2, R3 tg a pKa

1 H, H, C6H5 0,98 6,63 ± 0,05

2 H, H, «-CH3C6H4 1,07 6,72 ± 0,05

3 H, CH3, C6H5 0,98 7,33 ± 0,01

4 H, CH3, «-ClC6H4 1,04 7,22 ± 0,03

5 H, H, , «-ClC6H4 0,96 6,53 ± 0,03

6 H, H, «-CH3OC6H4 1,03 6,68 ± 0,02

7 C2H5OOC, C2H5OOC, CH3 1,03 5,35 ± 0,04

8 H, CH3, «-CH3C6H4 0,99 7,40 ± 0,01

9 H, CH3, «-CH3OC6H4 0,98 7,36 ± 0,01

10 C2H5OOC, C2H5OOC, C6H5 0,98 4,74 ± 0,04

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Серверная часть «Электронной лаборатории» выполнена с помощью СУБД FireBird 1.5, клиентская часть - в среде программирования Delphi 7.0.

Серверная часть модуля «Определение констант кислотности и основности веществ» выполнена с помощью СУБД MsSQL2000, клиентская часть - в среде программирования Delphi 7.0.

Необходимые для исследования нитро-зофенолы синтезировали конденсацией соответствующих b-дикарбонильных соединений с кето-нами в щелочной среде [4]. Константы кислотности замещенных пара-нитрозофенолов определяли спектрофотометрически, на спектрофотометре СФ-46, анализируемая концентрация пара-нит-розофенолов составляла 0,25 -г 0,5-10-4 моль/л.

3

R

0

Для приготовления рабочих растворов 0,1 мл спиртового раствора нитрозофенола калиброванной пипеткой впрыскивали в 25 мл цитрат-но-фосфатного буферного раствора, термостати-руемого при температуре 25±1°С [5], после чего производился замер на длине волны поглощения аниона, определенной автоматически с помощью программного модуля.

Аналогично определяли поглощение не-диссоциированной формы Б0 на аналитической длине волны в 0,5 N серной кислоте и поглощение аниона в 0,1 N растворе КОН на этой же длине волны. После ряда замеров заносили значения оптической плотности нитрозофенолов в серии бу-

ферных растворов в базу данных программного модуля.

ЛИТЕРАТУРА

1. Товбис Е.М. и др. Проблемы информатизации региона. ПИР-2007: Материалы десятой Всероссийской научно-практической конференции. 2007. Т. 2. С.157 - 163.

2. Альберт А., Сержент Е. Константы ионизации кислот и оснований. М.: Химия. 1964. 180 с.

3. Товбис М.С. и др. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2002. Т. 45. Вып .6. С. 46-49.

4. Беляев Е.Ю., Товбис М.С., Ельцов А.В. Журн. орг. химии. 1987. Т. 14. С. 2375-2380.

5. Синтезы органических препаратов. М.: Изд-во ин. лит. 1952. Т. 3. 581 с.

Кафедра информационных технологий