КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ На правах рукописи

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
Гузик Татьяна Владимировна
Электрохимическое определение общего содержания органических кислот
в винах, виноматериалах и соках
02.00.02  аналитическая химия
ДИССЕРТАЦИЯ
НА СОИСКАНИЕ УЧЁНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ХИМИЧЕСКИХ
НАУК
Научный руководитель:
профессор Стрижов Н.К.
КРАСНОДАР 2015 г.
2
Содержание
Введение.............................................................................................................. 4
1 Аналитический обзор ..................................................................................... 9
1.1
Органические
кислоты
как
основной
компонент
вин,
определяющий их качество ......................................................................................... 9
1.2 Теория и практика применения кулонометрических методов
анализа при титровании кислот ................................................................................ 19
1.3 Классификация кулонометрических методов анализа....................... 21
1.4
Титрование
кислот
кулонометрически
генерированным
основанием .................................................................................................................. 22
2 Экспериментальная часть............................................................................. 26
2.1
Автоматизация метода определения титруемых органических
кислот в винах и соках на установке, совмещающей потенциометрию и
кулонометрию ............................................................................................................. 26
2.2
Структура
димеров
монокарбоновых
кислот
в
водных
растворах………………………………………………………………………….41
2.3
Протолитические
равновесия
в
водных
растворах
при
образовании объёмных бициклов некоторых многоосновных органических
кислот……………………………………………………………………………..53
3 Анализ экспериментальных данных и построение математической
модели .......................................................................................................................... 71
3.1 Анализ экспериментальных данных .................................................... 71
3.2 Результаты исследования, их анализ и обсуждение ........................... 76
3.2.1 Обработка и оформление результатов измерений .................... 76
3.2.2 Определение подлинности вина ................................................. 79
3.2.3 Общее
содержание
катионов
щелочных
и
щелочноземельных металлов ............................................................................ 84
3.2.4 Определение суммы аминокислот .............................................. 85
Выводы .............................................................................................................. 89
Список литературы .......................................................................................... 90
3
Приложение А ................................................................................................ 105
4
Введение
Наиболее важным, надёжным и достаточно быстро определяемым
показателем качества как сырья, так и готовой продукции является
кислотность [1]. Обычно контролируют только титруемую кислотность
методом прямого или обратного титрования анализируемых образцов
растворами щелочей, вручную, с применением цветных индикаторов. Причём
при анализе окрашенных или мутных образцов проводят достаточно
трудоёмкую
пробоподготовку
или
применяют
потенциометрическую
индикацию точки конца титрования, ведя процесс титрования до заданного
значения pH или снимая всю кривую титрования. Результаты титрования
зависят от опыта исследователя, от точности дозирующего устройства и
качества
титранта.
Для
устранения
этих
недостатков,
в
ряде
работ
Шелудько О. Н., Стрижова Н. К., Кильдишова П. Г., Брагиной А. И. и других
авторов [2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10], были предложены комплексные методы для
кулонометрического титрования органических и минеральных кислот. На базе
анализатора жидкости «Эксперт-001», персонального компьютера (ПК),
источника стабилизированного тока, ячейки с серебряным анодом и
графитовым (платиновым) катодом (в дальнейшем электрохимический метод),
создана установка, позволившая автоматически записывать кривые титрования.
Существенным преимуществом такого подхода является то, что анализ
непрерывных
кривых
титрования
позволяет
изучать
закономерности
диссоциации органических кислот в растворах, что особенно важно при
разработке методик анализа реальных объектов (вин, соков и др.), содержащих
смеси различных кислот.
В связи с этим работа по совершенствованию электрохимического
определения общего содержания органических кислот с целью дальнейшего
изучения физико-химических свойств водных растворов органических кислот и
разработке на его основе современных методик определения кислот в пищевых
продуктах является актуальным научным исследованием.
5
Цель данной работы  создание подходов к идентификации вин,
виноматериалов и соков, основанных на особенностях кислотно-основных
равновесий
водных
растворов
органических
кислот
и
механизма
их
межмолекулярного взаимодействия в многокомпонентных системах, для
разработки методики подтверждения подлинности продукта по специфическим
критериям.
Для достижения поставленных цели решались следующие задачи:
1. Исследование кислотно-основных равновесий водных растворов
некоторых органических кислот (янтарной, уксусной, муравьиной, лимонной) с
учетом межмолекулярного их взаимодействия в многокомпонентных системах.
2. Проведение теоретических и экспериментальных исследований ионизации
мономеров и димеров янтарной, уксусной, муравьиной, лимонной кислот при их низких
содержаниях для установления форм их нахождения в водных растворах.
3. Установление и расчет специфических критериев для оценки подлинности и
качества готовой пищевой продукции.
4. Исследование возможности электрохимического определения общего
количества органических и минеральных кислот в различных пищевых продуктах при
их концентрациях в растворе < 1∙10–3 моль/дм3.
5. Разработка методики электрохимического определения общих содержаний и
титруемой части органических и минеральных кислот в различных пищевых продуктах
и ее метрологическая оценка.
6. Апробация разработанных методик.
Научная новизна
Изучены кислотно-основные равновесия водных растворов некоторых
органических кислот (янтарной, уксусной, муравьиной, лимонной) с учетом их
межмолекулярного
взаимодействия
в
многокомпонентных
системах
в
присутствии сильных электролитов (солей щелочных металлов).
Разработана
методика
электрохимического
определения
общей
и
титруемой части органических кислот (при их концентрациях в растворе < 1∙10–3
моль/дм3) в различных пищевых продуктах.
6
Обоснованы и предложены специфические критерии для оценки
подлинности и качества готовой продукции.
Практическая
значимость.
потенциометрическому
Создана
титрованию
вин,
оригинальная
установка
виноматериалов
и
по
соков
с
кулонометрической генерацией основания для определения в них общей и
титруемой части органических и минеральных кислот.
Разработаны методики определения доли солевой и титруемой части
кислот, содержащихся в винах, соках, безалкогольных напитках.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты
теоретических
и
экспериментальных
исследований
кислотно-основных равновесий сильно разбавленных водных растворов
некоторых органических кислот (янтарной, уксусной, муравьиной, лимонной).
2. Оптимальные условия титрования образцов вин для раздельного
определения титруемой и солевой части кислот, специфические критерии для
оценки качества и подлинности вин.
3. Приемы идентификации и доказательства подлинности вин, виноматериалов и
соков по результатам потенциометрического титрования кислот.
4. Результаты метрологической оценки методики определения общей и
титруемой части органических и минеральных кислот в различных пищевых
продуктах и ее метрологическая оценка.
Потенциометрическое
и
кулонометрическое
титрование
широко
используют химические лаборатории пищевых предприятий для контроля
качества и безопасности как сырья, так и готовой продукции (определение
титруемой кислотности в винах и виноматериалах, натуральных соках,
кислотности муки и готового теста, кислотного числа жиров и масел, в
молочной
и
сахарной
промышленности
и
др.).
Также
методом
потенциометрического титрования определяют кислотность почвы, воды и
других объектов окружающей среды [11; 12; 13].
Основными
недостатками
вышеуказанных
методов
являются
субъективность определения точки конца титрования, изменение во времени
7
концентрации растворов оснований, трудность автоматизации процесса
титрования. Для устранения этих недостатков нами был разработан комплекс
на основе ПТКГО по титрованию органических и минеральных кислот с
автоматической
записью
pH-метра-иономера
серии
полученных
кривых
«Эксперт-001»,
титрования
персонального
на
базе
компьютера,
источника постоянного тока и трёх бездиафрагменных ячеек с серебряными
анодоми и серебряными катодами, включенных последовательно [14; 15; 16].
Для проведения анализа пробы с применением ПТКГО время титрования
должно составлять приблизительно 10-15 минут. Сокращение времени анализа в
данной работе достигнуто титрованием одновременным трёх проб в трёх
ячейках, соединенных последовательно и подключенных одновременно
к одному источнику стабилизированного тока. В связи с вышесказанным
основными направлениями исследования были:
- показать возможность одновременного титрования трёх проб с
использованием ПТКГО;
- разработать способ идентификации по определению кислот в
разбавленных растворах на основе ПТКГО с применением комплексной
ячейки;
- применить
методику
для
определения
содержания
суммы
органических и минеральных кислот при анализе натуральных соков и
безалкогольных напитков;
- провести оценку прецизионности предложенной методики;
-
сравнить полученные результаты с результатами полученными
другими авторами и другими методами.
Применение
математической
обработки
полученных
экспериментальных данных позволило максимально оптимизировать
научные положения, выводы и рекомендации, приведённые в данной
работе.
Применение
математической
статистики
с
использованием
компьютерных технологий, средств программной обработки данных позволило
улучшить качество метрологических характеристик используемой методики.
8
Всё
сказанное
показывает
актуальность
работы
по
изучению
возможностей ПТКГО для определения общего количества органических
кислот в винах, виноматериалах, соках.
9
1 Аналитический обзор
1.1 Органические кислоты как основной компонент вин, определяющий их
качество
Вина являются натуральным продуктом, широко потребляемым в мире.
Химический состав вин сложен: помимо этанола, сахара и органических кислот
они содержат танины, ароматические и красящие вещества, микроэлементы.
Информация о концентрации различных компонентов вина на всех этапах его
производства
позволяет
контролировать
процесс
получения
высококачественного продукта, имеющего определённый вкус, букет, цвет,
прозрачность [1; 17; 18; 19].
С другой стороны, важность анализа вин заключается в том, что напитки
вносят
существенный
вклад
в
общую
долю
потребления
некоторых
микроэлементов, повышая их уровень в тканях и жидкостях организма.
Потребления
вина
способствуют
увеличению
общего
диетического
потребления микроэлементов более чем на 10 % [20].
Определение органических кислот в винах и виноградных соках важно
еще и потому, что они влияют на органолептические свойства (вкус, цвет,
аромат), на стабильность и микробиологические показатели этих напитков.
Анализ содержания этих кислот позволяет проверить степень созревания
винограда и необходим на таких этапах производства вин, как спиртовое
брожение, яблочно-молочное брожение, старение и т.д. [21; 22; 23; 24; 25].
Органические
кислоты
активно
участвуют
в
обмене
веществ
виноградного растения и в процессах, происходящих при изготовлении вина,
влияют на скорость ферментативных реакций, могут использоваться как
регуляторы кислотности [26]. Кислотность вина является одним из основных
показателей химического состава и дегустационной оценки. Активная
кислотность сусла и вина играет важную роль в процессе формирования и
созревания вина, определяет соотношение продуктов брожения, склонность
10
вина
к
окислению,
помутнениям,
кристаллическим,
металлическим
кассам,
биологическим,
коллоидным
именно
определяют
они
органолептические показатели готового продукта в целом [17; 21; 22].
Вино с хорошо сбалансированной кислотностью приносит не только
хорошие ощущения, но и делает его продуктом исключительной пищевой
ценности [22].
Вино является древнейшим из напитков и ценится во все времена из-за
своей уникальности, пищевой ценности, вкусовых качеств. Аромат и вкус вина
возникает из смеси химических компонентов, взаимодействующих с нашими
органами чувств, производя нервный ответ, который обрабатывается в мозге и в
результате психофизического взаимодействия нами воспринимается как
продукт под названием «вино» [27; 28].
Различные классы химических соединений в винах участвуют в
химических и биохимических процессах, которые влияют на их формирование
и концентрации [17; 27]. Химические компоненты вин получаются из
несколько источников; так во время брожения винограда вкусовые компоненты
извлекаются
в
вино,
и
новые
соединения
образуются
в
результате
многочисленных химических и биохимических процессов [17].
Органические кислоты активно участвуют в обмене веществ в
виноградной лозе и играют существенную роль в виноделии, так как
содержаться в винограде в довольно больших количествах [1]. Органические
кислоты образуются в процессе дыхания растений и являются продуктом
неполного окисления углеводов, а также исходным материалом для синтеза
сахаров, белков и жиров [16].
В ягодах и зелёных листьях винограда содержится в больших количествах
винная и яблочная кислоты, значительно меньше янтарной, гликолевой,
щавелевой, лимонной [19].
Существуют различные гипотезы образования органических кислот в
растениях.
Согласно гипотезе Беннет-Кларка в зеленых листьях кислотообразование
11
возможно совершается за счёт углеводов, причём на каждую исчезающую
углеводную молекулу образуется одна молекула органических кислот.
В работе [29] предположено, что образование органических кислот
связано с азотистым метаболизмом растений, где из углеводов синтезируются
кислоты.
Существует связь между различными превращениями при обмене
веществ
в
живой
клетке:
одни
вещества
окисляются,
другие
восстанавливаются; декарбоксилируются одни кислоты, в то время как другие
карбоксилируются,
аминокислоты
дезаминируются,
а
кетокислоты
аминируются 28].
Органические кислоты образуются не только при анаэробном распаде
углеводов, но и при фотосинтезе в зелёных листьях, откуда они переносятся в
ягоды винограда. Возможно, что образование органических кислот происходит
также и в виноградных ягодах [27].
В винограде, вине находятся многие кислоты цикла Кребса 30. На
рисунке
1
приведена
взаимосвязь
между
органическими
кислотами,
углеводами, белками.
По данной схеме, приведённой на рисунке 1, проходят реакции, в
которых осуществляется перенос электронов под действием специфических
дегидрогеназ. В цикл трикарбоксильных кислот фактически входят и
дикарбоксильные кислоты.
12
Рисунок 1  Цикл Кребса [30]
На первом этапе проходит образование фосфоэнолпировиноградной
кислоты из углеродов, которая затем превращается в щавелевоуксусную
кислоту
под
действием
фосфоэнолпируваткарбоксилазы
в
присутствии
аденозинтрифосфата (АТФ).
На
втором
этапе
происходит
образование
ацетил-КоА
из
пировиноградной кислоты.
Затем происходит конденсация ацетил-КоА со
щавелевоуксусной
кислотой в присутствии энзима конденсации результате чего образуется
уксусная кислота.
Лимонная кислота под действием аконитазы превращается в цисаконитовую кислоту, а цис-аконитовая – в изолимонную, которая в
присутствии
изоцитрикодегидрогеназы
и
НАДФ
превращается
в
13
щавелевоянтарную, далее она декарбоксилируется в α-кетоглутаровую кислоту.
Достаточно сложным является переход α-кетоглутаровой кислоты в
сукцинил-КоА, а затем в янтарную кислоту в присутствии гуанизиндифосфата
и фосфора.
Янтарная кислота превращается под действием сукциндегидрогеназы в
фумаровую, которая гидратируется в присутствии фумаразы в яблочную
кислоту. На последнем этапе яблочная кислота дегидрируется под действием
маликодегидрогеназы в щавелевоуксусную кислоту. Затем данный цикл
замыкается. При каждом превращении отщепляются три молекулы CO 2 и пять
пар водородных атомов, которые получает цитохромоксидазная система для
окисления в воду, при этом клетка получает энергию.
Кратко процесс окисления пировиноградной кислоты можно представить,
как:
CH 3  CO  COOH  3H 2 O  5O  3CO2  5H 2 O .
В результате окисления молекулы пировиноградной кислоты по циклу
Кребса выделяется свободная энергия, которая равна 889,5 кДж/моль.
С помощью цикла Кребса осуществляется окисление не только продуктов
распада углеводов, но и жиров, белков. Как видно из цикла ди- и
трикарбоксильных кислот, продукты распада белков – аминокислоты входят в
этот
цикл.
В
пировиноградной,
результате
прямого
щавелевоуксусной,
аминирования
из
α-кетоглутаровой,
кетокислот,
образуются
следующие аминокислоты: аланин, аспарагиновая, глютаминовая кислоты,
гистидин, аргинин, тирозин, фениналанин.
Таким образом, при превращении отдельных органических кислот
образуются различные продукты, т.е. углеводный и белковый обмен
связываются в одно целое.
Установлено, что содержание кислот и сахаров в стеблях и листьях на
протяжении срока вегетации неравномерно и колеблется в зависимости от
возраста листьев. Чем моложе лист, тем больше его кислотность и меньше
сахаристость. По мере старения листа кислотность уменьшается, а сахаристость
14
увеличивается. Присутствуют две максимальные точки накопления кислот: в
молодых листьях и в начале созревания ягод 17.
В ягодах количество винной кислоты бывает максимальным в июле и
сильно снижается в октябре. Содержание винной кислоты в листьях и стеблях в
период с июля по октябрь не претерпевает изменений. Содержание яблочной
кислоты в ягодах практически такое же, как и винной, однако в листьях ее
содержание меньше. Характер колебания количества яблочной кислоты такой,
как и винной. Установлено, что лимонная кислота в ягодах, листьях и стеблях
винограда находится в количестве от 0 до 0,5% и это содержание не
претерпевает практически никаких колебаний 24.
Согласно многим данным, посвящённым изучению данных о содержании
органических кислот в винограде на протяжении срока вегетации показано, что
в августе и сентябре основные кислоты  это винная и яблочная. Наибольшее
содержание яблочной кислоты в августе составляет в листьях и наименьшее в
ягодах. Наибольшее значение по содержанию винной и лимонной кислот в
виноградной лозе приходится на августе и сентябрь. В этот же промежуток
времени в черенках листьев наблюдается образование винной кислоты.
Количество фумаровой и глицериновой кислот больше в виноградном листе,
чем в других частях растения.
Процесс дыхания во время
созревания
ягод очень интенсивен,
содержание кислот в винограде в это время составляет от 3,0 до 5,0%. В начале
созревания,
когда
дыхание
ослабевает,
сахар
расходуется
меньше,
новообразование кислот замедляется, и частично кислоты снова могут
восстанавливаться в сахара. В конце срока вегетации для винограда в целом
характерен переход от интенсивного кислотообразования к сахаронакоплению.
В работе [31] отмечено, что исследованиями как качественного, так и
количественного состава винограда в процессе вегетации занимались такие
ученые, как Н.М. Сисакян, И.А. Егоров, Б.Л. Африкян, В.В. Вильямс,
Е.Е. Елецкий.
На основе сводных данных [31] видно, что особенно резкое уменьшение
15
содержания винной и яблочной кислот наблюдается в процессе созревания
винограда, причём содержание яблочной снижается более интенсивно. По
мнению авторов [31], при созревании винограда яблочная кислота более
заметно, чем винная участвует в процессах дыхания. Немного уменьшается
количество янтарной, щавелевой и пировиноградной кислот, количество же
лимонной кислоты в процессе созревания все время увеличивается, хотя
незначительно.
В винограде технической зрелости количество лимонной кислоты
достигает максимального значения (0,41 г на 1 кг винограда), а содержание
всех остальных кислот убывает: яблочной – до 4,15, винной – до 6,35, янтарной
– до 0,115, щавелевой – до 0,115 г на 1 кг винограда [31].
В стадии физиологической зрелости винограда наблюдается дальнейшее
уменьшение количества винной, яблочной, янтарной и щавелевой кислот.
Содержание винной кислоты в ходе созревания винограда сорта Алиготе
уменьшается с 13,3 до 4,05, яблочной  с 13,75 до 2,05 г на 1 кг винограда,
содержание янтарной, щавелевой, пировиноградной кислоты уменьшается
незначительно [31].
Соотношение винной и яблочной кислот меняется в процессе созревания
винограда. У зелёного винограда это соотношение составляет приблизительно
1:1 и в ходе созревания винограда повышается. Данное соотношение в
винограде технической зрелости не превышает 1,5:1, как видно из данных
рисунка 2, построенного нами по данным 31].
16
Рисунок 2 – Изменение содержания органических кислот и накопления
моносахаридов в процессе созревания винограда сорта Алиготе: 1 – содержание
титруемых кислот; 2 – сумма винной и яблочной кислот; 3 – винная кислота;
4 – яблочная кислота
Использование при производстве вин большого разнообразия различных
сортов винограда и процедур его переработки приводит к увеличению числа
предлагаемого на рынке ассортимента винодельческой продукции, что
значительно расширяет границы выбора напитка для потребителя. Несмотря на
сложный химический состав натуральных вин и большое разнообразие их
типов, в последнее время виноградные вина все чаще становятся объектом
фальсификации [23].
Электрохимические методы анализа являются одним из полезных
инструментов
для
простого,
быстрого
и
экономичного
определения
многочисленных компонентов в пробах вин [23; 27; 32; 33].
Известно
применение
различных
способов
для
проведения
идентификации подлинности вин и соков на основе электрохимических
17
методов анализа [34; 35; 36; 37; 38; 39; 40; 42; 43. Существенным недостатком
является их сложность, а также, в случае применения кулонометрической
установки, дороговизна ячейки с разделёнными камерами, кроме того, есть
необходимость в более длительном времени проведения анализа при
использовании только одной ячейки, необходимость применения специальных
электродов 44; 45.
Предложен ряд способов по выявлению натуральности вина, так в работе
43 проводят потенциометрическое титрование раствором щелочи смеси
исследуемого вина с определенным количеством соляной кислоты, при этом
регистрируют пары значений «объем раствора щелочи  рН», затем
рассчитывают адаптированную функцию образования n . Зависимость функции
образования
от
рН
раствора
аппроксимируют
сигмоидной
функцией,
параметры которой в дальнейшем используют для принятия решения о
натуральности (подлинности) кислотного состава исследуемой винопродукции.
Данный способ 43 позволяет ускорить процесс идентификации при
сохранении ее достоверности и удешевить его за счет исключения определения
таких
показателей,
концентрации
как
объемной
титруемых
кислот и
доли
этилового
приведенного
спирта,
экстракта,
массовой
а
также
использования широко распространенного оборудования и реактивов.
Важным при проведении идентификации винодельческой продукции
является изучение состояния моно- и дикарбоновых кислот в водных
сильноразбавленных растворах, этому посвящены работы [67; 80; 81; 82; 83; 84;
85; 86]. В этих работах авторы предположили, что карбоновые кислоты
присутствуют в растворах в виде димерных форм, для этого они изучали
кривые титрования растворов щавелевой, муравьиной, уксусной и других
кислот.
В
работе
102
изучено
существования
димеров
в
растворах
слаборазбавленных кислот показано, то что в ИК-спектрах водных растворов
уксусной кислоты не было идентифицировано характеристических полос
18
поглощения валентных колебаний свободных гидрокси- и карбонильных
групп. По мнению авторов это связано, с тем, что все гидроксильные и
карбонильные группы молекул уксусной кислоты участвуют в водородном
связывании между собой. Происходит образование весьма характерных для
карбоновых кислот мостиковых водородных связей, что говорит о том, что
уксусная кислота существует в виде димеров и образует межмолекулярную
водородную связь (МВС) между двумя молекулами. Аналогично авторами
102 также установлен факт димеризации лимонной, щавелевой кислот.
Авторами работ [80; 81; 84] были получены данные о физико-химических
свойствах карбоновых кислот в большом диапазоне концентраций с помощью
потенциометрии, ИК- и ЯМР- спектроскопии, в частности, авторы установили,
что муравьиная и уксусная кислоты в водных растворах титруются как
двухосновные и на основании этого высказано предположение, что они
существуют в виде димеров.
Авторами [64; 70] изучены состояние фосфорной и виннокаменной
кислот
в
водных
растворах,
а
также
обосновывалась
возможность
использования метода ПТКГО для проведения идентификации вин. Здесь же
авторами предполагается наличие фосфорной, винной, щавелевой, янтарной,
яблочной кислот в виде димеров ([HnA2) в сильноразбавленных растворах. Для
экспериментальной
проверки
данного
предположения
о
димеризации
вышеуказанных кислот авторами предложены вина и виноматериалы, как
представляющие интерес в исследовании многокомпонентных систем с низким
содержанием
различных
карбоновых
кислот.
Предложенный
способ
идентификации натуральности вина, сортовой принадлежности винограда, из
которого это вино изготовлено, основан на определении суммы количества
титруемых кислот в виноматериалах, как одного из основных критериев
натуральности винной продукции, которая может быть сфальсифицирована
внесением каких-либо компонентов, например, лимонной лимонной кислоты.
Исследуя многочисленные образцы винной продукции авторами 4; 5; 6;
7 было установлено, что скачок кривых титрования вин имеет большую
19
временную протяжённость и заканчивается при меньшем значении pH раствора
в случае, если в вине присутствуют кислоты слабее (например, аминокислоты),
эта особенность изучена авторами работ 9; 10 в качестве метода косвенного
определения суммы аминокислот в винах.
1.2 Теория и практика применения кулонометрических методов анализа
при титровании кислот
Основные
положения
кулонометрического
метода
анализа,
его
применение в практике заводских и исследовательских лабораторий приведено
в работах [12; 42; 44; 46; 47; 48].
Кулонометрию применяют не только для определения массы вещества,
участвующего в электрохимической и химической реакциях, но и для решения
других задач [46]. Она используется при исследовании стехиометрии,
кинетики реакций, протекающих в жидкой, твёрдой, газовой фазах,
идентификации
образующихся
продуктов,
для
изучения
состава
малорастворимых, комплексных соединений, разделения металлов, в фазовом
анализе. Следует отметить, что важным является применение кулонометрии в
таких
отраслях,
как
металлообработка,
например,
для
исследования
коррозионной устойчивости металлов и сплавов. Стремительное развитие
кулонометрического метода анализа вызвано её превосходством по сравнению
с титриметрическим и гравиметрическим методами анализа. Следует отметить
следующие преимущества по сравнению с классическими методами анализа:
отсутствие необходимости применения стандартных растворов; сокращение
затрат и времени на подготовительные операции; возможность выполнения
анализа без предварительной градуировки прибора по стандартным образцам и
проведения разнообразных и многократных определений, во многих случаях
даже в одной и той же порции испытуемого раствора. Кулонометрии
свойственно и превосходство таких метрологических параметров, как низкая
20
погрешность,
хорошая
правильность,
селективность.
Эти
характеристики
зависимости
от
точности
высокая
метода
определения
в
воспроизводимость
и
основном находятся
в
завершения
основной
электрохимической и химической реакции, приёма измерения количества
электричества.
В основе кулонометрии лежит закон Фарадея [46], который показывает
зависимость между массой m окисленного или восстановленного вещества и
количеством электричества Q (Кл):
m  QM nF
(1)
Формула (1) помимо аналитических целей, вычисления m , может быть
использована и для выявления n , Q , M или F .
Обширному использованию кулонометрии способствовало применение её
для
расчёта
концентраций
кислот,
оснований,
полноты
протекания
окислительно–восстановительных реакций.
Применение
кулонометрического
титрования
исследования
вин,
виноматериалов и соков рассмотрено в работах [49; 50; 51; 52; 53; 54; 55; 56].
Возможность генерации титрантов при прохождении электрического тока
в ходе титрования снизила трудности, связанные с приготовлением и
устойчивостью стандартных растворов. Применение кулонометрии и её
различных
интерпретаций
увеличилось
вследствие
развития
теории
электрохимии, применения новых приборов в аналитической практике
лабораторий, использования современных материалов для изготовления
электродов, применения в аналитическом анализе новых титрантов [46; 54; 55].
Кулонометрия получила признание благодаря автоматизации процесса
определения
основного
прецизионности
метода
компонента
[45;
36;
пробы
44]. Это
и
примесей,
способствовало
высокой
широкому
использованию этого метода исследования в практику исследовательских и
21
производственных и лабораторий.
1.3 Классификация кулонометрических методов анализа
Согласно классификации [46; 47] кулонометрию делят на прямой метод и
кулонометрическое
титрование.
Эти
методы
имеют
превосходства
и
недостатки, но для них обязательны следующие условия: электропревращение
анализируемого вещества должно протекать практически со 100 %-ным
выходом,
наличие
надёжного
приёма
выявления
завершения
электрохимической (химической) реакции; точное определение количества
электричества ( Q ), которое прошло через ячейку до момента завершения
реакции 46].
Электролиз во всех приёмах кулонометрического метода может быть
осуществлен: в потенциостатическом (электролиз при контролируемом
потенциале рабочего электрода); в амперостатическом, гальваностатическом
вариантах (электролиз при контролируемом токе) [44].
Прямая потенциостатическая кулонометрия – это метод прямой
кулонометрии, который можно применять при контролируемом потенциале
анода
или
катода.
Прямая
гальваностатическая
кулонометрия
–
при
контролируемом токе электролиза, плотности тока [47].
Процесс определения методом косвенной кулонометрии суммируется из
электрохимической и химической реакций. Для определения с использованием
прямой кулонометрии применяют лишь электрохимическую реакцию [12].
Содержание вещества в анализируемом растворе рассчитывают по
количеству электричества ( Q ),которое идёт на превращение определяемого
вещества, если определяемое вещество электроактивно, либо на превращение
соответствующего вспомогательного реагента, которое вносится в ячейку в
достаточном
количестве,
из
которого
получают
титрант.
Титрант
в
достаточном количестве получают генерированием из воды, растворов
22
вспомогательных веществ, твёрдых электроактивных (рабочих) электродов или
амальгам металлов при контролируемом I э , (косвенная гальваностатическая
или амперостатическая кулонометрия), либо при контролируемом
Ep,
(косвенная потенциостатическая кулонометрия).
Достаточное
количество
вспомогательного
реагента
обеспечивает
высокую, близкую к 100 % э. т. г. и служит своего рода кулонометрическим
буфером, препятствующим сдвигу E p.э. до значений, при которых возможны
побочные
электрохимические
реакции.
Косвенная
гальваностатическая
кулонометрия имеет ряд особенностей – это избирательность электродной
реакции и возможность получения нескольких титрантов. В данном методе 100
%ная э.т.г. обеспечивается автоматически за счёт правильного выбора
потенциала рабочего электрода, его величина и фиксация на определённом
уровне можно при использовании потенциостатических присоблений и
гальваничeских элементов [46].
В
косвенной
гальваностатической
кулонометрии
и
косвенной
потенциостатической кулонометрии получение титранта осуществляется в
растворе (внутренняя генерация титранта) и вне раствора (внешняя генерация
титранта) [46].
В настоящее время основными направлениями по совершенствованию
использования кулонометрического титрования в исследовательской практике
явились её более широкое применение для анализа различных объектов,
процесса электрохимических взаимодействий, улучшению метрологических
характеристик [44].
1.4 Титрование кислот кулонометрически генерированным основанием
Определение кислот и оснований методом кулонометрии основано на их
титровании электрогенерированными OH  или H   ионами на платиновых
катоде и аноде соответственно. Конечную точку титрования фиксируют с
23
помощью
цветных
индикаторов,
а
также
фотометрическии
или
потенциометрически.[42; 47].
Кулонометрическое титрование часто используют для анализа различных
объектов [38; 45; 57; 59; 60; 61]. Для проведения анализа кислот и оснований
кулонометрическое титрование имеет ряд преимуществ, которые заключаются
в отсутствии необходимости подготовки и хранения стандартных растворов,
благоприятных пределах определения и точности [54; 62; 63]. Кроме того,
использование кулонометрического автотитратора существенно облегчает
анализ путём сведения вмешательства человека к минимуму [50; 38; 54].
В работах, выполненных сотрудниками кафедры химии, стандартизации и
метрологии КубГТУ [5; 6; 7; 9; 64 и др.], апробированный нами метод
автоматизированного потенциометрического титрования с кулонометрической
генерацией основания, получил дальнейшее развитие. Нами в [53] показана
возможность
анализатора
единовременно
жидкости
титровать
три
«Эксперт001»,
пробы
с
использованием
компьютера,
источника
стабилизированного тока и 3-х соединённых ячеек, которые состоят из
серебряного анода и платинового катода и 2-х вспомогательных серебряных
электродов (серебряных пластинок). Это сделало возможным увеличить в три
раза производительность метода. Возможность титрования растворов с низким
содержанием нами была решена следующим образом [51; 52; 53]. В ячейки
помещали 50 см3 пробы, добавляли навеску сухой соли хлорида щелочного
металла до его концентрации в ячейке 1 моль/дм3 в результате чего
исключалась возможность разбавления анализируемого раствора. Далее
перемешивали раствор с использованием магнитной мешалки или воздухом,
свободным от CO 2 , до полного растворения хлорида щелочного металла.
Включали регистрацию pH и источник тока. При использовании трёх
измерительных электродов наблюдался временной сдвиг при фиксации
каждого сигнала, то записывать величину pH необходимо с интервалом в 3 с.
Неопределённость при измерении количества электричества составила:
24
t∙100/ tk, %,
(2)
где t  время задержки сигнала;
tk – время, затраченное на титрование до точки эквивалентности.
При t =3 с и tк = 1000 ошибка равна 0,3%. Добавка сухой соли хлорида
щелочного металла к 20–100 см3 водного раствора, содержащего небольшое
количество кислоты, позволила в несколько раз снизить предел минимального
количества определяемой кислотности без потери точности определения.
В работе [65] представлено, что присутствие аминокислот при
титровании влияет на ход титрования кислот, но в тоже время не оказывает
влияния на точность фиксации конечной точки титрования, что позволило
предположить [65], что в разбавленных растворах аминокислоты находятся в
виде димеров, которые связаны диполь–дипольными взаимодействиями,
молекулы в этих диполях расположены не параллельно, а протоны
карбоксильных групп связаны водородной связью с аминогруппами.
Применением
кулонометрического
титрования
с
автоматической
фиксацией кривых [4; 9; 66] показана возможность определения суммарного
содержания титруемых кислот в винах. Предложен приём выявления
подлинности сортов винограда, из которых были получены виноматериалы,
сравнением опытных кривых титрования с контрольными кривыми титрования
и кривой титрования чистой винной кислоты. По анализу формы кривой
титрования вина предложен способ определения суммарного содержания
катионов щелочных и щелочноземельных металлов, основных аминокислот.
В работах [9; 67] рассмотрено изменение свойств водных растворов
щавелевой, малоновой, янтарной, яблочной, винной, фумаровой, малеиновой
кислот в процессе титрования. Показано, что эти кислоты и их соли находятся в
виде димеров и титруются как многоосновные кислоты. В начале титрования
димеры образуют за счёт водородных связей между карбоксильными группами
кольцевые многомерные структуры, которые по-разному ведут себя в ходе
25
титрования. Это наблюдение позволило предположить, что ионизация кислот в
водных растворах не является процессом распада на ионы, а обусловлена
переходом ковалентной и водородной связей в легко растягивающуюся под
действием
поляризующихся
предельную длину 64.
молекул
воды
ионную
связь,
имеющую
26
2 Экспериментальная часть
2.1
Автоматизация метода определения титруемых органических кислот
в винах и соках на установке, совмещающей потенциометрию и
кулонометрию
Показатель кислотности является обязательным для подтверждения
качества и идентификации многих пищевых продуктов. Диапазон его
применения довольно широк: выявление фальсифицированной продукции,
установление eё возраста (жиров, масел, вин); вместе с другими показателями
он
может
быть
использован
для
установления
места
расположения
виноградников в винах установленного места производства и идентификации
продукции. В аграрном комплексе по кислотности почвы рассчитывают
количество вносимой извести, необходимое для раскисления почвы и т.д.
Основными
кислотности
недостатками
различных
традиционных
пищевых
объектов
методов
являются
определения
субъективность
определения точки конца титрования, изменение во времени концентрации
растворов оснований и трудёмкость автоматизации процесса титрования. Для
устранения этих недостатков в работах [2; 7; 68] был предложен комплекс
кулонометрического титрования органических и минеральных кислот с
автоматической записью кривых титрования на базе анализатора жидкости
«ЭКСПЕРТ  001», персонального компьютера, источника стабилизированного
тока и ячейки с серебряным анодом и графитовым (платиновым) катодом.
Однако длительность единичного анализа вместе
с пробоподготовкой
составляла 15–20 минут. Так как по нормативным требованиям необходимо
провести
два
удваивалась.
определения,
Следует
то
длительность
отметить,
что
анализа
аналогичный
одного
образца
комплекс
по
кулонометрическому титрованию органических и минеральных кислот 2
впоследствии предложен независимо от нас другими авторами [55.
В связи с вышеизложенным, нами была усовершенствована установка,
27
предложенная в работе [2], путём применения трёхзвенной ячейки и
разработана методика, позволяющих анализировать одновременно три пробы
[50; 69]. Это позволило повысить экспрессность исследований различных
объектов, в том числе пищевых, и достоверность расчётных специфичных
критериев для идентификации и оценки качества готовой продукции. Для
выполнения цели были решены следующие задачи: оценка возможности
применения
трёхзвенной
потенциометрического
генерированным
ячейки
для
титрования
основанием;
одновременного
трёх
проб
разработана
непрерывного
кулонометрически
методология
эксперимента;
проведена математическая обработка полученных экспериментальных данных;
рассчитаны метрологические характеристики методики; показана возможность
применения
данной
виноматериалов
и
установки
соков;
по
для
определения
сравнению
кислотности
кривых
титрования
вин,
как
индивидуальных кислот, так и проб виноградных вин выбраны и рассчитаны
специфические критерии для оценки подлинности и качества готовой
продукции [50; 51; 52].
Конструкция экспериментальной установки (ЭУ) приведена на рисунке 3.
Сокращение
времени
анализа
в
данной
работе
достигнуто
одновременным титрованием трёх проб в трёх ячейках, соединённых
последовательно и подключенных одновременно к одному источнику
стабилизированного тока. В каждую ячейку помещали серебряный анод и
платиновый (графитовый) катод. Для измерения pH во все ячейки погружали
электроды
(стеклянный
и
хлоридсеребряный).
Стеклянные
электроды
подключали к соответствующим каналам анализатора жидкости «ЭКСПЕРТ 
001», а хлоридсеребряные через специальный коммутатор подсоединяли к
гнезду для электрода сравнения. Анализатор «Эксперт  001» подключали к
персональному компьютеру. В ячейки помещали 50 см3 хлорида щелочного
металла
(отдельные
опыты
с
LiCl, NaCl, KCl
показали
идентичность
результатов) с концентрацией, равной 1,0 моль/дм3, и аликвотную часть
анализируемого раствора (1–2 см3).
28
Рисунок 3 – Экспериментальная установка: 1. Генераторные электроды
(серебряные анод и платиновый (графитовый) катод; 2.
электроды (2 серебряные пластины); 3.
Вспомогательные
Измерительные (индикаторный
электрод и электрод сравнения) электроды (стеклянный, хлоридсеребряный)
для измерения pH раствора; 4.
Источник питания постоянного тока
Б5  49; 5. Иономер – pH – метр «Эксперт-001»; 6.
Электрохимические
ячейки, состоящие из химического стакана, магнитной мешалки и штатива с
укреплёнными электродами
Особенность ЭУ состоит в том, что титровальная установка включает
29
специальную
электролитическую
трёхзвенную
ячейку,
состоящую
из
серебряного анода и платинового (графитового) катода, без диафрагмы,
разделяющей катодное и анодное пространство. При включении тока на катоде
происходит
восстановление
ионов
водорода
(газообразный
водород
препятствует поглощению углекислого газа из воздуха раствором), а на аноде
образуется плотный осадок хлористого серебра, который и играет роль
диафрагмы, разделяющей катодное и анодное пространства. Именно такая
трёхзвенная ячейка значительно упрощает конструкцию, сокращает время на
подготовительные
операции
и
увеличивает
точность
титрования.
Относительная погрешность 0,2%, что ниже капельной ошибки.
Электролиз проводили до появления четкого скачка рН на кривой
титрования, записываемой прибором. Установка работала стабильно при
значениях тока от 10 до 50 мА и позволяла анализировать растворы кислот с
концентрацией от 10–5 до 510–3 моль-экв/дм3, проводя более 50 титрований без
регенерации серебряного анода.
Рассмотрим работу установки на примере титрования одноосновной
кислоты (HA) в одной из ячеек.
До начала титрования раствор в ячейке (//……//) имеет следующий
состав:
Pt (C, Ag)//H+, A–, HA, Li+ (K+, Na+), Cl–, H2O//AgCl/Ag
При включении тока на электродах протекают следующие реакции:
2HA 2A– + 2H+ + 2e¯  H2 +2A–
катод
2Ag + 2Li+ + 2Cl–  2AgCl +2e¯+2Li+
анод
Электроны переносятся по внешней цепи от анода к катоду и вступают в
электрохимическую реакцию с катионами водорода на поверхности катода с
образованием молекулярного водорода, который самопроизвольно удаляется из
ячейки. В растворе остается анион кислоты, и появляется объёмный
30
отрицательный заряд. Этот заряд нейтрализуется на аноде путём переноса
электрона от иона хлора к атому серебра на поверхности анода. Образование
плёнки из осадка AgCl на поверхности электрода препятствует переносу ионов
серебра в раствор. В анодной части ячейки остаются только катионы щелочного
металла Li+ (K+, Na+).
В результате электрохимических реакций на электродах из раствора
удаляются ионы водорода и анионы хлора в эквивалентных количествах, а в
ячейке остается соль титруемой кислоты, соответствующая катиону фонового
электролита (хлорид лития – фоновый электролит расходуется в количествах,
соизмеримых с количеством восстановившихся ионов водорода). Фактически
происходит титрование кислоты, хотя и косвенным образом.
После оттитровывания всей кислоты на катоде происходит разложение
воды по схеме, наблюдается скачок pH на кривой титрования:
2H2O 2OH– + 2H+ + 2e¯ H2 +2OH–
катод
2Ag + 2Li+ + 2Cl– 2AgCl +2e¯ +2Li+
анод
Метод не требует применения стандартного раствора основания, наличия
бюретки, исключает субъективные ошибки, концентрация раствора в ячейке
остается постоянной. Фактически в результате электродных реакций из
раствора удаляется HCl , что приводит к изменению pH анализируемого
раствора, а получаемая зависимость pH от времени электролиза (t) фактически
идентична кривой титрования раствора основанием, поэтому в дальнейшем
подобные зависимости будем называть кривыми титрования.
На рисунке 4 приведены кривые титрования трёх одинаковых по объёму
проб уксусной кислоты концентрацией, равной 1,20∙10–3 моль/дм3 (рисунок 4а),
и трёх проб муравьиной кислоты концентрацией, равной 1,71∙10–3 моль/дм3
(рисунок 4б), полученных при одинаковых условиях эксперимента.
31
Рисунок 4 – Кривые одновременного титрования 50 см3 уксусной (а) и
муравьиной (б) током 10 мА в трёхзвенной ячейке. 1, 2, 3 – номера
измерительных каналов
Как видно из данных рисунка 4, все три кривые титрования одинаковых
проб модельных растворов уксусной кислоты близки на всем интервале кривых
титрования (рисунок 4а), а для муравьиной кислоты практически совпадают
между собой (рисунок 4б). Отклонение одной кривой титрования от средней не
превышает 0,05 единицы pH на всём её протяжении. Коэффициент линейной
32
регрессии R между средневзвешенной кривой (0) и между крайними
значениями для уксусной кислоты равен R(1, 0), R(2, 0) = 0.9999;
R(0, 3) = 0.9998 и R(1, 3)= 0.9994. Для муравьиной кислоты R = 0.9999
независимо от парной корреляции. Графически это показано на рисунке 3 для
кривой титрования уксусной кислоты.
Рисунок 5 – Регрессионная зависимость отклонения значений pH для
кривых 1,2,3 из рисунка 1а от среднего значения pH(0) и между кривыми 1 и 3
Размах
определяемых
концентраций:
для
уксусной
кислоты
с∙103 моль/дм3 составляет 1,1961,202; для муравьиной кислоты с∙103 моль/дм3
 1,7101,716. Из этих данных видно, что результаты одновременного
титрования
в
многозвенной
ячейке
с
применением
многоканального
анализатора обладают между собой достаточной прецизионностью в условиях
повторяемости. Правильность полученных результатов определяли сравнением
данных кулонометрического титрования с результатами, полученными методом
прямого титрования исходных растворов кислот, взятых для приготовления
модельных.
Модельные растворы кислот готовили двухсоткратным разбавлением
33
исходных: 0,240  0,002 моль/дм3 раствора уксусной и 0,342  0,003 моль/дм3
муравьиной
кислоты
(титрование
раствором
гидроокиси
натрия
с(NaOH) = 0,1 моль/дм3 с фенолфталеином). С учётом разбавления рабочие
концентрации составляли (1,20 0,01) 10–3 моль/дм3 для уксусной кислоты и
(1,71 0,002) 10–3 моль/дм3 для муравьиной кислоты. Оценка правильности
анализа (с учётом разбавления) со сравнением данных, полученных прямым
титрованием и титрованием с кулонометрической генерацией основания,
находится в соответствии с требованиями нормативной документации [71]
(таблица 1).
Таблица 1  Определение содержания суммы титруемых кислот в пищевых
продуктах (n = 3, P = 0.95, t =4.3 (рассчитано по [71]))
Концентрация титруемых кислот (кислотность)
Пищевой
продукт
пересчёт (по требованиям из [72]) на
моль-экв / дм3
см3 1 моль/дм3 NaOH, пошедшие на
титрование 100 см3 продукта
Кулонометрия
Кулонометрия
Стандарт [72]
Яблочный сок
0,0635 0,0003
6,35  0,03
6,43  0,12
«Пепси–кола»
0,0310  0,0003
3,10  0,03
3,05  0,13
«Фанта»
0,0745  0,0005
7,45  0,05
7,50  0,15
«Спрайт»
0,0099  0,0005
0,99  0,05
1,02  0,11
34
Из рисунка 6 по форме кривых титрования видно, что состав титруемых
кислот не однороден по силе, по виду кривых титрования с помощью
статистической обработки данных можно идентифицировать подлинность
продукции. Например, форма кривой на рисунке 6б свидетельствует о
присутствии фосфорной кислоты, так как при данном разведении остальные
кислоты титруются более плавно. По отклонению содержания титруемых
кислот от стандартного значения можно определить степень фальсификации
(разбавления) продукта.
Рисунок 6  Кривые титрования яблочного сока (а), пепси-колы (б), фанты
(в) и спрайта(г)
Из правил проведения испытаний [72; 73; 79] следует, что для разных
35
видов
продукции
точка
конца
титрования
определяется
по-разному
(титрованием до pH = 7,0 для вин и виноматериалов, pH = 8,1 для соков, pH =
9,0 для безалкогольных напитков, что достаточно трудно выполнить при
использовании индикаторов, особенно для темноокрашенных продуктов, или
при титровании в присутствии фенолфталеина образцов, имеющих розовый или
красный цвет). Предлагаемая методика устраняет этот недостаток, так как на
подробно записанной кривой титрования значения точек конца титрования при
заданном pH определяются однозначно. Одновременное титрование трёх и
более проб на одной установке сокращает время единичного анализа в три и
более раз соответственно. Предложенный метод титрования с добавлением
сухого хлорида калия позволяет исключить разбавление пробы.
Следует отметить, что трёхканальное измерение pH можно провести и в
одной ячейке с тремя индикаторными электродами и получить сразу три
кривых титрования для одной пробы. Такой приём позволяет исключить
случайную ошибку, связанную с калибровкой электрода и повышает точность
анализа.
Методические указания. В три чистых высушенных стаканчика для
титрования помещают точно по 50 см3 1 моль/дм3 раствора NaCl, погружают
измерительные и генерирующие электроды. Включают измерение pH и
перемешивают раствор воздухом, очищенным от углекислого газа, до полного
удаления его из раствора (pH становится постоянным). Не прекращая продувки
воздухом, в ячейку вносят точно по 1,00 см3 анализируемого продукта и после
стабилизации значения pH включают источник стабилизированного тока.
Титрование ведут до полной нейтрализации. Результаты титрования (pH – t)
заносятся программой ПК в таблицу с интервалом в 3 секунды. С помощью
программного пакета Mathcad 2001i Professional по полученным результатам
строят график зависимости pH от времени t, находят время, затраченное на
титрование, и определяют концентрацию кислоты (сумму титруемых кислот),
моль/дм3.
При
необходимости
найденное
значение
концентраций
пересчитывают на размерность, требуемую по стандартам (таблица 1).
36
При анализе объектов с низким содержанием кислот объем пробы на одно
титрование согласно стандартизированным методам равен 100 см3, что для двух
параллельных определений требует достаточно большого объёма объекта.
Чтобы показать возможность титрования растворов с небольшим содержанием
кислот (опыты на примере с уксусной и муравьиной кислотами, рисунок 4),
поступали следующим образом. Одновременно в три ячейки для титрования
помещали 50 см3 пробы. Добавляли навеску сухой соли хлорида щелочного
металла (2,9 – 3 г для хлорида натрия) до её концентрации в ячейке 1 моль/дм3
(этот приём позволил исключить разбавление анализируемого раствора),
перемешивали магнитной мешалкой или воздухом, свободным от двуокиси
углерода, до полного растворения соли. Продолжая перемешивание, включали
регистрацию pH и источник тока. Так как при использовании трёх каналов
регистрации наблюдалась задержка сигнала от каждого последующего сигнала,
то запись текущих значений pH проводили с интервалом в три секунды.
Отсюда
следует
неопределенность
в
точности
измерения
количества
электричества, равная t∙100/tк, %, где t  время задержки сигнала, tк – время,
затраченное на титрование до точки эквивалентности. При t = 3 с и tк = 1000 с
относительная погрешность равна 0,3%.
Концентрацию уксусной и муравьиной кислот определяли по формуле
c
i  t k  1000
,
F V
(3)
где c – концентрация кислоты, моль/дм3;
i – сила тока, А; tk – время, затраченное на титрование, с;
F – число Фарадея, 96500 Кл/моль;
V – объём анализируемой пробы, 50 см3.
При расчете концентраций учитывали разбавление пробы.
На рисунке 6 приведены кривые титрования образцов яблочного сока (а)
37
и безалкогольных напитков: пепси-колы (б), фанты (в) и спрайта (г), взятых в
торговой сети. Титрование проводили током 0,020 А в трёхзвенной ячейке.
Результаты титрования (расчет кислотности) приведены в таблице 1. Так как по
требованиям национального стандарта [72] кислотность (x) в безалкогольных
напитках определяют объёмом гидроокиси натрия с(NaOH) = 1 моль/дм3,
израсходованным на титрование 100 см3 проанализированного продукта, в см3,
то данные столбца 2 из таблице 1 пересчитывали в соответствии с
требованиями стандартного метода [72] по формуле: x = c∙100 (столбец 3). Для
соков
в
соответствии
с
требованиями
стандартизированной
методики
титруемая кислотность рассчитывается на содержание превалирующей кислоты
(для яблочного сока – яблочная кислота) [73], однако для удобства сравнения
результатов анализа, полученных разными методами, показатели кислотности
приведены в единых единицах измерений согласно требованиям методики [71]
для всех образцов, включая яблочный сок, и представлены как объем раствора
гидроокиси натрия с(NaOH) = 0,1 моль/дм3, использованный на титрование
100 см3 пробы (таблица 1, столбцы 3 и 4). Как видно из таблицы 1, результаты,
полученные по новой методике, совпадают с результатами стандартных
методов. Следует отметить, что стандартный метод требует удаления
углекислого газа кипячением раствора и постоянного внесения поправки на
отклонение концентрации гидроокиси натрия от номинала. В нашем методе
двуокись
углерода
удаляется
продувкой,
а
концентрация
основания
определяется током генерации. Методика позволяет точно определять
кислотность в темноокрашенных напитках без ошибки оператора на
визуальную фиксацию перехода окраски индикатора.
Таким
образом,
нами
впервые
предложена
трехзвенная
электролитическая ячейка для одновременного исследования трех проб
методом непрерывного потенциометрического титрования кулонометрически
генерированным основанием, что повысило в три раза экспрессность анализа и
позволило
усовершенствовать
метод
с
использованием
обычной
кулонометрической ячейкой. Разработана методология эксперимента. Показана
38
возможность применения данной установки для определения кислотности вин,
соков и безалкогольных напитков одновременно в трёх пробах. В результате
анализа кривых титрования индивидуальных кислот, так и проб виноградных
вин, предложены специфические критерии, которые могут быть использованы
для оценки подлинности и качества готовой продукции.
Растворы кислот готовили из реактивов не ниже квалификации
ч.д.а. на бидистиллированной воде, хранящейся под слоем азота для
исключения попадания углекислого газа. Величину рН раствора в процессе
титрования кулонометрически генерированным основанием измеряли с
помощью анализатора жидкости стандартной точности (модели "Эксперт-0013(0.1)", "Эксперт-001-3(0.4)") в электрохимической ячейке, состоящей из
термостатированного стакана, лабораторного комбинированного pH-электрода
общего назначения марки ЭСК-10307. В ячейку помещались генерирующие
электроды (графитовый катод и серебряный анод) и с помощью источника
постоянного тока Б5 – 49 задавался необходимый ток генерации.
Массовые концентрации катионов щелочных и щёлочноземельных
металлов
и
аминокислот
определяли
методом
электрофоретического
разделения на приборе для капиллярного электрофореза «Капель-105» по
разработанным в ГНУ СКЗНИИСиВ методикам. Титруемую кислотность
в виноматериалах находили по ГОСТ Р 51621-2000 [79].
Математическую обработку экспериментальных данных проводили с
помощью персонального компьютера в математическом пакете Mathcad.
Одномолярный фоновый раствор хлористого калия готовили следующим
образом:
необходимую
навеску
KCl
квалификации
х.ч.
увлажняли
небольшим количеством соляной кислоты для разрушения карбонатов, затем
высушивали и прокаливали в муфельной печи до постоянного веса при
температуре 200 °С для удаления избытка HCl . Рабочий раствор готовили
непосредственно перед работой на дистиллированной воде, свободной от
углекислого газа. Раствор перемешивали воздухом, свободным от углекислого
газа. То, что в процессе титрования не происходило разбавления титранта,
39
упрощало расчёты и уменьшало вероятность влияния угольной кислоты. При
титровании в среде постороннего электролита с постоянной ионной силой
раствора коэффициенты активности находили по калибровке соляной
кислотой. В некоторых случаях вначале определяли смешанные константы, то
есть принимали в первом приближении, что
H   a   10


H
 pH
. Применяли
химически чистые кислоты.
Для подтверждения правильности сделанных выводов, в обсуждении
результатов диссертации, использованы справочные данные и работы других
авторов. Кроме того, при анализе ряда выдвинутых положений использованы
литературные данные по строению кристаллической решетки рассматриваемых
кислот.
Для
автоматизации
опытов
была
использована
экспериментальная
установка как для разового потенциометрического титрования одной пробы, так
и для одновременного титрования нескольких проб с кулонометрической
генерацией основания.
Комплекс кулонометрического титрования кислот с автоматической
записью
кривых
титрования
создан
на
базе
анализатора
жидкости
«ЭКСПЕРТ-001», персонального компьютера, источника стабилизированного
тока и специальной ячейки.
Ячейка состоит из серебряного анода и графитового катода, в ней нет
диафрагмы, разделяющей катодное и анодное пространство. На аноде
выделяется осадок хлорида серебра, который выполняет роль диафрагмы, а на
катоде - газообразный водород, препятствующий поглощению углекислого
газа
из
воздуха
раствором. Именно
такая
конструкция
значительно
увеличивает точность титрования. Мы добились относительной погрешности
0,2%, что ниже капельной ошибки. Электролиз ведётся до появления четкого
скачка рН на кривой титрования, записываемой прибором. Для регенерации
анода необходимо погрузить его на ночь в разделённый диафрагмой стакан,
заполненный раствором хлоридом натрия, подкисленным 1 моль/дм3 HCl . В
одну из камер помещали пластинку цинка, в другую серебряный анод и
40
замыкали электроды. Чтобы показать возможность титрования растворов с
небольшим содержанием кислот (опыты с уксусной и муравьиной кислотой)
поступали следующим образом. В ячейки для титрования помещали 50 см3
пробы и добавляли навеску сухой соли хлорида щелочного металла до его
концентрации в ячейке 1 моль/дм3 (этот приём позволил исключить разбавление
анализируемого раствора) и перемешивали магнитной мешалкой или воздухом,
свободным от двуокиси углерода, до полного растворения соли. Включали
перемешивание, регистрацию рН и источник тока. Так как при использовании
трёх каналов регистрации наблюдается задержка сигнала от каждого
последующего сигнала, то запись текущих значений рН проводили с
интервалом в три секунды. Отсюда следует неопределенность в точности
измерения количества электричества примерно равная  t100/tk, %. Здесь  t 
время задержки сигнала, tk  время, затраченное на титрование до точки
эквивалентности. При  t =3 с и tk = 1000 с ошибка равна 0,3%.
Проведено титрование ряда неорганических и органических кислот в
модельных смесях и реальных объектах.
Установка работает стабильно при значениях тока от 0,1 до 50 мА.
Методика позволяет практически исключить влияние диоксида углерода, в то
время как при обычном титровании кислот, точность определения осложняется
трудностью получения раствора основания, не содержащего карбонатов,
образующихся при поглощении углекислого газа из воздуха. Ниже будет
показано, что ввиду высокой информативности кривой титрования можно
отделить область влияния углекислого газа. Существенным преимуществом
предлагаемого способа является исключение разбавления раствора титрантом.
Кроме того, результат дает детальную информацию об экстремальных
участках кривой титрования, что позволяет интерпретировать механизм
изучаемого процесса.
41
2.2
Структура димеров монокарбоновых кислот в водных растворах
Изучению
структуры
димеров
органических
кислот
посвящено
множество работ 73, 74, 75, 76, 77.
В целях совершенствования метода по определение суммы минеральных
и органических кислот, предложенного в работе 66, нами был проведён
анализ природы водородных и межмолекулярных связей димеров уксусной
кислоты в водных растворах.
Установлено, что в процессе титрования при переходе кислоты в её
среднюю соль происходит образование димера, что приводит к стабилизации
протона и затрудняет его последующую диссоциацию 81.
Теории водородной связи и возможности её образования в растворах
карбоновых кислот посвящено немало работ. Кристаллические структуры и
состояние карбоновых кислот в газовой фазе довольно хорошо изучено 73; 76;
77; 116, построены кривые распределения молекулярных и ионных форм при
титровании, рассмотрены причины устойчивости димеров уксусной кислоты в
водных растворах, приведены доказательства существования димерной формы
уксусной кислоты в жидкой фазе, а также было доказано, что одноосновные
органические кислоты, а также и их соли, существуют в водных растворах в
виде
димеров
и
последовательно
титруются
по
двум
степеням
как
двухосновные, приведено математическое описание данной модели, проведён
её анализ [80]. Следует отметить, что авторы работы [102 на основании данных
ИК – спектроскопии по исследованию растворов уксусной, щавелевой и
лимонной
кислот
проишли
к
выводу,
что
эти
кислоты,
даже
в
сильноразбавленных растворах, находятся в виде димеров., ИК  спектры
кислот, полученные авторами в работе 102 приведены на рисунках 7-9.
42
Рисунок 7  ИК-спектр уксусной кислоты 102
Рисунок 8  ИК-спектр щавелевой кислоты [102
Рисунок 9  ИК-спектр лимонной кислоты кислоты 102
43
На основе полученных в работе 102 ИК-спектрах авторы предположили,
что в водных растворах уксусная, щавелевая и лимонная кислота образует
циклические димеры, так как в ИК-спектрах водных растворов этих кислот не
было идентифицировано характеристических полос поглощения валентных
колебаний свободных гидрокси- и карбонильных групп, которые участвуют в
водородном связывании между собой [102. Наличие небольшого пика в
области 3500 см–1 на ИК-спектре водного раствора щавелевой кислоты,
очевидно связано с наличием свободных гидрокси- и карбонильных групп, что
свидетельствует о линейной структуре димера щавелевой кислоты.
Далее нами на основании литературных данных и анализа кривых
титрования [81; 82; 83; 84; 85; 86; 87; 88; 89; 102] было принято, что HCOOH и
CH 3COOH , а также и их соли существуют в водных растворах в виде димеров
и
последовательно
титруются
по
двум
степеням
как
двухосновные.
Математически данная модель описывается следующим образом.
Схема последовательной ионизации димерных форм кислоты:


H
H
H 2 A2 
 HA2 
 A22 .

 
CHA 2 H 2 A2   HA2  A22
–
материальный
баланс
по
частицам
кислоты;
H  Na  K H  HA  2 A  – правило электронейтральности;




2
w
 
Ka1  H  HA2
2
2
 H A  – выражение для первой константы диссоциации;
2
2
   HA  – выражение для второй константы диссоциации.
Ka2  H  A22
 

2

 
Пусть H   Na   K w H   B, тогда
44

 
 
CHA 2  HA2  H  Ka1 1 Ka2 H  ,


 
B  HA2 1  2Ka2 H   .
  

  и решения
Посредством замены Y  CHA 2 B  c 2 H   Na   Kw H 
приведённых выше уравнений получено в [81] окончательное уравнение
второго порядка:
H 
 2
 
 
 Y H  Ka1  H  Ka1  2 Ka1 Ka2Y  Ka1 Ka2  0.
(4
На основании того, что функция Y линейно зависела от концентрации
ионов водорода, в работе [81] было доказано, что уравнение (4) распадается на
пару прямых, если
Ka1  4 Ka 2 .
Действительно, замена
Ka2 .
на
Ka1 ,
преобразует уравнение (4) к виду (5), а после его упрощения – к виду (6):
 
 
2YKa1 (2 H   Ka1 )  (2 H   Ka1 ) 2 ,
(5
 
(6)
2YKa1  2 H   Ka1 .
 
Следует отметить, что при Y 1, Ka1  2 H  , поэтому Ka  Ka1 2  2 Ka 2 .
Здесь Ka – константа ионизации, вычисляемая по классической теории, для
монокарбоновой кислоты. Формально уравнение (6) описывает процесс
нейтрализации слабой кислоты с помощью одной константы, но ионизация до
точки полунейтрализации протекает значительно сильнее, чем после её
прохождения ( Ka1 : Ka 2 =1:4). В исходном димере слабой кислоты оба
карбоксильных протона связаны в кольцо посредством водородных связей. В
этом кольце каждый из протонов связан валентной связью с однозарядным
атомом кислорода и водородной связью с другим атомом кислорода. При
45
оттитровывании первого протона оставшийся протон связан более прочной
связью, так как находится между двумя отрицательно заряженными атомами
кислорода, а эта связь значительно прочнее, чем предыдущая (теория и
эксперимент показывает, что в 4 раза). Этот процесс можно изобразить схемой,
показанной на рисунке 10.
Рисунок 10  Схема диссоциации димера уксусной кислоты
Аниону (II) соответствует кислая соль (III), образующаяся при
смешивании в эквимолярном соотношении ледяной уксусной кислоты и
безводного ацетата натрия.
Данная форма (III), так называемая, кислая соль C2 H 3O2 NaC 2 H 4 O2
(Villiers) [92] образуется с выделением тепла и представляет собой
кристаллическое вещество. При нагревании она плавится и только выше 200 °С
разлагается, выделяя уксусную кислоту и оставляя среднюю соль. Авторы [83]
считают, что при растворении в воде она полностью разлагается на свои
компоненты. Однако этому противоречит то обстоятельство, что при
электролизе средней соли, как показал Кольбе [92], происходит образование
этана, угольной кислоты и водорода:
H2O + C2H6C2O3 = Н2 + [2CO2 + C2H6].
46
Реакция записана на основе рассуждений Кольбе. По современным
представлениям электролиз протекает следующим образом:
(CH3COO)2Na2 – 2e– = C2H6 + 2CO2 + 2Na+– реакция на аноде;
2H2О + 2e– = H2 + 2OH– – реакция на катоде;
(CH3COO)2Na2 + 2H2О = C2H6 + 2CO2 + H2 +2NaOH – суммарный процесс.
Стуктуры II и Ш обнаружены методом ионного циклотронного резонанса
(ИСР) [90] для ряда органических молекул. Как сказано в данной работе,
образование иона Н+ приводит к появлению ионов с массой М+ и появлению
ионов с массой (2М+1)+, в которых две молекулы сольватируют протон,
находящийся между ними. Между МН+ и М образуется сильная (25–40
ккал/моль) водород
-спектре метанола при
высоком давлении и большом времени нахождения в ячейке в метаноле
обнаружены следующие структуры [91]:
Важным доказательством существования димерной формы уксусной
кислоты в жидкой фазе является то обстоятельство, что в твёрдом состоянии и
в парах на линии кипения она димеризована и только при температуре выше
250 оС переходит полностью в мономерную форму [93]. Меняя температуру
пара, авторы [94] определили геометрические параметры мономеров и димеров
ряда карбоновых кислот (таблица 2).
Как следует из данных таблицы 2 образование водородных связей в
47
димерах карбоновых кислот сопровождается изменением расстояний углерод –
кислород. В мономерах r (С = О) близки к длинам соответствующих связей в
альдегидах и кетонах и могут рассматриваться как обычные двойные связи:
С =О. Длина связи С–О короче, чем в алифатических спиртах и эфирах
примерно на 0,06, и подобна расстоянию r (О–СН2) в метилвиниловом эфире,
где предполагается взаимодействие атома кислорода с двойной связью [93].
Таблица 2 – Геометрические параметры молекул мономеров и димеров
карбоновых кислот [94]
Параметр
Муравьиная кислота
Уксусная кислота
Пропионовая кислота
(ra)·1010, м
HCOOH (НСООН)2 СНзСООН (СН3СООН)2 С2Н6СООН (С2Н5СООН)2
C=O
1,217(3)
1,220(3)
1,214(3)
1,231(3)
1,211(3)
1,232(6)
C–O
1,361(3)
1,323(3)
1,364(3)
1,334(4)
1,367(4)
1,329(8)
O–H
0,984(24)
1,036(17)
—
—
—
—
Н2С–С
—
—
1,520(5)
1,506(5)
1,518(10)
1,518(10)
Н3С–С
—
—
—
—
1,543(10)
1,547(15)
О---Н – О
––
2,703(7)
—
2,68(1)
—
2,71(1)
122,8(0,5)
123,4(0,5)
122,1(0,8)
123,7(1,7)
110,6(0,6)
113,0(0,8)
111,2(0,8)
113,4(1,6)
OC=O
CCO
123,4(0,5) 126,2(0,5)
––
––
В димерах значения длины связей углеродкислород отличаются от
таковых, найденных в мономерах: r (С=О) немного длинее (кроме НСООН, где
изменения не выходят за пределы ошибок эксперимента), а r (С–О) значительно
короче, чем в мономерах. Изменения длин связей С–О и С=О в димерах
происходят за счет образования водородной связи. Влияние этого фактора на
связь С=О существенно меньше, чем на С–О, что может быть связано с
большей силовой постоянной двойной связи [93].
Из других различий в структурных параметрах мономеров и димеров
можно отметить удлинение r (О–Н) и увеличение – ОС=О в (НСООН)2 по
48
сравнению с НСОOН. Правда, большая ошибка в определении эффекта
удлинения r (О–Н) снижает значимость этого эффекта. Из этих данных следует,
что молекулы димерных форм занимают меньший объём, чем сумма двух
мономерных молекул. Возможно, что в жидкой фазе и в растворах происходит
дополнительное сжатие молекул и изменение их конфигурации. Следует
отметить, что протоны карбоксильных групп карбоновых кислот интенсивно
взаимодействуют с протонами воды, очевидно обмениваясь избыточной
энергией. В работе [81] приведены зависимости относительного химического
сдвига (  , м.д.) сигнала от протонов карбоксильных групп муравьиной и
уксусной кислот и их смеси. Зависимость  от мольной доли кислоты или
смеси кислот постоянного состава имеет вид плавных кривых. Химический
сдвиг сигнала от протонов карбоксильной группы в сторону слабого поля
уменьшается с увеличением концентрации воды и совпадает с сигналом от
протонов воды, т. е. в растворе нет раздельных сигналов от протонов чистой
воды и протонов карбоксильной группы кислоты. Последнее говорит о том, что
протоны воды и карбоксильных групп образуют сложные пространственные
структуры на основе водородных связей. Причём строение водородных связей
очевидно близко по структуре, чего нельзя сказать о спиртах. В спиртовом
растворе сигналы от протонов воды и гидроксильной группы этанола
фиксированы и наблюдаются раздельно. Увеличение концентрации влияет
только на величину сигнала. Кроме того, положение сигнала от спиртовой –OH
группы зависит от природы спирта. Так, в метаноле сигнал от этой группы
совпадает с сигналом (накладывается) от протонов воды и менее смещён в
сторону слабого поля.
+
Решив уравнение (6) относительно [H ], получим (7):
H    Y  1 2Ka .

1
(7)
С физической точки зрения уравнение (7) имеет смысл при условии, что
Y > 0,5. Но выражение (7) получено из решения квадратической функции (4),
49
следовательно, вторым корнем уравнения (4) будет следующее значение (8):
H  1 2  Y  Ka

(8)
1
Его значение тоже положительно, поэтому для вычисления текущих
+
значений [H ] можно использовать приведенное ниже уравнение (9):
2
 
1


H    Y    2 Ka1  .
2



(9)
+
При такой записи концентрация [H ] положительна на всем интервале
изменения значений Y . Из уравнения (9) видно, что концентрация ионов
водорода в любой точке кривой титрования описывается одной константой
Ka1 . Заменим её на величину классической константы Ka , численно равной
концентрации ионов водорода в точке полунейтрализации кислоты. Учитывая,
что Ka  Ka1 2 , получим следующее выражение:
 
1


H    Y    2 Ka 
2


2

(10)
Покажем, как с помощью уравнения (10) можно построить кривые
распределения
различных
частиц
анализируемой
кислоты
от
степени
нейтрализации – x. Здесь х  отношение суммы эквивалентов добавленного
основания и определяемого количества ионов водорода к концентрации, взятой
для титрования димера кислоты; с=сHA  концентрация мономера.
KW
1 [H  ]

x= 
; – определение степени нейтрализации димерной
Y 2  c 2  c  [H  ]
формы кислоты;
50
[H2A2] =
c
; – концентрация нейтрально-заряженного
2  4 K a /[ H  ]  2  K a2
димера;
[HA2–] =
[A22–] =
c
; – концентрация одно-зарядного димера;
[H ] / K a 2  K a /[ H  ]

c K a
2  [H  ]2 / K a 4  [H  ]  2 K a
; – концентрация двух-зарядного
димера.
Зависимость распределения молекулярных и ионных форм димеров
уксусной кислоты от степени ионизации представлена на рисунке 11, на
котором условию x < 0 отвечает наличие сильной минеральной кислоты,
следует отметить, что она полностью подавляет диссоциацию уксусной
кислоты при условии, что на каждый моль карбонильного кислорода
приходится моль протонов сильной кислоты. Это объясняет проявление слабых
щелочных свойств уксусной кислоты по отношению к минеральным кислотам в
безводных растворах. Анализ зависимости распределения различных частиц,
показанной на рисунке 12, от исходной концентрации уксусной кислоты
выглядит следующим образом: при с ~ 1·10–5 моль/дм3 доминирует частица
[HA2–], а концентрации частиц [H2A2] и [A22–] примерно равны. Увеличение
концентрации уксусной кислоты приводит к росту концентрации нейтральной
формы
и
снижению
моно-
и
билигандных
форм. При
уменьшении
концентрации уксусной кислоты ниже 1·10–5 моль/дм3 происходит увеличение
степени диссоциации. Однако даже при концентрации 1·10–7 моль/дм3 полной
диссоциации не происходит, что видно из рисунка 12. Дальнейшее уменьшение
концентрации не имеет смысла, так как концентрация уксусной кислоты
становится меньше концентрации ионов гидроксония, образующихся за счёт
диссоциации молекул воды. Данное наблюдение позволяет сделать вывод о
том, что димеры уксусной кислоты не распадаются на молекулы, что
существование мономеров привело бы к значительно большей степени
диссоциации. Данные расчеты согласуются как с нашими результатами, так и с
51
данными по электропроводности, приведенными на рисунке 13.
Рисунок 11  Зависимость распределения молекулярных и ионных форм
димеров уксусной кислоты от степени ионизации (расчёт сделан для уксусной
кислоты с концентрацией на мономер 0,001моль/дм3; Ка = 1,75·10-5 моль/дм3).
1– [H2A2]; 2– [HA2–]; 3 – [A22–]
Здесь х  отношение суммы эквивалентов добавленного основания и
определяемого количества ионов водорода к концентрации взятого для
титрования димера кислоты; с = c(HA) – концентрация мономера.
52
Рисунок 12 – Распределение частиц: 1– [H2A2], 2– [HA2–], 3 – [A22–] с ростом
концентрации уксусной кислоты (расчёт сделан для чистой уксусной кислоты с
разной концентрацией на мономер; Ka = 1,75·10–5 моль/дм3)
Рисунок 13 – Зависимость концентрации ионов водорода от
концентрации уксусной кислоты. Сплошная кривая – расчёт по уравнению (10),
точки – справочные данные по электропроводности
53
Полученные данные могут быть использованы для изучения механизмов
возможностей кулонометрического титрования для определения общего
количества органических и минеральных кислот в продуктах (в т.ч. винах и
виноматериалах), а также они имеют важнейшее значение для изучения
природы процессов проходящих при титровании органических кислот, что в
свою очередь может быть использовано для разработки и совершенствования
методов для оценки качества и идентификации сырья и продукции
винодельческой и другой промышленности.
2.3
Протолитические равновесия в водных растворах при образовании
объёмных бициклов некоторых многоосновных органических кислот
Известно, что янтарная кислота является одной из важнейших кислот,
участвующих в биохимических процессах при созревании пищевого сырья, в
частности, винограда. Массовая концентрация янтарной кислоты в готовых
винах может колебаться от следов до 1 г/дм3 и выше. Так как янтарная кислота
оказывает благотворное влияние на организм человека, являясь важным
микронутриентом в физиологии питания, то актуальным вопросом является
создание
современной
технологии
производства
вина,
позволяющей
накапливать в готовом продукте максимальную концентрацию данной кислоты.
Поэтому необходимо изучить поведение и свойства янтарной кислоты и её
солей в водных растворах.
На
основании
потенциометрического
метода
определения
суммы
органических и минеральных кислот с кулонометрической генерацией
основания, предложенного в работах [95; 96], нами были изучены ионизация и
строение димеров янтарной кислоты в водных растворах [97; 98].
Ранее в работах [99; 100; 101; 102; 103; 104; 105; 106; 107] было показано,
что щавелевая, малоновая и янтарная кислоты и другие кислоты титруются как
димеры с четырьмя кислотными протонами. Щавелевая кислота представляет
54
собой линейный димер, в центре которого находится циклическая форма из
двух карбоксильных групп, связанных двойной водородной связью. Оказалось,
что концевые карбоксильные группы, не связанные в циклы, очень легко
диссоциируют. Малоновая кислота представляет собой димер, который
титруется по двум ступеням. Очевидно, что центр димера представляет собой
также кольцо из карбоксильных групп, а концевые карбоксильные группы, в
отличие от щавелевой кислоты, частично замкнуты во второе кольцо. Это
кольцо непрочно, но усиливается по мере оттитровывания одного из четырех
протонов. В работе [108] сделан вывод о том, что при удалении одного из
протонов
второй
протон
начинает
взаимодействовать
с
четырьмя
кислородными атомами, что и приводит к упрочнению кольца. Янтарная
кислота титруется по четырём ступеням с примерно равными по силе
константами диссоциации 109. На основании этого авторами [108] сделан
вывод, что её димер представляет собой объёмную кольцевую структуру,
ионизация которой протекает в соответствии со схемой, представленной на
рисунке 14.
O
O
CH2
CH2
O
O
O
H O
H O
CH2
H O
H O
CH2
O
CH2
CH2
O
O
H
O
O
CH2
H O
H O
CH2
O
O
CH2
CH2
O
O
H
O
O
CH2
H
O
O
O
O
CH2
O
O
CH2
CH2
O
O
CH2
H
O
O
CH2
Рисунок 14 – Схема строения бициклических димеров янтарной кислоты
и её анионов, образующихся при последовательном удалении протона
Для обоснования существования янтарной кислоты и её солей в водных
растворах в виде бициклических димеров нами был проведён сравнительный
анализ
механизмов
ионизации
янтарной,
иминодиянтарной
и
этилендиаминодиянтарной кислот в процессе титрования.
Приведём методику эксперимента. 20 см3 раствора, содержащего
1,000 моль/дм3 янтарной кислоты и 1 моль/дм3 азотнокислого натрия (для
55
поддержания постоянной ионной силы раствора), титровали 1,081 моль/дм3
гидроокиси натрия. Кривая титрования приведена на рисунке 15.
Рисунок 15 – Кривая титрования 1,000 моль/дм3 янтарной кислоты в 1 моль/дм3
азотнокислого натрия 1,081 моль/дм3 раствором гидроокиси натрия
Как видно из рисунка 15, кривая титрования непрерывна на всём
интервале, носит S – образный характер, на ней отсутствуют скачки,
отвечающие ступенчатой диссоциации. На рисунке 15: x – мольная доля
основания, отнесённая к молю титруемой кислоты, с учётом разбавления
раствора в процессе титрования.
Доказательство схемы 1 проведём, проделав следующие расчёты.
Первый расчёт. Исходная кислота находится в мономерной форме и
диссоциирует по схеме (здесь и далее опущены квадратные скобки и заряды
частиц, A – анион янтарной кислоты, H – ион гидроксония, в дальнейшем 
протон):
H2A→HA→A.
Введём
следующие
определения:
константа
диссоциации по первой ступени Ka1 = H·HA/H2A; константа диссоциации по
второй ступени Ka2 = A·H/HA; материальный баланс по частицам кислоты (с
56
 общая концентрация янтарной кислоты с учётом разбавления в процессе
титрования)
с
=
H2A+HA+A
=
(H2/Ka1.Ka2+H/Ka2+1)A;
правило
электронейтральности H+Na – Kw/H = HA + 2A = A(H/Ka2+2). Совместным
решением приведённых выше формул получим уравнение прямой (11:
y = Ka1.Ka2z + Ka1
(11
В уравнении (11): y = H(H+Na – Kw/H)/(c–H–Na + Kw/H);
z =(2c– H–Na+Kw)/H(c–H–Na + Kw/H). Вид этой зависимости близок к
прямой и приведён на рисунке 16.
Рисунок 16 – Проверка уравнения (11)
Эта зависимость построена по данным кривой титрования, показанной на
рисунке 15. По наклону зависимости (11) находим произведение Ka1.Ka2, путём
экстраполяции методом наименьших квадратов к отрезку на оси y при x = 0
определяем Ka1. Таким образом, Ka1= 7,10·10–5 моль/дм3, Ka2 = 2,04·10–5
моль/дм3.
Несмотря на то, что кривая на рисунке 16 близка к прямой (коэффициент
57
линейной регрессии R2 = 0,997), у неё есть свои особенности. Координаты
первых точек (от момента начала титрования) возрастают вначале нелинейно
(это хорошо видно на увеличенной области), затем увеличиваются по прямой,
достигают максимума в точке
полунейтрализации. После достижения
максимума эти точки уходят в отрицательную область, из которой снова
начинают нарастать, стремясь к координатам первой точки, но не достигают её.
Следовательно, данная прямая фактически является кривой более высокого
порядка, что позволило нам перейти к анализу второй схемы. Отметим, что
подобная картина наблюдается и при описанной выше обработке данных по
титрованию янтарной кислоты, приведённых в [100].
Второй расчёт. Исходная кислота находится в димерной форме и
диссоциирует по схеме: H4A2→H3A2→H2A2→HA2→A2, которая описывается
четырьмя
константами
равновесия:
Ka1=H3А2∙H/H4A2,
Ka2=H2A2∙H/H3A2,
Ka3=HA23∙H+/H2A2, Ka4=L2∙H/HA2; уравнениями материального баланса по
водороду: H+2∙с∙x–Kw/H=4A2+3∙HA2+2∙H2A2+H3A и кислоте:
c/2=A2+H A2+H2A2+H3A2+H4A2.
Объединением функций получим решение в виде (12):
(Y–4)∙Ka3∙Ka4/[H+]2+(Y–3)∙Ka3/[H+]+(Y–1)∙[H+]/Ka2+Y∙[H+]2/Ka1∙Ka2= 2 – Y. (12)
Здесь и ниже равновесные концентрации взяты в квадратные скобки, x 
мольная доля основания к концентрации исходной кислоты.
В
работе
[100]
анализом
уравнения
(12)
было
доказано
и
экспериментально проверено, что Ka1 = 3Ka2 и Ka3 = 3Ka4, поэтому уравнение
(12) можно привести к виду (13):
(Y–4)∙Ka32/[H+]2+3(Y–3)Ka3/[H+]+3(Y–1)[H+]/Ka2+Y[H+]2/Ka22=6–3Y,
(13
Уравнение (13) легко решить следующим образом. Строим зависимость
рН от Y (рисунок 17). Находим pH и соответствующую ему концентрацию
58
ионов водорода в трёх точках Y = 1, 2 и 3 и определяем величины Ka2=[H+]1/–
[H+]22/[H+]1 и Ka4=(–1)[H+]3/3.
Рисунок 17  Определение значений pH
при Y = 1, 2 и 3 (+). По данным рисунка 15
Надёжность полученных констант определяем по расхождению текущих
значений A2, которые рассчитываем по формулам 14, (15:
[A24–] = {[H+]+2∙с∙x–Kw/[H+]}/{4+9∙[H+]/Ka3+6∙[H+]2/Ka32+3[H+]3/Ka2∙Ka32};
(14
[A24–] = c/{2+6[H+]/Ka3+ 6[H+]2/Ka32+ 6[H+]3/Ka2Ka32 +18[H+]4/Ka22Ka32}.
(15
Для
янтарной
кислоты
получены
следующие
величины
константы
диссоциации: pKa1 == 3.381; pKa2 = 3.983; рKa3=4.611; рKa4=5.213.
Сравнение значений [A24–], рассчитанных по уравнениям (14) и (15),
приведены на рисунке 18, а на рисунке 19 дан анализ ошибок.
Изменение энергии Гиббса (ΔG0) при переходе от равновесия по первой
ступени к равновесию по второй RTln(Ka1/Ka2) = 2.722 кДж, от второй к третьей
RTln(Ka2/Ka3) = = 3.583 кДж, от третьей к четвёртой RTln(Ka3/Ka4) = 2.722 кДж.
Величины этих энергий сопоставимы с аналогичной величиной для уксусной
59
кислоты.
Рисунок 18  Сравнение значений [A24–], рассчитанных по уравнениям:
(14) – х и (15)– □. Сплошная линия – среднее
Рисунок 19  Распределение относительных ошибок текущих значений [A24–] (х,
□), и доверительный интервал: 2– среднее значение, 1– верхний предел, 3– нижний
предел
60
Расчёт ошибок проводим по формулам (16) и (17):
i 
Li  Li 2
Li
(16)
,
 i
Sx 
(17)
n  1n
где δi – точечная оценка погрешности;
Sx – среднее квадратическое отклонение;
n – число точек на экспериментальной кривой,
L – среднее значение из двух текущих величин [A24–], рассчитанных по
уравнениям (14) и (15), L– одно из текущих значений [A24–].
Доверительный интервал рассчитан по уравнению (18):
n

 i
i 1
n
 S x  ta
(18)
где tα = 2 – критерий Стьюдента при n =36 и P = 0,95;
Δ – доверительный интервал.
Анализ данных показал, что на всём изученном интервале величина S x  ta
не превышает 5% от текущих значений δi.
Важным
доказательством
циклической
димерной
форме
диссоциации
янтарной
с
существования
является
данными
по
янтарной
сравнение
кислоты
величин
в
констант
этилендиаминодиянтарной
и
иминодиянтарной кислотам, взятыми из литературных источников. Рисунок 20
построен по нашим данным и по данным Толкачевой Л.Н. [110].
61
Рисунок 20 – Кривые титрования кислот: 1 – янтарной (расчёт на димерную
форму); 2 – этилендиаминодиянтарной; 3 – иминодиянтарной. (ионная сила I = 1
(KNO3)) [110]
Ниже приведём анализ данных, представленных на рисунке 15 и в работе
[110], косвенно подтверждающих димеризацию янтарной кислоты в водных
растворах. При анализе кривых титрования димерных форм янтарной,
этилендиаминодиянтарной,
иминодиянтарной
кислот
видно,
что
они
значительно отличаются друг от друга. Янтарная кислота титруется монотонно,
вплоть до конца титрования. На интервале 0<x<2 значения pH лежат
значительно выше, чем у остальных кислот, а на интервале 2<x<4 –
значительно ниже. Этилендиаминодиянтарная кислота титруется в три ступени,
причём на 1-й стадии расходуется два эквивалента основания, на 2-й и 3-й – по
одному. Последний скачок не выражен, так как титрование происходит в
сильнощелочной среде. Иминодиянтарная кислота титруется непрерывно на
интервале 0<x<3, затем наблюдается скачок pH при x > 3, далее кривая
переходит в щелочную область и плавно повышается. При x > 4 скачка не
обнаружено, так как по нашим наблюдениям, если предшествующая ступень
диссоциации лежит в сильнощелочной области, то скачок на следующей
ступени отсутствует. Автор предполагает наличие циклических продуктов,
62
блокирующих последующую ионизацию.
Такие процессы могут протекать при стоянии готовых растворов
комплексонов. Пренебрежение возможностью циклизации могло явиться одной
из причин несогласованности констант диссоциации, полученных разными
авторами. Эти процессы также снижают координационную способность
иминодиянтарной
кислоты
и
образующихся
комплексов.
диссоциации
димера
приводят
Для
к
уменьшению
сравнения
янтарной
кислоты,
устойчивости
ступенчатые
константы
иминодиянтарной
и
этилендиаминодиянтарной кислот приведены в таблице 3.
Таблица
3

Отрицательные
логарифмы
концентрационных
и
термодинамических ступенчатых констант кислотной диссоциации
pKai
Димер
Иминодиянтарная
Этилендиаминодиянтар-
янтарной
кислота [110], 298К;
ная кислота [110], 298К;
кислоты, 298К;
I=0,8
I=1,0
I=1,0
Наши данные
рKa1
рKa2
рKa3
рKa4
3,381
3,16 ± 0,20
3,983
2,89 ± 0,12
4,611
4,49 ± 0,10
5,213
11,42 ± 0,08
3,03 ± 0,07 [110]
3,28 [111]
3,88 ± 0,05 [110]
3.81 [111]
6,89 ± 0,04 [110]
6,65 [111]
10,03 ± 0,03 [110]
10,10 [111]
Для обоснования существования лимонной кислоты в водных растворах в
виде димеров нами был проведён анализ механизма её ионизации.
63
Кривая титрования раствора лимонной кислоты, полученная методом
потенциометрического титрования с кулонометрической генерацией основания,
представлена на рисунке 21.
Рисунок 21 – Кривая зависимости изменения pH от времени электролиза.
Титрование 50 см3 6,025∙10–4 моль/дм3 лимонной кислоты в 1,0 моль/дм3
растворе KCl, током i =10 мА
Из кривой титрования лимонной кислоты на рисунке 21 видно, что
изменение рН от времени электролиза (t,с), (t – эквивалентно добавлению
щёлочи), представляет собой гладкую, монотонно возрастающую функцию, на
которой не наблюдается никаких скачков. Лимонная кислота является
трёхосновной и судя по литературным данным по константам диссоциации
[112] должно наблюдаться хотя бы два скачка титрования, если протоны
титруются последовательно. Однако их нет даже при титровании достаточно
концентрированных растворов (с < 0.1 моль/дм3).
Для объяснения этого эффекта нами была предложена модель, основанная
на том, что лимонная кислота в растворах находится в димерной форме.
Структурная формула димера лимонной кислоты, построенная с помощью
64
программы HyperChem, изображена на рисунке 22.
Рисунок 22  Структурная формула димера лимонной кислоты
Эта модель может быть описана следующими уравнениями.
Материальный баланс по частицам кислоты, рассчитан по формуле (19):
c/2 = [H6A2] + [H5A2]– + [H4A2]2– + [H3A2]3– + [H2A2]4–+ [HA2]5– + [A2]6–;(19)
По формуле (20) рассчитаем условие электронейтральности:
[H]+ + [Na]+–Kw/[H]+ = B;
(20)
Далее, для упрощения выводов, заряды частиц и квадратные скобки
опущены.
Выражения для последовательных констант диссоциации:
65
Ka1 = H·H5A2/H6A2;
Ka2 = H·H4A2/H5A2;
Ka3 = H·H3A2/H4A2;
Ka4 = H·H2A2/H3A2;
Ka5 = H·HA2/H2A2;
Ka6 = H·A2/HA2.
Объединяя приведённые уравнения получим выражения (21) и (22):
A2 = c/2{H6/Ka1-6 + H5/Ka2-6 + H4/Ka3-6 +H3/Ka4-6 +H2/Ka5-6 + H/Ka6 + 1};
(21)
A2 = B/{H5/Ka2-6 + 2H4/Ka3-6 +3H3/Ka4-6 +4H2/Ka5-6 + 5H/Ka6 + 6}.
(22)
Пусть Y = 2B/c, тогда совместное решение уравнений (21) и (22)
приводится к виду (23):
{H5/Ka2-6 + 2H4/Ka3-6 +...+ 5H/Ka6 + 6} = Y{H6/Ka1-6 + H5/Ka2-6 + H4/Ka3-6 +
+ H3/Ka4-6 + H2/Ka5-6 +H/Ka6 + 1};
(23)
Анализ уравнения (23) в точках Y=1; Y=2; Y=3; Y=4; Y=5; показал, что
Ka1Ka2= H12; Ka2Ka3= H22; Ka3Ka4 = H32;
(24)
Ka1 Ka6 = Ka2 Ka5 = Ka3Ka4= H32 = a2;
(25)
Для сопоставления предложенной модели с экспериментом, по данным
рисунке 21 была построена зависимость рН от Y, приведённая рисунке 23. На
этом рисунке крестиками отмечены точки координаты, которых приведены в
таблице 4. По данным значениям рН с помощью матрицы, вид которой
приведён на рисунке были получены следующие величины констант
(таблица 5) по двум кривым титрования.
66
Рисунок 23  Данные для проверки уравнения (23) и его решений (по
данным рисунка 21)
Таблица 4  Координаты точек, отмеченных на рисунке 23
Y
1
1,3
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
рН 3,2904 3,601 3,728 4,019 4,28 4,54 4,81 5,085 5,3989 5,8518
Используя данные таблицы 4 и подставляя их в уравнение (23) были
получены шесть уравнений с координатами при Y=1,5; 2; 3; 3,5; 4 и 4,5. На
основе этих уравнений была получена матрица, решение которой позволило
найти последовательные константы ионизации димерной формы лимонной
кислоты, значения которых приведены в таблице 5.
67
Таблица 5  Константы ионизации лимонной кислоты
(c = 6,025∙10–4 моль/дм3; кулонометрическое определение на фоне 1,0 моль/дм3
KCl)
Константы
Прямое
ионизации,
определение
моль/дм3
Обратное
определение*
Среднее значение
Относительная
ошибка,%
Ka1
1,94∙10–3
1,51∙10–3
1,72∙10–3
12
Ka2
1,33∙10–4
1,13∙10–4
1,23∙10–4
08
Ka3
6,75∙10–5
7,14∙10–5
6,94∙10–5
03
Ka4
1,17∙10–5
1,23∙10–5
1,20∙10–5
03
Ka5
7,38∙10–6
6,23∙10–6
6,81∙10–6
08
Ka6
5,50∙10–7
4,30∙10–7
4,90∙10–7
*
Обратное определение проводили по формуле (25).
12
Для подтверждения предложенной в уравнении (23) математической
модели по полученным значениям констант были рассчитаны соответствующие
произведения между ними, которые сопоставлены с условиями (24) и (25)
(таблица 6). По соотношению между парами текущих значений констант
диссоциации рассчитаны изменения энергии Гиббса при последовательной
диссоциации протонов лимонной кислоты (таблица 6).
Таблица 6 – Проверка решения уравнения (23) и условий (24) и (25)
ΔG=RTln(Kai/ Ka(i+1))
Ka1 Ka2 2.121∙10–7
H12
2.625∙10–7
Ka1/ Ka2 14.011
6.541кДж
Ka2 Ka3 8.545∙10–9
H 22
9.162∙10–9
Ka2/ Ka3
1.772
1.418 кДж
Ka3 Ka4 8.326∙10–10
H 32
8.318∙10–10
Ka3/Ka4
5.791
4.352 кДж
Ka4Ka5 8.163∙10–11
H 24
6.761∙10–11
Ka4/Ka5
1.761
1.402 кДж
68
Продолжение таблицы 6
H 52
1.979∙10–12
Ka1 Ka6 8.453∙10–10 H 32
8.318∙10–10
Ka5 Ka6 3.338∙10–12
Ka2 Ka5 8.378∙10–10
H 32 8.318∙10–10
Ka3 Ka4 8.326∙10–10
H 32
8.318∙10–10
из
таблицы
Как
видно
описываются
предложенной
Ka5/Ka6
6,
13.886
6.519 кДж
экспериментальные
математической
моделью,
данные
что
хорошо
говорит
о
существовании лимонной кислоты и её анионных форм в виде димеров.
Довольно небольшим изменением энергии Гиббса в системе при переходе
от одной ступени диссоциации к другой, а также наличием шести констант
диссоциации объясняется монотонный вид зависимости pH от t на рисунке 21.
Для дополнительной проверки на основании полученных констант были
построены кривые распределения частиц [H6A2], [H5A2]–, [H4A2]2– , [H3A2]3–,+
[H2A2]4–,[HA2]5– , [A2]6– (рисунок 24) по уравнениям (21) и (22). Димерная форма
аниона [A2]6– лимонной кислоты не распадается на мономеры, так как скорее
всего образует прочную связь с водой.
На рисунке 24 сплошной линией обозначен расчёт по уравнению (22), а
точками по уравнению (21), как видно, эти значения практически совпадают,
что дополнительно подтверждает предположенную нами модель.
69
Рисунок 24  Кривые изменения относительной концентраций димерных
форм лимонной кислоты в процессе титрования.






H 5 A2 
H 4 A22  
H 3 A32  
H 2 A42  
HA52  
A62  

H 6 A2 
1
;2 
;3 
;4 
;5 
;6 
;7
.
cисх
cисх
cисх
cисх
cисх
cисх
cисх
Оценку достоверности результатов полученных по этим кривым
проводили по уравнению (26)
 H 3 A2  H 3 A2
i
i
si  
 H 3 A  H 3 A
2i
2i

2

 ,


(26
где si  дисперсия между парой текущих значений.
Зависимость si от x (степени нейтрализации в текущий момент времени)
показана на рисунке 25.
1
+
s
70
s
,
1.02
1
-
1
0.98
0
2
4
6
x
Рисунок 25  График зависимости дисперсии от степени нейтрализации в
текущий момент времени
Из рисунка 25 видно, что ошибка в расчётах по двум уравнениям не
превышает 2% для любой точки на кривой титрования. Таким образом,
проведённые исследования и их математическая обработка подтвердила
существование лимонной кислоты (в частности, для сильноразбавленных
растворов), как и ряда некоторых органических кислот [97; 102], в димерной
форме,
что
имеет
важнейшее
значение
при
разработке
методик
по
идентификации различных пищевых объектов.
Приведённые исследования положены в основу анализа кривых
титрования, полученных
в ходе определения
суммы
органических и
минеральных кислот потенциометрическим методом с кулонометрической
генерацией основания в целях идентификации подлинности вина (сока) 51; 52;
53.
71
3 Анализ экспериментальных данных и построение математической
модели
3.1 Анализ экспериментальных данных
Для проведения анализа с достаточной точностью, необходимо, чтобы
время титрования составляло 1015 минут. При проведении эксперимента
применено
одновременное
последовательно
и
использование
подключённых
трёх
ячеек,
одновременно
соединённых
к
источнику
стабилизированного тока. В каждую ячейку помещался серебряный анод и
платиновый или графитовый катод. Для измерения рН во все ячейки
погружали электроды (стеклянный и хлоридсеребряный). Стеклянный электрод
подключали к соответствующему каналу анализатора жидкости «ЭКСПЕРТ001», а хлорид-серебрянные, через специальный коммутатор, подсоединяли
к гнезду для электрода сравнения. Анализатор "Эксперт  001" подключали к
компьютеру. В ячейки помещали 50 см3 1,0 моль/дм3 хлорида щелочного
металла и аликвотную часть анализируемого раствора (1-2 см3). Чтобы
показать возможность титрования растворов с небольшим содержанием кислот
(например, опыты с уксусной и муравьиной кислотой) поступали следующим
образом [51; 52; 53].
В ячейки для титрования помещали 50 см3 пробы и добавляли навеску
сухой соли хлорида щелочного металла до его концентрации в ячейке 1
моль/дм3 и перемешивали магнитной мешалкой или воздухом, свободным от
СО2, до полного растворения соли. Включали перемешивание, регистрацию рН
и источник тока. Так как при использовании трёх каналов регистрации
наблюдается задержка сигнала от каждого последующего сигнала, то
регистрацию величин рН проводили с интервалом 3 секунды. Отсюда следует
неопределенность в точности измерения количества электричества примерно
равная  t · 100/tK,%. Здесь  t  время задержки сигнала, tk  время,
затраченное на титрование до точки эквивалентности, при  t =3c и tk = 1000 с.
72
Ошибка составляет меньше 0,3%. Результаты экспериментальных работ
представлены на рисунках 4, 6 [50; 51; 52; 53].
На рисунке 4 приведены кривые титрования трёх одинаковых по объёму
(50 см3 раствора кислоты + 2,9  3,0 г сухого NaCl) проб уксусной и трёх проб
муравьиной кислот в тех же условиях в трехзвенной ячейке, основанием,
генерированным током 10 мА [51; 52; 53].
Кривые
кулонометрического
титрования
получены
для
сильно
разбавленных растворов. Казалось, что это даст практически сразу же
возможность получить величины констант диссоциации мономерных
форм изучаемых кислот. Однако это не так. Рассмотрим это на примере
анализа средней кривой титрования уксусной кислоты. Справочное значение
константы ионизации уксусной кислоты Ка = 1,7510-5 [112]. Сравнение
средних значений рН (из данных рисунка 4 а) с рассчитанными величинами рН
по
данному
значению
Ка
для
концентрации
уксусной
кислоты
Ка = 1,199 моль/дм3 с применением общепринятого уравнения (27) [115]
приведено на рисунке 26а. На рисунке 26 показан расчёт константы ионизации
уксусной кислоты с применением наших данных.
 Ka
H 

2
 

K a2
 Ka  c ,
4
 
pH   lg H 
(27)
Рисунок 26 − (а) сравнение экспериментальной (1) и теоретически
рассчитанной кривых титрования (26), проверка уравнения (26); (б) расчёт
константы ионизации (К а ) по экспериментальным данным рисунка 4(а)
Из рисунка 26 видно, что реальная и расчётная кривые титрования
совпадают
только
добавленного
в
интервале
основания
к
степени
общей
нейтрализации
концентрации
(отношение
кислоты)
0,3-0,7.
Теоретическая кривая (2) на рисунке 26а показывает, что при данной
концентрации уксусная кислота должна диссоциировать в десятки раз сильнее,
чем это наблюдается в реальных условиях (кривая 1 рисунка 26а). Реальная
константа диссоциации (рисунок 26б) фактически не является постоянной, а
проходит через максимум, приближаясь к общепринятому значению при
степени нейтрализации, равной 0,5. Небольшое отличие можно объяснить тем,
что титрование проходило в среде 1,0 моль/дм3 раствора NaCl. Подобные
(кажущиеся) изменения величин констант ионизации для уксусной и
муравьиной кислот по мере титрования были проанализированы в работах [81;
82; 83; 84; 85]. Исходя из того, что в твёрдом состоянии и в парах уксусная и
муравьиная кислоты практически находятся в димерной форме авторы в
работах [81; 82; 83; 84; 85] предположили, что и в водных растворах они
74
существуют в димерной форме и, следовательно, могут диссоциировать и
титроваться как двухосновные по схеме:
K
K
a1  H   ( RCOOHOOCR )  
a 2  H   ( RCOO ( H O )OOCR ) 2
RCOO (2 H )OOCR 


(28)
2
Анализируя результаты титрования и предложенную схему (28), авторы в
работах [82; 83] пришли к выводу, что Ка1 = 4Ка2 и процесс титрования и
диссоциации описывается следующим кинетическим уравнением
Y = [Н+]/Ка1 + 1/2;
(29)
Здесь: Y = с/2([Н+]+ [Na+] - Kw/[H+]).
Зависимость (29) представляет уравнение прямой с наклоном, равным
1/Kat, и величиной отсекаемого на оси Y отрезка, равным 0,5.
Уравнение (29) хорошо описывает и данные наших экспериментов, что
видно из рисунка (27). По наклону прямых определены константы
диссоциации уксусной и муравьиной кислоты. Эти значения и их сравнение с
данными работ [81; 83; 84; 114] приведены в таблице 7.
75
Рисунок 27  Проверка уравнения (29). Зависимости построены по
усреднённым данным рисунка 4: а – уксусная кислота; б – муравьиная кислота;
1 – экспериментальные данные; 2 – данные, обработанные методом
наименьших квадратов
Таблица 7  Сравнительные данные по условиям эксперимента и найденными
константами диссоциации уксусной и муравьиной кислот
Условия опыта
Кислота
Концентрация,
Ионная сила,
моль/дм3
NaCl,
Ка1, моль/дм3
Данные
моль/дм3
Уксусная
(4.1-5.1)  10-5
1,19910-3
1,0
Муравьиная
1,71310-3
(2,4-3.2)  10-4
Уксусная
0,1
6,8 10-4
1,0
Муравьиная
0,1
3,2 10-4
из статьи
из ранних работ
76
Из таблицы 7 видно, что данные статьи близки к другим данным наших
работ, с учётом различия в условиях опыта, хотя и несколько ниже. Последнее
наблюдение возможно связано с тем, что по мере разведения степень ионизации
уменьшается. Эти результаты свидетельствуют о том, карбоксильные группы
связаны в кольцо связями более прочными, чем обычные водородные, и не
разрушаются под влиянием растворителя с образованием цепочечных и
других ассоциатов. Основным аргументом, подтверждающим то, что
растворы имеют ближний порядок, является размытая дифракционная
картина при отражении рентгеновского излучения, в отличие от дискретной
дифракционной
картины
для
кристаллического
состояния.
Проделаем
мысленный опыт. Направив поток рентгеновских лучей в определённую точку
раствора, получим конкретную дифракционную картину. Сдвинем источник
излучения и направим его в другую точку раствора  дифракционная картина не
изменится,
и
так
далее.
Следовательно,
в
любой
точке
жидкость
структурирована, но в отличие от твёрдых тел эта структура способна
изменяться под действием более слабых возмущений, чем возмущений,
необходимых для твёрдых тел. Кроме того, жидкость восстанавливает свою
исходную структуру после прекращения воздействий механических и
электромагнитных сил. В твёрдых телах электронная плотность, которая
рассеивает рентгеновское излучение, локализована в малых объёмах, а в
жидкости она более размыта.
3.2 Результаты исследования, их анализ и обсуждение
3.2.1 Обработка и оформление результатов измерений
Обработку результатов измерений выполняют, используя программное
обеспечение, входящее в комплект анализатора жидкости, персонального
компьютера с инструкцией по их эксплуатации.
77
На рисунке 28, изображенном ниже, на кривой титрования наблюдаются
четыре скачка pH. До первого скачка  фиксируется значения pH хлористого
калия. При добавлении образца виноматериала рН резко падает (ΔpH1) и
наблюдается первый скачок. Второй скачок (ΔpH2) появляется после включения
тока, за счёт поляризации раствора образуются направленные упорядоченные
структуры, что вызывает изменение потенциала на стеклянном электроде. При
выключении тока потенциал стеклянного электрода снижается на ту же
величину (ΔpH3). Эти скачки пропорциональны силе тока, протекающего через
раствор, и равны падению напряжения на участке между стеклянным и
хлорсеребряным электродами.
Рисунок 28  Кривая титрования пробы вина
На рисунке 28 t0 – время начала титрования; t1– время, прошедшее от
начала титрования до начала резкого изменения pH при приближении к концу
титрования; t2 – время завершения титрования. Время, использованное на
78
титрование, рассчитывается по формуле
tk  (t2  t1 ) 2  t0 .
(30)
Содержание суммы титруемых кислот, в пересчёте на винную,
определяется по формуле
m  i  t k  M (1 2 С4 H 6O6 ) ( F  v) .
(31)
где m – концентрация суммы титруемых кислот, в пересчете на винную,
полученная в ходе анализа, г/дм3;
i – ток электролиза, мкА;
t k – время электролиза;
M (1 2 С4 H 6O6 ) – молярная масса эквивалента винной кислоты, г/моль-экв.;
F – число Фарадея, 96500 кл/моль;
v – объём титруемой пробы образца, 1,00 см3.
За
окончательный
результат
определения
принимают
среднеарифметическое значение Xср, г/дм3 двух параллельных определений
массовой концентрации суммы титруемых кислот, полученных в условиях
повторяемости, если выполняется условие приемлемости:
X max  X min
100  r ,
X ср
(32)
где Xmax – максимальная массовая концентрация суммы титруемых кислот в
пробе, г/дм3;
Xmin – минимальная массовой концентрация суммы титруемых кислот в
пробе, г/дм3;
79
Xср –
среднее
значение
двух
параллельных
измерений
массовой
концентрации суммы титруемых кислот в пробе, г/дм3;
r – значение предела повторяемости (таблица), %.
Результат анализа представляют в виде
( X cp  ), при P=0,95, г/дм3
(33)
где Xср – среднеарифметическое значение двух определений массовой
концентрации суммы титруемых кислот в пробе, признанных приемлемыми,
г/дм3;

– границы абсолютной погрешности определения, г/дм3, при
доверительной вероятности Р=0,95.
Границы абсолютной погрешности () вычисляют по формуле

X
100
,
(34)
где  – границы относительной погрешности измерения, %;
Х – среднее арифметическое значение двух определений массовой
концентрации суммы титруемых кислот в исследуемой пробе, г/дм3.
3.2.2 Определение подлинности вина
Анализ форм кривых титрования для оценки качества продукции
приведён в нашей работе [5]. Рассмотрим предложенный приём на примере
титрования четырёх образцов вин, наименования которых приведены в
80
таблице 8, а кривые титрования представлены на рисунке 29.
Таблица 8  Наименование образцов вин
Порядковый
номер кривой
титрования на
рисунке 29
№1
№2
№3
№4
Наименование образца вина
вино виноградное географического наименования
сухое красное «Люсьен Риги», ур. 2009г
вино виноградное географического наименования
полусладкое белое «Люсьен Риги», ур. 2010г
вино виноградное сухое белое «Люсьен Риги
Шардоне», ур. 2009г
Вино виноградное столовое сухое розовое «Пино
нуар», ур. 2010г
Рисунок 29 – Кривые титрования образцов вин, представленных в таблице 8
Из рисунка 29 видно, что кривые титрования белых (2,3) и розового (4)
вин отличаются от аналогичной кривой для красного вина (1). Они начинаются
при более низком начальном значении pH0, то есть имеют более кислый вкус и
заканчиваются при более высоком конечном значении pH2. Значение pH2 в
81
винах всегда меньше, чем в модельных растворах винной и яблочной кислот.
Чем эта величина меньше, тем больше свободных аминокислот содержится в
вине (установлено нами отдельными опытами), следовательно, красные вина
содержат больше аминокислот, что хорошо согласуется с данными анализа
методом
капиллярного
электрофореза.
Величина
рH1
характеризует
соотношение между винной и яблочной кислотами; чем ниже pH1, тем больше
доля винной кислоты, что следует из сравнения данных для критических точек
(критериев), приведённых в таблице 9 и 10 (данные получены для кривых
титрования индивидуальных кислот).
Таблица 9 – Критические точки (критерии), рассчитанные по кривым
титрования вин из таблицы 8
с·103,
с/собщ,
моль/дм3
%
№
pH0
pH1
pH2
pH2–pH1
t1,c
t2,c
(t2– t1),c
1
3,634
4,924
9,064
4,140
498
753
255
1,551
71,43
2
3,449
5,071
9,420
4,349
553
720
167
1,327
81,56
3
3,449
5,072
9,420
4,348
564
716
152
1,327
82,25
4
3,338
5,150
9,418
4,268
764
970
206
1,971
81,25
Таблица 10 – Критические точки, рассчитанные по кривым титрования
модельных растворов индивидуальных кислот
Кислота
pH0
pH1
pH2
ΔpH2-1
t1,c
t2,c
Δt2-1,c
1.77
2.891
4.326
10.090
4.883
1720
1778
53
0.890
3.163
4.201
9.944
5.118
837
889
58
0.538
3.284
4.219
9.981
5.407
491
549
53
1.79
2.891
4.944
9.862
4.918
1692
1822
130
0.901
3.178
5.168
9.886
5.118
838
906
68
c·103,
моль/дм3
Винная
Яблочная
82
Продолжение таблицы 10
0.549
3.388
5.182
9.779
4.597
503
559
56
2.25
3.768
5.753
8.810
3.057
1061
1117
56
1.43
3.976
5.849
8.810
2.929
652
711
59
0.893
4.136
5.849
8.762
2.913
385
450
65
Лимонная
1.981
3.395
5.819
9.948
4.129
904
1020
116
Молочная
1.569
3.449
4.677
9.407
4.730
680
834
153
Уксусная
2.097
3.956
5.260
9.549
4.289
971
1042
71
Янтарная
Важным критерием является разность между t2 и t1, чем она больше, тем
больше разнообразие присутствующих кислот в вине, что видно из данных
таблиц 9 и 10. Анализ более 20 вин показал, что эта разность лежит в интервале
200-260 с для красных вин и 150-200 с для белых, что значительно больше, чем
на кривых титрования моделей (таблицы 9 и 10). Следует отметить, что при
искусственном моделировании вина и модельных смесей кислот эта разность
значительно меньше, что позволяет выявить долю подлинного вина,
добавляемого в винные напитки.
В таблице 9 дано соотношение с/собщ, которое получено следующим
образом. По данным рисунка 28 для кривой вина (1) построена зависимость h–
х, которая представлена на рисунке 31, где h – соотношение числа молей ионов
гидроксония к числу моль - эквивалентов суммы титруемых кислот в ячейке
(c), а x = 2t/(t2+t1); где t – текущее время; (t2+t1)/2 – время, пошедшее на
титрование до точки эквивалентности. На рисунке 31 эта часть кривой показана
сплошной линией.
83
Рисунок 30 – Кривая титрования вина (1) в координатах h – x
По
трём
точкам
(h0,
h0,25,
h0,5)
находятся
параметры
a
и
b
характеристического уравнения h(x) = h0 + ax + bx2, по которому
экстраполируется экспериментальная кривая из рисунка 31 до значения h(x) =
0,5 (данная часть кривой показана тонкой линией с точками). Это значение
принимает винная и яблочная кислоты при концентрациях, соизмеримых с
содержанием титруемых кислот в вине. На оси x находим величину отрезка a,
который пропорционален содержанию солевой части кислот в вине, а б
пропорционален содержанию титруемой части. Тогда, с/собщ= б 100 / (а+б), %.
Как видно из данных таблицы 9, соотношение с/собщ для розового и
белых вин больше, чем для красного, это связано с тем, что красные вина
получают брожением на мезге, из которой в процессе брожения в виноматериал
переходят катионы.
Таким образом, для виноградных вин выбраны специфические критерии
(таблица 9), которые можно использовать для оценки подлинности и качества
вин. Пример обработки кривых титрования для получения данных о
содержании суммы кислот приведён в приложении А.
84
3.2.3 Общее содержание катионов щелочных и щелочноземельных
металлов
Содержание металлов (см) в моль-экв./дм3 определяется по формуле:
см = (собщ – с)·(V+v).
(35)
m(K) = см· MK,
(36)
В пересчёте на калий:
где MK– молярная масса калия, г/моль.
По данным титрования определяют следующие критерии: mобщ, m, h0, Δt =
t2–t1, mо, ΔpH. Если все эти критерии вместе не выходят за значения
рекомендуемых диапазонов, приведённых в таблице 11, можно говорить о
подлинности и высоком качестве вина.
ω, %
70+10
80+5
h0
0.17+0.05
0.28+0.05
pH2
9.0+0.1
9.40+0.05
pH1
5.2+0.3 0
5.00+0.05
pH0
3.8+0.2
3.4+0.05
Δt,c
212+50
170+10
0.8+0.2 Летучая кислотность,
г/кг
0.9+0.2
Титруемая
кислотность, г/кг
4.6+0.5
7.0+2
c, моль/дм3
1.1+ 0.1
1.5+0.3
вино
Красное
Белое
вино
Таблица 11  Характерные критерии для высококачественных вин
85
Таблица 11 получена анализом 20 образцов красных вин и 12 белых,
получивших высокую дегустационную оценку.
3.2.4 Определение суммы аминокислот
Оценка суммарного содержания аминокислот в винах по виду кривых
потенциометрического титрования проведена на основании того, что в отличие
от кривой титрования винной кислоты (рисунок 31, кривая 10) кривые
титрования вин, приведённые на рисунке 31 (кривые 1-9) после достижения
точки эквивалентности выходят на плато при более низких значениях pH.
Рисунок 31  Сравнение кривых титрования сухих вин (1-9):
1 − Анапский ранний; 2 − Алиготе; 3 − Каберне-Совиньон; 4 −
Красностоп АЗОС; 5 − Достойный; 6 − Сацимлер; 7 − Литдар; 8 − Каберне
АЗОС; 9 − Гранатовый и 10 − винной кислоты (представлено по данным
работы [117])
Отдельными опытами было показано, что добавление соизмеримых
86
количеств глицина, валина, аланина, пролина к раствору минеральной или
винной кислот не мешает точному титрованию последних. Однако кривые
титрования чистой винной кислоты и с добавками аминокислот несколько
отличаются – начальное значение pH повышается с увеличением добавленного
количества аминокислоты, а интервал скачка титрования уменьшается. После
прохождения первого скачка титрования, pH медленно нарастает, но в
выбранных нами условиях (малый ток генерации основания) не наблюдается
второго скачка, который можно было бы связать с титрованием аминокислоты.
После скачка титрования (рисунок 31, кривые 1–9) на кривых титрования вин
наблюдается плавный подъём рН. Этот подъём начинается при более низких
значениях pH, чем на кривой титрования чистой винной кислоты (рисунок 31,
кривые 1).
Для
количественной
оценки
содержания
суммы
аминокислот
поступали следующим образом. Проводили касательную к точке перегиба на
кривой титрования вина. По верхней точке, в которой начиналось отклонение
кривой титрования вправо от проведённой касательной, находили время t1
(время начала титрования аминокислот). Через найденную подобным образом
точку на кривой титрования винной кислоты проводили горизонтальную
линию, до пересечения с верхней частью кривой титрования виноматериала.
Эту точку принимали за время t2, которое мы связали с окончанием титрования
суммы аминокислот. Схема определения времени начала и конца титрования
аминокислот показана на рисунке 32.
Расчёт содержания аминокислот в вине проводили по следующей
формуле
с 
где
i  (t 2  t1 )  1000
, моль - экв./дм3
F v
с – суммарная концентрация аминокислот;
i – ток электролиза, мА;
(37)
87
t1 – время начала титрования аминокислот, с;
t2 – время окончания титрования аминокислот, с;
F – число Фарадея, 96 500 Кл;
v – объём пробы вина, взятой для титрования, см3.
Качественный
состав
и
суммарное
содержание
аминокислот
в
анализируемых виноматериалов, найденных методом электрофоретического
разделения на анализаторе «Капель  105», приведены в таблице 12. В
последней
строке
таблицы
12
приведены
суммарные
концентрации
аминокислот, найденные предложенным нами методом. Как видно из этой
таблицы только один результат выпадает из корреляции (сорт Гранатовый).
Если принять его за выброс, между остальными значениями наблюдается
хорошая сходимость.
Рисунок 32 – Схема нахождения
Рисунок 33 – Корреляция между
величин t1 и t2. I – Красностоп АЗОС;
суммарным содержанием
II – винная кислота
аминокислот, найденная двумя
методами. R2 = 0,925
88
Таблица 12 – Аминокислотный состав изученных вин
Алиготе
Анапский ранний
КабернеСовиньон
Красностоп АЗОС
Достойный
Сацимлер
Литдар
Каберне АЗОС
Гранатовый
Сорт винограда
Аргинин
5,20
0,00
1,86
2,42
2,04
2,98
2,20
2,89
3,48
тирозин
0,00
0,00
0,00
0,77
0,00
2,29
0,00
0,00
0,00
β–фенил–аланин
0,22
0,52
0,27
0,61
0,17
0,58
0,24
0,18
0,30
гистидин
1,00
0,00
0,57
1,43
0,35
1,06
0,62
1,62
2,38
лизин
0,00
0,00
0,00
0,36
0,00
0,00
0,12
0,00
0,00
лейцин
0,33
0,00
0,15
0,66
0,36
0,26
0,12
0,27
2,12
метионин
валин
пролин
1,98
2,34
38,50
0,00
0,00
5,38
1,64
0,56
91,60
2,53
0,23
110,0
4,58
0,31
110,0
3,74
3,30
220,0
1,62
0,19
48,10
5,98
0,31
190,0
5,59
0,13
470,0
треонин
4,02
0,19
6,80
6,58
8,57
14,1
4,75
12,3
16,9
триптофан
0,54
0,16
0,60
0,86
0,71
0,81
0,260
0,63
0,74
серин
0,89
0,00
0,95
1,66
1,13
1,25
0,32
1,38
1,14
α-аланин
0,86
1,00
0,60
1,01
0,83
0,83
0,15
0,82
1,07
глицин
0,00
0,44
0,39
0,71
0,51
0,00
0,41
0,53
0,00
сумма
50,6
7,69
100
130
120
250
56,8
220
520
сумма(найдено)
51,0
11,0
81,0
160
160
240
100
240
240
Пролин/сумма
0.76
0.70
0.92
0.85
0.92
0.88
0.85
86
0.90
Аминокислота,
104 моль/дм3
В заключение отметим, что расчётные методы оценки регистрируемых
потенциометрических кривых титрования с кулонометрической генерацией
основания
позволяют
оперативно
и
объективно
определить
массовую
концентрацию титруемых кислот в виноматериалах и косвенно оценить суммарное
содержание катионов щелочных и щелочноземельных металлов и аминокислот.
Методы
не
требуют
стандартизации
растворов
и
по
виду
кривых
кулонометрического титрования можно идентифицировать сорт виноматериала.
89
Выводы
1. На основе анализа литературных данных и сравнения построенных
математических моделей с экспериментальными данными изучен механизм
ионизации некоторых органических кислот (янтарной, уксусной, муравьиной,
лимонной) при их низких содержаниях (< 1∙10–3 моль/дм3) для установления форм их
нахождения в водных растворах. Показано, что даже в сильно разбавленных
водных растворах эти кислоты находятся в виде димеров.
2. Предложена оригинальная экспериментальная установка с трехзвенной
электролитической ячейкой для одновременного исследования трех проб
методом непрерывного потенциометрического титрования кулонометрически
генерированным основанием, обеспечившая повышение информативности
результатов титрования и экспрессность анализа
(скорость получения
информации и ее достоверность увеличены в три раза).
3. Реализован алгоритм и разработана методика определения кислотности
вин, соков и безалкогольных напитков одновременно в трёх пробах, разработан
приём определения общего количества кислот при их концентрации в исходном
растворе < 1∙10–3 моль/дм3, дана оценка показателям прецизионности методики.
4.
По
сравнительному
анализу
кривых
непрерывного
потенциометрического титрования образцов вин и индивидуальных кислот,
присутствующих в вине, показана возможность определения как общего
содержания кислот, так и их титруемой части.
5. Для натуральной продукции виноделия определен алгоритм анализа и
установлены количественные диапазоны специфических критериев, которые могут
быть использованы для оценки подлинности и качества готовой продукции,
проведена их апробация на реальных объектах.
90
Список литературы
1.
Jackson, R. Wine science: principles and applications / Ronald S. Jackson.
– London: Academic Press Limited, 2008. – 776 p.
2.
Шелудько, О.Н. Автоматизация измерения концентрации кислот с
использованием
электрохимически
генерированного
основания
/
О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов, А.М. Малышев, П.Г Кильдишов // Заводская
лаборатория. Диагностика материалов.  2008.  Т. 74, № 10.  С. 1820.
3.
Шелудько, О.Н. Оценка
информативности
вида
кривых
потенциометрического титрования сусла и виноматериала / О.Н. Шелудько,
Н.К. Стрижов,
Т.И. Гугучкина,
А.А. Красильников
//
Виноделие
и
виноградарство. – 2013. –№ 3. – С. 14–18.
4.
Шелудько, О.Н. Анализ кривых потенциометрического титрования
сусел и вин, полученных из разных сортов винограда / О.Н. Шелудько,
Н.К. Стрижов, М.А. Ястребов, А.В. Мишкилеева // Известия высших учебных
заведений. Пищевая технология. – 2013. – № 2/3. – С. 103–107.
5.
Шелудько, О.Н.
Информативность
вида
кривых
потенциометрического титрования вина / О.Н. Шелудько // Научные труды
ГНУ СКЗНИИСиВ. – 2013. – Т. 4. – С. 149–153.
6.
Шелудько, О.Н. Косвенное определение суммарного содержания
аминокислот в винах по кривым потенциометрического титрования /
О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов, М.А. Ястребов // Известия высших учебных
заведений. Пищевая технология. – 2011. – Т. 322, № 4. – С. 113–115.
7.
Шелудько, О.Н. Разработка метода одновременного определения
суммы органических и минеральных кислот в соках и напитках /
О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов, Д.А. Голомидов // Известия высших учебных
заведений. Пищевая технология. – 2011. – Т. 320–321, № 2/3. – С. 99–101.
8.
Шелудько, О.Н. Диссоциация мономерных и димерных форм
щавелевой кислоты в водных растворах. Влияние хлорной кислоты. Сообщение
I / О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов, А.И. Брагина // Физико-химический анализ
91
свойств многокомпонентных систем. – 2008. – № 6. – С. 11.
9.
Шелудько, О.Н.
Кулонометрическое
титрование
в
виноделии.
Определение титруемой кислотности. Влияние сорта винограда на кривые
титрования / О.Н. Шелудько, Т.И. Гугучкина, Н.К. Стрижов, А.И. Брагина //
Виноделие и виноградарство. – 2009. – № 4. – С. 19–21.
10. Шелудько, О.Н. Определение сорта винограда по виду кривых
кулонометрического титрования / О.Н. Шелудько // Методы и регламенты
оптимизации структурных элементов агроценозов и управления реализацией
продукционного потенциала растений. – Краснодар, 2009. – С. 414–419.
11. Будников, Г.К. Основы современного электрохимического анализа /
Г.К. Будников, В.Н. Майстренко, М.Р. Вяселев.  М.: Мир: Бином ЛЗ, 2003. 
592 с.
12. Забелин, В.Л. Автоматическое титрование / В.Л. Забелин.  М.:
Энергия, 1971.  96 с.
13. Мидгли, Д.
Потенциометрический
анализ
воды
/
Д. Мидгли,
К. Торренс.  М.: Мир, 1980.  516 с.
14. Захарова, Э.А. Определение общей кислотности и содержания
лимонной кислоты в винах потенциометрическим методом / Э.А. Захарова,
М.Л. Москалева, Ю.А. Акенеев, Е.С. Моисеева, Г.Б. Слепченко, Н.П. Пикула //
Журнал аналитической химии. – 2011. – Т. 66, № 9. – С. 964–969.
15. Каменев, А.И
Электроаналитическая
аппаратура:
состояние
и
перспективы / А.И. Каменев // 2-я Всероссийская конференция «Аналитические
приборы»: тезисы докладов, г. Санкт-Петербург, 27 июня – 1 июля 2005г. –
СПб: КОРОНА принт, 2005. – С. 154.
16. Захарова, А.М. Определение органических кислот, углеводов и
подсластителей в пищевых продуктах и биологически активных добавках
методом высокоэффективной жидкостной хроматографии / А.М. Захарова,
Л.А. Карцова, И.Л. Гринштейн // Аналитика и контроль. – 2013. – Т. 17. – № 2.
– С. 204–210.
17. Bartowsky, E.J. Wines. Malolactic Fermentation / E.J. Bartowsky //
92
Encyclopedia of Food Microbiology (Second Edition). – 2014. – P. 800–804. doi:
http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-384730-0.00357-8
18. Бурцев, Б.В. Влияние органических кислот на формирование
технологических качеств и органолептических особенностей виноградного
колера / Б.В. Бурцев, Е.А. Сосюра, Т.И. Гугучкина // Вестник АПК
Ставрополья. – 2011. – № 4. – С. 4–6.
19. Шестернин, В.И. Влияние кислотности на качество вин из винограда
«Загадка Шарова» / В.И. Шестернин, Е.Д. Рожнов, В.П. Севодин // Техника и
технология пищевых производств. – 2013. –№4 (31). – С. 95–98.
20. Stafilov, T. Atomic absorption spectrometry in wine analysis / T. Stafilov,
I. Karadjova // Macedonian Journal of Chemistry and Chemical Engineering. – 2009.
–Vol. 28, № 1. – P. 17–31.
21. Ribéreau-Gayon, P. Handbook of enology. The chemistry of wine:
stabilization
and
treatments
/
P. Ribéreau-Gayon,
Y. Glories,
A. Maujean,
D. Dubourdieu. – West Sussex: John Wiley and Sons Ltd, 2006. – 450 p.
22. Zoecklein, B.W. Wine Analysis and Production / B.W. Zoecklein,
К.С. Fugelsang, B.H. Gump, P.S. Nury. – New York: Kluwer Academic Publisher,
1999. – 644 p.
23. Селиверстова, И.В. Определение органических кислот в алкогольных
напитках / И.В. Селиверстова, А.А. Свиридова, Л.А. Иванова, А.А. Иванов //
Виноделие и виноградарство.  2002.  №6.  C. 12  13.
24. Нуднова,
А.Ф.
Влияние
органических
кислот
винограда
на
формирование качеств вина / А.Ф. Нуднова, Б.В. Бурцев, Е.А. Сосюра //
Современные ресурсосберегающие инновационные технологии возделывания
сельскохозяйственных культур в Северо-Кавказском федеральном округе. –
2012. – С. 212–214.
25. Кушнерева, Е.В. Влияние факторов спиртового брожения на
формирование кислотности виноградных вин / Е.В. Кушнерева, Н.М. Агеева,
Т.И. Гугучкина // Научные труды Государственного научного учреждения
Северо-Кавказского
зонального
научно-исследовательского
института
93
садоводства и виноградарства Российской академии сельскохозяйственных
наук. – 2013. – Т. 4. – С. 107–115.
26. Шестернин, В.И. Изменение кислотности и качество вин из
винограда
«Загадка
Шарова»
/
В.И.
Шестернин,
В.П.
Севодин
//
Сельскохозяйственные науки и агропромышленный комплекс на рубеже веков.
– 2013. – № 4. – С. 67–72.
27. Managing Wine Quality: Viticulture and Wine Quality / edited by
A. Reynolds. – Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2010. – 606 p.
28. Wine and Culture: Vineyard to Glass / edited by Rachel E. Black, Robert
C. Ulin. – London; New York: Bloomsbury Publishing Plc, 2013. – 323 p.
29. Костычев, С.П. Физиология растений (учебник для вузов). – Л.:
Госиздат. Ч. 1. 1924; Ч. 2. 1933; Изд. 3, доп. М.; Л., 1937. – 574 с.
30. Кретович В.А. Основы биохимии растений. – М: Высшая школа.
1964. –584 с..
31. Родопуло, А. К. Основы биохимии виноделия / А. К. Родопуло – М.:
Книга по Требованию, 2012. – 240 с.
32. Darias-Martın
́ , J. Comparative study of methods for determination of
titrable acidity in wine / Jacinto Darias-Martı́n, Antonio Socas-Hernández, Carlos
Dı́az-Romero, Eugenio Dı́az-Dı́az // Journal of Food Composition and Analysis. 
2003.  Vol. 16, Issue 5. – P. 555–562.
33. Mato, I. A review of the analytical methods to determine organic acids in
grape juices and wines/ Inés Mato, Silvia Suárez-Luque, José F. Huidobro // Food
Research International.  2005.  Vol. 38, Issue 10. – P. 1175–1188.
34. Vahla K. Determination of the titratable acidity and the pH of wine based
on potentiometric flow injection analysis / Katja Vahla, Heike Kahlerta, Lisandro von
Mühlena, Anja Albrechta, Gabriele Meyera, Jürgen Behnertb // Talanta. – 2013,
15 July.
–
Vol.
111.
–
P.
134–139.
doi:
http://dx.doi.org/10.1016/j.talanta.2013.02.057
35. Schoot, B. Titration-on-a-chip, chemical sensor–actuator systems from
idea to commercial product / Bart van der Schoot, Peter van der Wal, Nico de Rooij,
94
Steve West // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2005, 14 February. – Vol. 105,
Issue 1. – P. 88–95. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2004.02.058
36. Pishahang, M. A novel coulometric titration setup–principals, design and
leakage minimization / Mehdi Pishahang, Egil Bakken, Svein Stølen //
Thermochimica Acta. – 2012, 10 September. – Vol. 543. – P. 137–141. doi:
http://dx.doi.org/10.1016/j.tca.2012.05.020
37. Физико-химические методы идентификации подлинности вина
(сока):
свидетельство
о
государственной
регистрации
базы
данных
№ 2013620359 / Шелудько О.Н., Стрижов Н.К., Гузик Т.В.; заявитель и
патентообладатель
технологический
ФГБОУ
университет».
ВПО
«Кубанский
–
2013620013;
№
государственный
заявл.
09.01.2013;
зарегистрировано в реестре баз данных 20.06.2013.
38. Кулонометрическая установка: пат. 2120625 Рос. Федерация:
МПК 6 G01N27/42 / Попов А.П., Власов А.Ю., Емельянов В.В.; заявитель и
патентообладатель Омский государственный технический университет. –
№ 97104758/25; заявл. 28.03.1997; опубл. 20.10.1998.
39. Кулонометрическая установка: пат. 59257 Рос. Федерация: МПК
G01N27/02 / Семчевский А.К., Габа А.М., Плаксин Г.Е., Носенко В.Л..;
заявитель и патентообладатель ООО "Ангарское – ОКБА". – № 2006117948/22;
заявл. 24.05.2006; опубл. 10.12.2006, Бюл. № 34. – 1 с.: ил.
40. Устройство
кулонометрического
для
определения
титрования:
пат.
содержания
2310834
Рос.
вещества
методом
Федерация:
МПК
G01N27/28 / Дунаев В.С. Бочкарев Р.Е., Муралев А.Б., Тихомиров В.В.,
Мишенев В.Б.; заявитель и патентообладатель ФГУП "ГНЦ РФ НИИАР". –
№ 2005132153/28; заявл. 05.10.2005; опубл. 20.11.2007, Бюл. № 32 – 5 с.: ил.
41. Руководство по эксплуатации и методика поверки. Анализатор
кулонометрический «Эксперт – 006». КТЖГ.413414.002РЭ. –М: – 2008. – 39 с.
42. Способ кулонометрического определения содержания органических
кислот в растительном сырье и их препаратах: пат. 2450265 Рос. Федерация:
МПК G01N33/02, G01N27/44 / Абдуллина С.Г., Агапова Н.М., Хазиев Р.Ш.;
95
заявитель
и
патентообладатель
ГБОУ
ВПО
Казанский
ГМУ
Минздравсоцразвития России. – № 2010113430/15; заявл. 06.04.2010; опубл.
10.05.2012, Бюл. № 13 – 9 с.
43. Способ идентификации подлинности винодельческой продукции:
пат. 2246108 Рос. Федерация: МПК7 G01N33/14, C12G1/00 / Агеева Н.М.,
Гугучкина Т.И., Якуба Ю.Ф., Марковский М.Г.; заявитель и патентообладатель
ГНУ РАСХН СКЗНИИСиВ. – № 2003111869/13; заявл. 22.04.2003; опубл.
10.02.2005, Бюл. № 4 – 9 с.
44. Hauser, P.C. Coulometry /P.C. Hauser // Reference Module in Chemistry,
Molecular Sciences and Chemical Engineering. Encyclopedia of Analytical Science
(Second Edition). – 2005. – P. 234–240. doi: http://dx.doi.org/10.1016/B0-12369397-7/00104-7
45. Gonzaga, F.B. A new method for determining the acid number of
biodiesel based on coulometric titration / Fabiano Barbieri Gonzaga, Sidney Pereira
Sobral // Talanta. – 2012, 15 August. – Vol. 97. – P. 199–203. doi:
http://dx.doi.org/10.1016/j.talanta.2012.04.017
46. Агасян, П.К. Кулонометрический метод анализа / П.К. Агасян,
Т.К. Хамракулов.  М.: Химия, 1984.  167 с.
47. Зозуля, А.П. Кулонометрический анализ / А.П. Зозуля. – Л.: Химия,
1968.  160 с.
48. Петров, С.И. Кулонометрическая акваметрия в анализе нефтей,
нефтепродуктов и органических растворителей / С.И. Петров // Заводская
лаборатория. Диагностика материалов. – 2013. – Т. 79, № 6. – С. 3–10.
49. Способ идентификации подлинности вина: пат. 2384841 Рос.
Федерация: МПК G01N33/14 / Шелудько О.Н., Кильдишов П.Г., Стрижов Н.К.,
Федорович Н.Н.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО "КубГТУ". –
№ 2008126344/13; заявл. 27.06.2008; опубл. 20.03.2010, Бюл. № 8 – 13 с.
50. Установка для идентификации подлинности вина и сока: пат. 131192
Рос. Федерация: МПК G01N33/14 / Шелудько О.Н., Стрижов Н.К., Гузик Т.В.;
заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный
96
технологический университет». – № 2013107631/15; заявл. 20.02.2013; опубл.
10.08.2013, Бюл. № 22. – 2 с.: ил.
51. Шелудько, О.Н. Совершенствование
метода
одновременного
определения суммы органических и минеральных кислот в пищевых продуктах
/ О.Н. Шелудько, Т.В. Гузик, Н.К. Стрижов // Известия вузов. Пищевая
технология.  2012.  № 56.  С. 2932.
52. Шелудько, О.Н. Совершенствование электрохимического метода
определения титруемых кислот в винах, соках и безалкогольных напитках /
О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов, Т.В. Гузик // Аналитика и контроль.  2014.
Т. 18. № 1.  С. 5865.
53. Стрижов, Н.К.
Одновременное потенциометрическое
титрование
суммы кислот электрохимически генерированным основанием в трёхзвенной
ячейке / Н.К. Стрижов, О.Н. Шелудько, Т.В. Гузик // Теория и практика
современной науки: материалы VIII Международной научно-практической
конференции, г. Москва, 26-27 декабря 2012 г. / Науч. – инф. издат. центр
«Институт стратегических исследований». – М: Изд-во «Спецкнига», 2012. –
т. I. – С. 157–160.
54. Cladera, A. A fully automatic system for acid – base coulometric titrations
/ A. Cladera, A. Caro, J.M. Estela, V. Cerda // Journal of Automatic Chemistry. –
1990. – Vol. 12, № 6. – P. 258–262.
55. Kuntzleman, T.S. Simple and automated coulometric titration of acid
using nonisolated electrodes / Thomas S. Kuntzleman, Joshua B. Kenney, Scott
Hasbrouck, Michael J. Collins, John R. Amend // J. Chem. Educ. – 2011. –
№ 88 (11). – P. 1565–1568.
56. Ziyatdinova, G. Coulometric titration with electrogenerated oxidants as a
tool for evaluation of cognac and brandy antioxidant properties / G. Ziyatdinova, I.
Salikhova, H. Budnikov // Food Chemistry – 2014. – vol. 150. – P. 80–86. doi:
http://dx.doi.org/10.1016/j.foodchem.2013.10.133
57. Петров, С.И. Прецизионная кулонометрия: определение углерода в
нефтях и нефтепродуктах / С.И Петров, Е.А. Зубанова // Заводская лаборатория.
97
Диагностика материалов. – 2001. – Т. 67, № 11. – С. 16–19.
58. Dakashev, A.D. Coulometric titration with air transported sample /
Anastas Dimitrov Dakashev, Veselina Todorova Dimitrova // Talanta. – 2000,
6 March. – Volume 51, Issue 3. – P. 573–578. doi: http://dx.doi.org/10.1016/S00399140(99)00314-8
59. Mihajloviz, R.P. Coulometric generation of acids and bases for acid –
base titrations in non-aqueous solvents / R.P. Mihajloviz, Lj.N. Jaksiz,
R.M. Dcudoviz // Anal. chim. acta.  2006 (557). – № 1–2. – P. 37–44.
60. Kpичмар, С.И. Кислотно-основное кулонометрическое титрование в
миниатюрной ячейке / С.И. Kpичмар, Ю.Ю. Карпухин, В.М. Безпалъченко //
Вопросы химии и химической технологии. – 2004. – № 4. – С. 28–32.
61. Зевацкий,
Ю.Э.
Современные
методы
экспериментального
определения констант диссоциации органических кислот в растворах /
Ю.Э. Зевацкий, Д.В. Самойлов, Н.О. МчедловПетросян // Журнал общей
химии.  2009.  Т. 79, вып. 9.  С. 15041532.
62. Дмитриев, А.Б. Источники погрешностей при кулонометрическом
титровании кислот / А.Б. Дмитриев // Разработка, исследование и маркетинг
новой фармацевтической продукции: сб. науч. тр. / Пятигор. гос. фармац. акад.
– Пятигорск: Изд-во Пятигор. гос. фармац. акад., 2005. – Вып. 60. – С. 208–210.
63. Могилевский,
А.Н.
Аналитические
испытания
серийных
прецизионных кулонометрических установок ПКУ – 03 / А.Н. Могилевский,
Ю.И. Фабелинский, Т.М. Чубукова, И.В. Маркова, И.К. Фадеева, В.Н. Гусев,
Е. Ю Репина // Всероссийская конференция по аналитической химии,
посвященная 100-летию со дня рождения академика И.П. Алимарина
«Аналитика России»: тезисы докладов, г. Москва, 27 сентября – 1октября
2004 г. – М., 2004. – С. 251.
64. Кильдишов, П.Г. Потенциометрическое титрование органических
кислот в вине и виноматериалах с кулонометрической генерацией основания:
автореф. дис. ... канд. хим. наук: 02.00.02 / Кильдишов Павел Геннадиевич. –
Краснодар, 2011. – 24 с.
98
65. Стрижов, Н.К. Влияние валина на ход кривой титрования /
Н.К. Стрижов, О.Н. Шелудько, М.А. Ястребов // «Аналитика России»:
материалы III Всероссийской конференции с международным участием. –
Краснодар, 2009. – С. 433.
66. Шелудько, О.Н. Разработка метода одновременного определения
суммы органических и минеральных кислот в соках и напитках /
О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов, Д.А. Голомидов // Известия вузов. Пищевая
технология. – 2011. – №2/3. – С. 99–101.
67. Шелудько,
О.Н.
О
возможном
строении
водных
растворов
двухосновных кислот и их солей / О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов, А.И. Брагина,
Н.Н. Федорович // Энергосбережение и водоподготовка. – 2009. – № 6. –
С. 34-37.
68. Шелудько, О.Н. Оперативная оценка качества вин и виноматериалов
путем
автоматического
потенциометрического
титрования
с
кулонометрической генерацией основания / О.Н. Шелудько, Т.И. Гугучкина,
Н.К. Стрижов, А.И. Брагина, М.А. Ястребов // Известия высших учебных
заведений. Пищевая технология. – 2011. – Т. 319, № 1. – С. 100–103.
69. Стрижов, Н.К. Оптимизация потенциометрического титрования
кислот электрохимически генерированным основанием / Н.К. Стрижов,
О.Н. Шелудько, Т.В. Гузик // Известия вузов. Северо-Кавказский регион.
Естественные науки.  2012.  №1.  С. 6468.
70. Кильдишов, П.Г. Кулонометрическое титрование как основной
способ идентификации подлинности вин / П.Г. Кильдишов, Р.Р. Динисламов,
Н.М. Агеева, Н.К. Стрижов, О.Н. Шелудько // Новации и эффективность
производственных процессов в виноградарстве и виноделии. – Краснодар, 2005.
– С. 286–289.
71. РМГ 61-2010. Государственная система обеспечения единства
измерений. Показатели точности, правильности, прецизионности методик
количественного химического анализа. Методы оценки. – М.: ФГУП
«СТАНДАРТИНФОРМ», 2012. – 59 с.
99
72. ГОСТ 6687.4 – 86. Напитки безалкогольные, квасы и сиропы.
Методы определения кислотности. – М.: Издательство стандартов, 1986. – 3 c.
73. Brandán, S.A. Theoretical and experimental vibrational spectrum study of
4-hydroxybenzoic acid as monomer and dimmer / S.A. Brandán, F.M. López,
M. Montejo, J.J. López-González, A.B. Altabef // Spectrochimica Acta – Part A. –
2010. – Vol. 75, № 5. – P. 1422–1434.
74. Takakazu, N. Theoretical Study on the Structures and Energies of Acetic
Acid Dimers in Aqueous Solution / Nakabayashi Takakazu, Hirofumi Sato, Fumio
Hirata, Nobuyuki Nishi // J. Phys. Chem. A.  2001.  Vol. 105.  P. 245250.
75. Приезжев,
В.Б.
Задача
о
димерах
и
теорема
Кирхгофа
/
В.Б. Приезжев // Успехи физических наук.  1985.  Т. 147, вып. 4. 
С. 247265.
76. Голубев, Н.С. Спектры и строение несимметричных димеров
карбоновых кислот в растворах / Н.С.Голубев, Г.С.Денисов // Журн. прикл.
спектр.  1982.  Т. 37, вып. 2.  С. 265272.
77. Chen, J. Revisiting the сarboxylic аcid dimers in aqueous solution:
interplay of hydrogen bonding, hydrophobic interactions, and entropy / Jianhan Chen,
Charles L. Brooks, Harold A. Scheraga // J. Phys. Chem. В.  2008.  Vol. 112(2). 
P. 242249. doi: 10.1021/jp074355h.
78. ГОСТ 25555.0 – 82. Продукты переработки плодов и овощей.
Методы
определения
титруемой
кислотности.
–
М.:
ФГУП
«СТАНДАРТИНФОРМ», 2010. – 3 c.
79. ГОСТ Р 51621 – 2000. Алкогольная продукция и сырьё для её
производства. Методы определения массовой концентрации титруемых кислот.
– М.: ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2009. – 4 c.
80. Шелудько, О.Н. Модель ионизации димеров монокарбоновых кислот
в водных растворах / О.Н. Шелудько, Т.В. Гузик, Н.К. Стрижов // VIII
Всероссийская конференция по электрохимическим методам анализа "ЭМА–
2012": материалы VIII Всероссийской конференции, Уфа-Абзаково, 3–9 июня
100
2012 г. / отв. ред. д-р хим. наук В.Н. Майстренко.  Уфа: РИЦ БашГУ, 2012. 
С. 130.
81. Шелудько,
О.Н.
Физико-химические
аспекты
димеризации
муравьиной и уксусной кислот в водных растворах: дис. … канд. хим. наук:
02.00.04: защищена 30.09.03: утв. 05.12.03 / Шелудько Ольга Николаевна. –
Краснодар, 2003. – 151 с.
82. Шелудько, О.Н. Механизм диссоциации щавелевой кислоты и её
гомологов в водных растворах сильных электролитов / О.Н. Шелудько,
Н.К. Стрижов, А.И. Брагина, Л.Ф. Ильина // Известия высших учебных
заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки. – 2013. –
№ 3 (175). –С. 43–49.
83. Шелудько, О.Н. Кислотно-основные равновесия в водных растворах
муравьиной
и
уксусной
кислот.
Математическая
модель
и
её
экспериментальная проверка / О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов // Шестая
международная конференция «Экология и здоровье человека. Экологическое
образование. Математические модели и информационные технологии»:
сборник научных трудов. – Краснодар: Изд–во «Наука Кубани», 2001. – С. 240–
247.
84. Шелудько, О.Н. Экспериментальная проверка модели кислотноосновных равновесий в водно–солевых растворах димеров муравьиной и
уксусной кислот / О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов, Л.М. Малука // Труды
КубГТУ: Научный журнал. – Краснодар: Изд–во КубГТУ, 2002. – Т.XIII. Сер.
Химия, химическая технология и нефтегазопереработка. – Вып.1. – С. 134–141.
85. Шелудько, О.Н. Анализ физических свойств водных растворов
уксусной кислоты / О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов, Л.М. Малука // Труды
КубГТУ: Научный журнал. – Краснодар: Изд–во КубГТУ, 2002. – Т.XIII. Сер.
Химия, химическая технология и нефтегазопереработка. – Вып.1. – С. 153–157.
86. Стрижов, Н.К. Равновесия в водных растворах муравьиной кислоты /
Н.К.
Стрижов,
О.Н.
Шелудько,
П.Г.
Кильдишов,
Ю.В.
Дробязко
//
101
II Всероссийская научная конференция «Химия многокомпонентных систем на
рубеже
XXI
века»:
сборник научных
трудов. – Махачкала:
Изд–во
Дагестанского университета, 2002. – С. 97.
87. Kosugi, K. Lowfrequency Raman spectra of crystalline and liquid acetic
acid and its mixtures with water / K. Kosugi, T. Nakabayashi, N. Nishi // Chemical
Physics Letters. – 1998. – Vol. 291, Issues 3–4 – P. 253–261. doi:
http://dx.doi.org/10.1016/S0009-2614(98)00630-7
88. Benmalti, M.E.A. Theoretical interpretation of the infrared lineshape of
liquid and gaseous acetic acid / M.E.A. Benmalti, P. Blaise, H.T. Flakus, O. HenriRousseau // Chemical Physics. 2006. – Vol. 320, Issues 2–3. – P. 267–274. doi:
http://dx.doi.org/10.1016/j.chemphys.2005.07.032
89. Элькин, П.М. Моделирование структуры карбоновых кислот. 1.
муравьиная кислота / П.М. Элькин, Т.А. Шальнова, Е.Ю. Степанович //
Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. – 2009. – № 4. –
С. 59–66.
90. Леман, Т. Спектрометрия ионного и циклотронного резонанса /
Т. Леман, М. Берси; перевод с англ. Д.Н. Трубникова. – М.: Мир, 1980. – 215 с.
91. Henis, J.M.S. Ion cyclotron resonance study of ion–molecule reactions in
methanol / Jay M.S. Henis // J. Am. Chem. Soc. – 1968. – Vol. 90 (4). – P. 844–851.
doi: 10.1021/ja01006a003
92. Уксусная
кислота
[Электронный
ресурс]
//
Режим
доступа:
http://www.wikiznanie.ru/ru-wz/index.php/Уксусная_кислота. – (Дата обращения:
04.06.2014).
93. Вилков, Л.В. Определение геометрического строения свободных
молекул / Л.В. Вилков, В.С. Мастрюков, Н.И. Садова. – Л.: Химия, 1978. –
224 с.
94. Скрышевский, А.Ф. Структурный анализ жидкостей и аморфных тел
/ А.Ф. Скрышевский. – М.: Высшая школа, 1980. – 328 с.
95. Шелудько,
О.Н.
Совершенствование
метода
одновременного
определения суммы органических и минеральных кислот в пищевых продуктах
102
/ О.Н. Шелудько, Т.В. Гузик, Н.К. Стрижов // Известия вузов. Пищевая
технология. – 2012. – № 5/6. – С. 29  32.
96. Шелудько, О.Н. Оптимизация потенциометрического титрования
кислот электрохимически генерированным основанием / О.Н. Шелудько,
Н.К. Стрижов, Т.В. Гузик // Известия вузов. Северо-Кавказский регион.
Естественные науки.  2012.  № 1.  С. 64  68.
97. Шелудько, О.Н. Протолитические равновесия в водных растворах
при образовании объёмных бициклов янтарной кислоты / О.Н. Шелудько,
Т.В. Гузик, Н.К. Стрижов, В.Ю. Холявко // Известия вузов. Пищевая
технология.  2013.  №23.  С. 4144.
98. Стрижов, Н.К. Ионизация и строение димеров янтарной кислоты в
водных растворах / Н.К. Стрижов, О.Н. Шелудько, Т.В. Гузик // Теория и
практика современной науки: материалы VIII Международной научнопрактической конференции, г. Москва, 26-27 декабря 2012 г. / Науч.-инф. издат.
центр «Институт стратегических исследований». – М: Изд-во «Спецкнига»,
2012. – т. I. – С. 161–167.
99. Шелудько,
О.Н.
О
возможном
строении
водных
растворов
двухосновных кислот и их солей / О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов, А.И. Брагина
// Энергосбережение и водоподготовка.  2009.  № 6.  С. 34  37.
100. Шелудько, О.Н. О поведении гомологов янтарной кислоты и их
солей в водных растворах / О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов, Р.Р. Динисламов,
М.А. Ястребов // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные
науки.  2012.  № 2.  С. 57  60.
101. Кварацхелия, Р.К. О диссоциации слабых двух- и трёхосновных
органических кислот, участвующих в цикле Кребса / Р.К. Кварацхелия,
Е.Р. Кварацхелия // Электрохимия.  2009.  Т. 45, № 2.  С. 235238.
102. Строганов,
В.Ф.
Комплексное
исследование
процессов
биоповреждения минеральных строительных материалов / В.Ф. Строганов,
Е.В. Сагадеев, Л.И. Потапова, Д.А. Куколева // Известия КГАСУ.  2011.  №4.
103
 С. 274281.
103. Шелудько, О.Н. Cвойства молочной кислоты и её возможное
влияние на определение суммы органических и минеральных кислот в пищевых
продуктах / О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов // Известия высших учебных
заведений. Пищевая технология. – 2013. – № 5/6. – С. 97–101.
104. Васильев, В.П. Стандартные энтальпии образования янтарной
кислоты и продуктов её диссоциации в водном растворе / В.П. Васильев,
Л.А. Кочергина, Д.В. Крутов, О.Н. Крутова // Журнал физической химии. 
2006.  Т. 80, № 5.  С. 851853.
105. Элькин, М.Д. Моделирование структуры и колебательных спектров
мономеров и димеров малоновой кислоты / М.Д. Элькин, Е.Ю. Степанович,
В.И. Березин // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. –
2009. – № 4. – С. 46–53.
106. Bichara, L.C. Vibrational study and force field of the citric acid dimer
based on the sqm methodology / L.C. Bichara, H.E. Lanus, E.G. Ferrer,
M.B. Gramajo, S.A. Brandan // Advanced in physical сhemistry [Electronic
resource].
–
2011.
–
Vol.
–
2011.
http://www.hindawi.com/journals/apc/2011/347072/.
–
Access
mode:
04.06.2014.
doi:
http://dx.doi.org/10.1155/2011/347072
107. Шелудько, О.Н. О поведении гомологов янтарной кислоты и их
солей в водных растворах / О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов, Р.Р. Динисламов,
М.А. Ястребов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский
регион. Серия: Естественные науки. – 2012. – № 2. – С. 57–60.
108. Шелудько, О.Н. Автоматизация измерения концентрации кислот с
использованием
электрохимически
генерированного
основания
/
О.Н. Шелудько, Н.К. Стрижов, А.М. Малышев, П.А. Кильдишов // Заводская
лаборатория. Диагностика материалов.  2008.  Т. 74, № 10.  С. 74  76.
109. Васильев, В.П. Стандартные энтальпии образования янтарной
кислоты и продуктов её диссоциации в водном растворе / В.П. Васильев,
Л.А. Кочергина, Д.В. Крутов, О.Н. Крутова // Журнал физической химии. 
104
2006.  Т. 80, № 5.  С. 851853.
110. Толкачёва
Л.Н.
комплексообразования
Физико-химическое
элементов
III-А
исследование
подгруппы
с
процессов
комплексонами,
производными янтарной кислоты: диссертация кандидата химических наук
02.00.04. – Тверь, 2012.–120 с.
111. Васильев,
В.П.
этилендиаминдиянтарной
Кислотно-основное
кислоты
/
В.П.
равновесие
Васильев,
Е.В.
в
растворах
Козловский,
С.Ф. Леденков // Журнал физической химии. – 1987. – Т. 61, № 5. – С. 1429 
1430.
112. Лурье, Ю.Ю. Справочник по аналитической химии / Ю.Ю. Лурье. –
M.: Химия, 1989. – 448 с.
113. Кочергина, Л.А. Влияние температуры на тепловые эффекты
кислотно-основного взаимодействия в водных растворах янтарной и винной
кислот / Л.А. Кочергина, В.П. Васильев, Д.В Крутов, О.Н. Крутова // Журнал
физической химии.  2007.  Т. 81, № 6.  С. 10441050.
114. Орлова, Т.Д. Тепловые эффекты диссоциации малоновой кислоты /
Т.Д. Орлова, П.А. Ромодановский, Н.Г. Дмитриева, С.Н. Гридчин // Журнал
физической химии.  2008.  Т. 82, № 4.  С. 681683.
115. Альберт, А. Константы ионизации кислот и оснований / А. Альберт,
Е. Сержент. – М.Л.: Химия, 1964. – 180 с.
116. Соколов, Н.Д. Водородная связь / Н.Д. Соколов // Успехи
физических наук.  1955.  Т. LVII, вып. 2.  С. 205278.
117. Брагина
А.И.
Потенциометрическое
титрование
разбавленных
растворов: дис… канд. хим. наук 02.00.02. Брагина Анна Игоревна. –
Краснодар, 2013. – 120 с.
105
Приложение А
Приведём полную обработку данных на примере образца вина №8 (сидр
сладкий игристый «ReinMathild»), кривые титрования которого приведены на
рисунке А.1. В MathCAD записывают названия документов (таблица A.1) с
добавлением «.txt» и автоматически строятся графики.
Для одного образца вина необходимо провести две серии измерений и
обработать их в MathCAD 14. При работе с рНметром, подключенным к ПК,
получают экспериментальные данные в виде таблицы и сохраняют их. Далее в
текстовом документе меняют запятые на точки и переносят данные в документ
Microsoft Word, заменяют три пробела на два и преобразовывают текст в
таблицу, копируют её в текстовый документ. Документ необходимо назвать
латинскими буквами и без использования запятых, так как математический
пакет MathCAD 14 не распознает русские буквы и запятые.
Таблица A.1  Таблица вспомогательных матриц, необходимых для построения
кривых титрования в среде MathCAD
M  READPRN( "81++.txt" )
M1  READPRN( "82++.txt" )

t  M 0

t1  M1 0

pH  M 1

pH1  M1 1
106
12
10
10
8
8
pH
pH1
6
6
4
4
2
2
0
110
500
3
1.510
3
0
3
110
500
1.510
3
t1
t
Рисунок А.1  Кривые титрования образца № 8, построенные в MathCAD
На первых двух графиках мы видим по два скачка, первый скачок 
включение тока; второй  выключение тока. Необходимо вычесть рН и время
первого скачка и рН второго скачка, где Y  это измеренное рН; Х  это
измеренное время (таблица A.2).
Таблица A.2  Уточнение исходных данных, необходимых для построения
результитрующего графика в среде MathCAD
pH  pH  0.099
pH1  pH1  0.093
3.8937  3.9928  0.099
t1  t1  565
9.873  9.7995  0.073
3.8776  3.9702  0.093
t  t  751
10.078  10.007  0.071
После данных манипуляций получаем третий график с изображенными на
нем двумя кривыми (рисунок A.2), которые должны совпасть, если кривые не
совпадают, необходимо провести измерение рН третий раз.
107
10
8
pH
pH1
6
4
2
3
 110
3
110
0
t t1
Рисунок А.2  Результирующий график, построенный по данным
рисунка А.1
На рисунке A.2 видно совпадение двух прямых, значит, третья серия
измерений рН не нужна. Далее записываем выражения, показанные ниже, и
разрешаем вычисление (таблица А.3). Это делается для того, чтобы получить
два текстовых документа с данными, необходимыми для дальнейшей
обработки.
Таблица А.3  Получение данных для последующей обработки

A 0  t

A 1  pH

A1 0  t1

A1 1  pH1
WRITEPRN( "A.txt" )  A
WRITEPRN( "A1.txt" )  A1
Файлы сохраняются под названиями А и А1. Необходимо удалить все
отрицательные числа до нуля и оставить одинаковое количество измерений в
108
обоих документах. После записать их названия в MathCAD, посчитать рН
среднее и построить график, изображённый на рисунке А.4.
Таблица А.4  Получение новых откорректированных матриц
M  READPRN( "A+.txt" )
M1  READPRN( "A1+.txt" )

t  M 0

t1  M1 0

pH  M 1

pH1  M1 1
pHs 
pH  pH1
2
n  rows( M)
i  0  n  1
10
8
pH
pH1
6
pHs
4
2
0
200
400
600
t t1
Рисунок А.3  Результирующий график, построенный по данным таблицы А.4
Рассчитаем погрешности по формулам из таблицы А.5, графически
распределение дисперсии во времени проведения анализа представлено на
рисунке А.4.
109
Таблица А.5  Формулы для расчёта погрешностей определения
t  2
n  количество измерений;
Sx  среднеквадратичное отклонение;
n  561

Sx 

стандартное
отклонение
Стьюденту;

 критерий Стьюдента;
( n  1)  n
 отклонение.
i
pHi  pHsi 2

pHsi
3
Sx  4.073  10

 Sx  t
1.02
1 
1  1.01
pHi
pHsi
1
pH1i
pHsi
1
0.99
0.98
0
200
400
600
i1
Рисунок А.4  График распределения дисперсии во времени проведения
анализа
по
110
На рисунке А.4 видно, что кривая не выходит за доверительный интервал
. До точки эквивалентности кривые близки к единице, а после из-за
повышения щёлочности они выходят за пределы . Считается, что при высокой
щёлочности стеклянный электрод не точен.
Далее расчёт ведётся по формулам, приведённым в таблице А.6
Таблица А.6  Формулы для расчёта степени нейтрализации
I  10
 14
K w  1  10
tk  363.88
F  96500
c 
I  tk
F  51
4
c  7.394  10
m  c  51  75.0435
h 
H
c
m  2.83
x 
t
tk
 pH

H  10
Kw
 pH
10
i  ток генерации основания, мА;
tk  время пошедшее на титрование до второй точки эквивалентности;
111
F  число Фарадея, кл/моль;
x  относительное количество прогенерированного основания;
t  текущее время электролиза до точки конца титрования;
c  общая концентрация кислоты в ячейке, моль/дм3;
Kw  ионное произведение воды, (моль/дм3)2;
Н  концентрация ионов воды;
h  относительная концентрация ионов воды;
m  масса, г/дм3.
0.2
0.1
h
0
0
0.5
1
x
Рисунок А.5 Кривая зависимости концентрации ионов воды от степени
нейтрализации
По рисунку А.5, на котором изображена кривая, нужно определить
значение h0 (рисунок .А.6 ). Согласно рисунку А.6 h0 = 0,193.
112
10
8
pH
6
4
0
200
400
600
800
t
Рисунок А.6  Результирующая кривая по данным рисунка А.3
Далее для последующей обработки с целью нахождения концентрации
кислот нужно построить три прямые и узнать координаты точек пересечения.
Для этого на кривой, изображённой на рисунке А.6 , берётся по три точки в
трёх интервалах в начале, в середине и в конце и их координаты записываются
в виде матриц таблица А.7.
Таблица А.7  Матрицы для получения касательных с целью последующей
обработки кривых титрования
r  400  600
 508.18 9.543 
a   530.63 9.6211


546.96
9.6797






 
 
f ( r )  intercepta 0 a 1  slopea 0 a 1  r
113
Продолжение таблицы А.7
r1  250  500
 369.4 7.1406
a1   381.65 7.4922


397.98
7.9805


r2  0  400







 
 
f2 ( r2)  intercepta2 0 a2 1  slopea2 0 a2 1  r2
 134.7 4.3281
a2   181.64 4.543 


200.01
4.6797



 
 
f1 ( r1)  intercepta1 0 a1 1  slopea1 0 a1 1  r1
После под графиком необходимо записать значения времени в точках
пересечения прямых (tk1 и tk2). Рассчитывается Δt, как разность между tk2 и tk1,
концентрация и масса таблица А.8.
8. REIN MATHILD, ÊÐÅÏÎÑÒÜ 2,5%ÎÁ.
10
pH
8
6
4
0
200
400
600
t,c
Рисунок А.7  Образец №8. Сидр сладкий игристый «ReinMathild»,
крепость 2,5% об. (Франция)
114
Таблица А.8  Значения рассчитанных Δt, концентрации и масса для образца №8
tk1  304.84
c1 
I  tk1
96500  51
c2 
I  tk2
96500  51
tk2  440.83
4
c  7.394  10
m1 
I  tk1  75.0435
96500  1
m2 
I  tk2  75.0435
96500  1
 tk2  tk1
t
ms 



m1  m2
2
ms  m1
ms
 0.182
m2  m1  1.058
ms  2.899
На рисунках А.7  А.23 представлены кривые титрования вин, из сортов
винограда, название которых даны в обозначении рисунка. Концентрация,
время и рН приведены в таблице А.9 .
115
12
pH
10
8
6
4
0
110
500
3
t,c
Рисунок А.8  Образец №1 вино виноградное сухое красное Пинонуар, ур.
2010г. (Германия)
10
pH
8
6
4
400
800
3
1.210
t,c
Рисунок А.9  Образец №1А вино виноградное столовое сухое розовое «Пино
нуар», урожай 2010 года, ООО АПК «Мильстрим  Черноморские вина»
116
10
pH
8
6
4
0
200
400
600
800
t,c
Рисунок А.10  Образец №2 вино виноградное сухое красное «Люсьен Риги
Каберне», приготовленное из сорта винограда Каберне Совиньон, урожай 2010
года (Франция)
10
pH
8
6
4
0
200
400
600
800
t,c
Рисунок А.11  Образец №3 вино виноградное сухое красное «Люсьен Риги
Мерло», приготовленное из сорта винограда Мерло, ур. 2009 г. (Франция)
117
10
pH
8
6
4
200
400
600
800
t,c
Рисунок А.12  Образец №3А вино виноградное столовое сухое красное
«Мерло Фонтал», приготовлено из сорта винограда Мерло, урожай 2010 года,
ООО «Кубанские вина» «Звезда Тамани»
10
pH
8
6
4
0
200
400
600
800
t,c
Рисунок А.13  Образец №3Б вино виноградное столовое сухое красное
«Мерло», приготовлено из сорта винограда Мерло, ур. 2011, ОАО «Аврора»
118
10
pH
8
6
4
0
200
400
600
800
t,c
Рисунок А.14  Образец №4 вино виноградное географического наименования
сухое красное «Люсьен Риги», урожай 2009года (Франция, А.О.С., регион
Медок)
10
pH
8
6
4
0
200
400
600
800
t,c
Рисунок А.15  Образец №5 вино виноградное географического наименования
полусладкое белое «Люсьен Риги», урожай 2010года (Франция, А.О.С., регион
Бордо)
119
10
pH
8
6
4
0
200
400
600
800
t,c
Рисунок А.16  Образец №6 вино виноградное сухое белое «Люсьен Риги
Шардоне», урожай 2009 года, приготовлено из сорта винограда Шардоне
(Франция)
10
pH
8
6
4
0
200
400
600
800
t,c
Рисунок А.17  Образец №7 сидр сухой игристый «ReinMathild», крепость
4,5%об. (Франция)
120
10
pH
8
6
4
0
200
400
600
800
t,c
Рисунок А.18  Образец №9А виноматериал столовый сухой красный
«Красностоп АЗОС», урожай 2008года
10
pH
8
6
4
0
200
400
600
800
t,c
Рисунок А.19  Образец №9Б виноматериал столовый сухой красный
«Красностоп АЗОС», урожай 2009 года
121
10
pH
8
6
4
0
200
400
600
800
t,c
Рисунок А.20  Образец №9В виноматериал столовый сухой красный
«Красностоп АЗОС», урожай 2010 года
10
pH
8
6
4
0
200
400
600
800
t,c
Рисунок А.21  Образец №10А виноматериал столовый сухой красный
«Каберне АЗОС», урожай 2008 года
122
10
pH
8
6
4
200
300
400
500
600
t,c
Рисунок А.22  Образец №10Б виноматериал столовый сухой красный
«Каберне АЗОС», урожай 2009 года
10
pH
8
6
4
0
200
400
600
t,c
Рисунок А.23  Образец №10В виноматериал столовый сухой красный
«Каберне АЗОС», урожай 2010 года
123
Таблица А.9  Результаты анализа кривых титрования изученных вин
№ вина
1
1А
2
3
3А
3Б
t1,c
452
788
441
454
503
510
t2,c
729
971
648
660
741
743
Δt,c
277
183
207
206
238
232
3.00
1.75
1.08
1.23
1.23
1.27
рН
3.697
3.332
3.651
3.586
3.566
3.586
рН1
4.883
5.090
4.952
5.012
5.051
5.148
№ вина
4
5
6
7
8
9А
t1,С
516.29
552.65
563.72
348.77
304.84
374.74
t2,С
746.97
720.28
716.24
471.45
440.83
629.49
Δt, С
230.68
167.63
152.52
122.68
135.99
254.75
c·10-3, моль/дм3
1.08
1.29
1.28
0.818
0.739
1.070
рН
3.5664
3.4492
3.4492
3.9375
3.8789
3.8594
рН1
5.0898
5.0508
5.207
5.3438
5.207
5.2656
№ вина
9Б
9В
10А
10Б
10В
t1, С
405.9
467.85
466.06
379.92
425.32
t2, С
653.09
706.15
639.58
516.89
524.51
Δt, С
247.19
238.3
173.52
136.97
99.19
1.156
1.225
1.091
0.7394
0.9691
рН
3.7227
3.7813
3.8398
4.4063
3.918
рН1
4.8945
5.0898
5.3438
5.5977
5.6758
С
С
10-3, моль/дм3
10-3, моль/дм3