Определение ИМ с отсчетом и с помехой. 4 страница

а) электрический диполь б) водородные связи

Важная особенность водородных связей – их меньшая прочность в сравнении с ковалентными, их энергия составляет 4,5 и 110 ккал/моль соответственно.

Наличием водородных связей между молекулами воды объясняются ее необычные физические свойства: максимальная плотность при 4 0С, высокая температура кипения, большие теплоемкость, теплота испарения и поверхностное натяжение. Полярность и способность к образованию водородных связей делают воду великолепным растворителем полярных и нейтральных молекул.

Дополнительная информация. В процессе образования воды при таянии льда разрывается всего 15% водородных связей. При 100 ⁰С между молекулами воды еще существует достаточно сильное взаимодействие, на что указывает высокая теплота испарения. Полностью водородные связи между молекулами воды разрушаются лишь при нагревании водяного пара до 600 ⁰С. Она обладает большой теплоемкостью: 1 м³ воды, охлаждаясь на один градус, может на столько же нагреть более 3300 м³ воздуха. Это свойство позволяет Мировому океану служить аккумулятором и распределителем солнечного тепла на поверхности Земли.

2. Познакомьтесь с электролитической диссоциацией воды, т.е. обратимым процессом распада электролита на ионы:

Н₂О ↔ Н⁺ + OН^-

Диссоциация воды представляет собой равновесный процесс, константа равновесия которого равна:

К_g = ,

где в квадратных скобках указаны концентрации в молях на литр; 1л воды содержит 55 моль, концентрация ионов Н⁺ и ОН^- очень мала (1·10^-7 моль). Выражение 55К_g для удобства заменяют «обобщенной» константой К_b, называемой ионным произведением воды:

K_b = [H⁺]·[OH^-] = 10 ·10^-14.

В кислом растворе концентрация ионов Н⁺ относительно высока, ионов ОН^- - соответственно, мала; в щелочном растворе имеет место обратное положение. Ионное произведение служит основой для шкалы рН (водородный показатель), при помощи которой оценивают истинную концентрацию ионов Н⁺ (и, следовательно, ионов ОН^-) в любом водном растворе в диапазоне кислотности между 1,0М Н⁺ и 1,0М ОН^-.

.

В строго нейтральном растворе [H⁺] = [OH^-] = 1,0·10^{-7 M};

.

Таким образом, значение 7,0 для рН строго нейтрального раствора – отнюдь не произвольно выбранная цифра; она выводится из абсолютного значения ионного произведения воды при 22 ⁰С. Величина рН влияет на многие структурные элементы клетки и на ее функции, особенно значительно – на каталитическую активность ферментов.

3. Познакомьтесь с особенностями буферных растворов, т.е. кислотно–основных водных растворов, способных поддерживать определенный рН длительное время. Кислоты являются донорами протонов, основания – их акцепторами. Любая кислотно–основная реакция включает в себя кислотно–основную пару, состоящую из донора и акцептора протонов. В общем виде кислота (НА) и анион (А^-) образуют типичную кислотно–основную пару:

НА = Н⁺ + А^-.

донор	акцептор
протонов	протонов

Стремление кислоты отдавать протоны характеризуется константой ее диссоциации:

где в квадратных скобках указаны концентрации в молях на литр. Для удобства пользования вместо К рассчитывают рК (аналогично рН), численно равные отрицательному логарифму К:

Для количественной обработки всех видов кислотно-основных равновесий, встречающихся в биологических системах, используют уравнение Гендерсона-Хассельбалха:

Внутриклеточные и внеклеточные растворы ведут себя как буферы. Буферная емкость максимальна, когда отношение концентрации акцептора и донора протонов равно единице (lg1=0; pH = pK). Главным внутриклеточным буфером является сопряженная кислотно – основная пара .

Пример решения задачи

Задача: Вычислите рН раствора, содержащего положительные ионы Н в концентрации 0,001М

Решение:

Задачи

1. Вычислите pH растворов, содержащих ионы Н⁺ в концентрации 10^{-9 М; 1,4∙} или ионы ОН^- в концентрации

2. Определите концентрацию ионов Н⁺ в плазме крови (рН 7,4); во внутриклеточной жидкости мышц (рН = 6,1); в желудочном соке (рН = 1,4); в коровьем молоке (рН = 6,6); в соке томата, грейпфрута и лимона (рН соответственно 4,3; 3,2 и 2,3).

3. Максимальной каталитической активности ферментов соответствует строго определенная концентрация ионов Н⁺: пепсин - пируваткарбоксилаза - щелочная фосфатаза - фумараза - ; каталаза - Определите значение рН, соответствующее максимальной активности указанных биокатализаторов.

4. Величина рН плазмы у позвоночных отличается исключительным постоянством (у человека рН = 7,4). При некоторых болезнях рН плазмы снижается до 6,9 либо повышается до 7,9, что может приводить к необратимым повреждениям. Какова концентрация ионов Н⁺ в плазме больных людей?

5. Как показывают измерения проводимости, 0,1М раствор пропионовой кислоты ионизирован при 25⁰С на 1,16%. Вычислите константу диссоциации и величину рК пропионовой кислоты.

6. Трехосновная фосфорная кислота Н₃РО₄ диссоциирует ступенчато:

I ступень

II ступень

III ступень

Константа диссоциации для I, II, III ступени равна Определите значения рК для каждой ступени.

7. Величина рН в клетке печени составляет 6,4. Вычислите отношение концентраций ионов Н₂РО₄^- и НРО₄^2- в клетке при условии, что К для второй ступени диссоциации фосфорной кислоты составляет

8. Водород существует в виде трех изотопов: протий (₁Н¹), дейтерий (₁Н² или ₁Д²) и тритий (₁Н³ или ₁Т³, радиоактивен). Кислород также существует в виде трех изотопов: ₈О¹⁶; ₈О¹⁷; ₈О¹⁸. Сколько изотопных разновидностей воды известно на Земле? В каких пределах может варьировать их относительная молекулярная масса?

Резюме

Основное водохранилище нашей планеты – мировой океан – это колыбель жизни на Земле, гигантский геохимический реактор и аккумулятор тепловой энергии.

Вода – самое распространенное соединение и в живых организмах. Высокая удельная теплоемкость воды полезна для биологических систем, потому что клеточная вода действует как тепловой буфер, позволяя сохранять относительное постоянство температуры при заметных ее колебаниях в окружающей среде. Многие важнейшие биохимические свойства клеточных макромолекул обусловлены взаимодействием с окружающими их молекулами воды.

Контрольные вопросы

1. Сколько молей в 1л воды?

2. Сколько молекул в 1л воды?

3. Какая жидкость, кроме воды, состоит из водорода и кислорода?

4. В виде каких ионов водород может входить в состав химических соединений?

Литература

1. Ленинджер А. Биохимия. – М., 1976.

2. Петрянов И.В. Самое небыкновенное вещество в мире. – М., 1981.

3. Потев М. И. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. – СПб., 1999.

Практическая работа 26
Биоэнергетика

---

Дата добавления: 2015-07-24