Свойства растворов, молекулярные орбитали, водородная связь, железосодержащие ферменты

Растворы, растворитель, растворенное вещество. Растворимость. Способы выражения концентрации растворов

Раствор - гомогенная (однородная) смесь, образованная не менее чем двумя компонентами, один из которых называется растворителем, а другой растворимым веществом, это также система переменного состава, находящаяся в состоянии химического равновесия.

Чаще под раствором подразумевается жидкое вещество, например раствор соли или спирта в воде (или даже раствор золота в ртути - амальгама).

Существуют также растворы газов в жидкостях, газов в газах и жидкостей в жидкостях, в последнем случае растворителем считается вода, или же компонент, которого больше.

В химической практике обычно под растворами понимают гомогенные системы, растворитель может быть жидким, твёрдым (твёрдый раствор), газообразным.

Коллоидные и истинные растворы (изучением коллоидных систем занимается коллоидная химия) отличаются главным образом размерами частиц. В истинных растворах размер частиц менее 1·10^?9 м, частицы в таких растворах невозможно обнаружить оптическими методами; в то время как в коллоидных растворах размер частиц 1·10^?9 м - 5·10^?7 м, частицы в таких растворах можно обнаружить при помощи ультрамикроскопа.

Растворение - переход молекул вещества из одной фазы в другую (раствор, растворенное состояние). Происходит в результате взаимодействия атомов (молекул) растворителя и растворённого вещества и сопровождается увеличением энтропии при растворении твердых веществ и её уменьшением при растворении газов. При растворении межфазная граница исчезает, при этом многие физические свойства раствора (например, плотность, вязкость, иногда - цвет, и другие) меняются.

В случае химического взаимодействия растворителя и растворенного вещества сильно меняются и химические свойства - например, при растворении газа хлороводорода в воде образуется жидкая соляная кислота.

Растворители - индивидуальные химические соединения или их смеси, способные растворять различные вещества, то есть образовывать с ними однородные системы переменного состава двух или большего числа компонентов.

Для систем жидкость-газ и жидкость-твёрдое тело растворителями принято считать жидкофазный компонент; для систем жидкость-жидкость и твердое тело-твердое тело - компонент, находящийся в избытке.

Растворимость - способность вещества образовывать с другими веществами однородные системы - растворы, в которых вещество находится в виде отдельных атомов, ионов, молекул или частиц. Растворимость выражается концентрацией растворённого вещества в его насыщенном растворе либо в процентах, либо в весовых или объёмных единицах, отнесённых к 100 г или 100 см? (мл) растворителя (г/100 г или см?/100 см?). Растворимость газов в жидкости зависит от температуры и давления. Растворимость жидких и твёрдых веществ - практически только от температуры.

В зависимости от цели для выражения концентрации растворов используются разные единицы измерения - весовой и объёмный процент, молярность, моляльность, г/л, мольная доля и др.

Молярная концентрация - количество растворённого вещества (число молей) в единице объёма раствора. Молярная концентрация в системе СИ измеряется в моль/м?, однако на практике её гораздо чаще выражают в моль/л или ммоль/л. Также распространено выражение в «молярности». Возможно другое обозначение молярной концентрации - С(х), которое принято обозначать М. Так, раствор с концентрацией 0,5 моль/л называют 0,5-молярным.

,

где:

? -- количество растворённого вещества, моль;

V -- общий объём раствора, л.

Моляльность - количество растворённого вещества (число молей) в 1000 г растворителя. Измеряется в молях на кг, также распространено выражение в «моляльности». Так, раствор с концентрацией 0,5 моль/кг называют 0,5-моляльным.

,

где:

? -- количество растворённого вещества, моль;

m₂ -- масса растворителя, кг.

Следует обратить особое внимание, что несмотря на сходство названий, молярная концентрация и моляльность - величины различные. Прежде всего, в отличие от молярной концентрации, при выражении концентрации в моляльности расчёт ведут на массу растворителя, а не на объём раствора. Моляльность, в отличие от молярной концентрации, не зависит от температуры.

Мольная доля - отношение количества молей данного компонента к общему количеству молей всех компонентов. Мольную долю выражают в долях единицы.

,

где:

?i -- количество i-го компонента, моль;

n -- число компонентов.

Метод молекулярных орбиталей. Применение метода ЛКАО для определения энергии и формы молекулярных орбиталей. Связывающие и разрыхляющие МО. Кратность связи

Теория молекулярных орбиталей (МО) дает представление о распределении электронной плотности и объясняет свойства молекул. В этой теории квантовомеханические зависимости для атома распространены на более сложную систему - молекулу. Молекула рассматривается как целое, а не как совокупность сохранивших индивидуальность атомов. В молекуле (как и в атоме) имеются дискретные энергетические состояния отдельных электронов (молекулярные орбитали) с их самосогласованным движением в поле друг друга и всех ядер молекулы.

Предполагается, что все электроны данной молекулы (как и в атоме) распределяются по соответствующим орбиталям. Состояние электрона в атоме описывается одноэлектронной волновой функцией ?, являющейся решением уравнения Шрёдингера. Волновая функция ?, зависящая от четырёх квантовых чисел, имеющая конкретный математический вид и удовлетворяющая условию нормировки и однозначности называется молекулярной орбиталью (МО) (по аналогии с атомной). Каждая орбиталь характеризуется своим набором квантовых чисел, отражающих свойства электронов в данном энергетическом состоянии. В отличие от одноцентровых орбиталей атомов, орбитали молекул многоцентровые, то есть молекулы имеют общие орбитали для двух или более атомных ядер. Каждая молекулярная орбиталь обладает определённой энергией, приближённо характеризующейся соответствующим потенциалом ионизации.

По аналогии с атомными s-, p-, d-, f- орбиталями молекулярные орбитали обозначают греческими буквами ?-, ?-, ?-, ?-. МО образуются при комбинировании атомных орбиталей при достаточном сближении. Совокупность МО молекулы с указанием её типа и количеством электронов на ней даёт электронную конфигурацию молекулы. Существуют 3 типа молекулярных орбиталей: связывающие, разрыхляющие и несвязывающие. Электроны на связывающих молекулярных орбиталях упрочняют связь, на разрыхляющих как бы дестабилизируют (расшатывают). Молекула является устойчивой лишь в том случае, если число электронов на связывающих орбиталях превышает число электронов на разрыхляющих. Электроны, находящиеся на несвязывающих молекулярных орбиталях, участие в образовании химической связи не принимают. Из исходных атомных орбиталей возникает n МО. Так, при образовании двухатомной молекулы H2 из атомов Н из s-орбиталей двух атомов Н возникают две двухцентровые МО - одна энергетически более выгодная (связывающая ?_s^св), другая менее выгодная (разрыхляющая ?_s^разр), чем исходные атомные орбитали. На связывающей МО электрон большую часть времени пребывает между ядрами (повышается электронная плотность), способствуя их химическому связыванию. На разрыхляющей же МО электрон большую часть времени находится за ядрами, вызывая отталкивание ядер друг от друга.

Характер распределения электронов по МО определяет порядок (кратность) связи, ее энергию, межъядерные расстояния (длина связи), магнитные свойства молекул и др. Заполнение молекулярных орбиталей подчиняется тем же правилам, что и заполнение атомных: принципу энергетической выгодности, принципу Паули, правилу Хунда, принципу заполнения электронных структур Aufbau. В общепринятом приближении молекулярная орбиталь рассматривается как линейная комбинация атомных орбиталей (приближение МО ЛКАО).

Кратность связи в теории молекулярных орбиталей определяется выражением

где и -- суммарные количества электронов на связывающих и разрыхляющих орбиталях соответственно.

Подробнее с методом молекулярных орбиталей можно познакомиться на примере молекулы водорода. У двух атомов водорода 2 1S орбитали с 1 электроном на каждой. Они имеют одинаковую энергию. Далее по приближению МО ЛКАО эти две орбитали преобразуются на 2: связывающую и разрыхляющую. Причём связывающая находится по энергии ниже 1s орбиталей водородов на ?E. Разрыхляющая орбиталь находится выше 1s орбиталей на ?E. Пусть 1S орбитали водородов имеют энергию Е, тогда связывающая орбиталь имеет энергию E - ?E, разрыхляющая E + ?E. Сложим энергии этих двух орбиталей (E - ?E) + (E + ?E) = 2E , что соответствует двум 1s орбиталям двух атомов водорода. То есть закон сохранения энергии выполняется (что и должно быть).

Хорошим примером работы метода молекулярных орбиталей может явится рассмотрение молекулы кислорода . В ней имеется одна ?-связь, т.е. одна ?-связывающая и одна ?-разрыхляющая орбитали. Общее же число орбиталей равно 8, т.к. число орбиталей валентного (высшего) уровня атома кислорода равно 4. Таким образом, число ?-связывающих орбиталей равно

,

и, соответственно, имеется столько же разрыхляющих ?-орбиталей. Энергия ?-орбиталей, как правило, меньше, чем у ?-орбиталей (из-за их, ?-орбиталей, большего "размера"), так что они заполняются раньше. Общее число электронов на орбиталях молекулы кислорода равно 12 (по 6 от каждого атома кислорода). Первые 6 электронов размещаются на 3 связывающих ?-орбиталях. (Необходимо помнить, что заполнение молекулярных, как и атомных орбиталей, происходит в соответствии с принципом Паули и правилом Хунда). Следующие два - на (одной) связывающей ?-орбитали. Остаётся 4 электрона. Сначала 3 из них заселяют 3 разрыхляющих ?-орбитали, по одному на каждую (по правилу Хунда). Послений завершает заселение одной из них (они, понятно, равноценны). В молекуле кислорода оказываются 2 неспаренных электрона. Таким образом, метод молекулярных орбиталей наличием этих неспаренных электронов объясняет наблюдающийся на практике парамагнетизм кислорода - в отличие от метода валентных связей, который не приводит к подобному результату. Согласно ММО, кратность связи в молекуле кислорода равна

,

т.е. связь двойная.

По сравнению с методом валентных схем метод молекулярных орбиталей имеет следующие преимущества:

1. Позволяет описывать химическую связь в электронодефицитных молекулах (диборан), молекулах радикалах (монооксид азота), молекулярных ионах (нитрозил, нитроил, гидразоний, оксигенил), гипервалентных соединениях (соединения благородных газов)

2. Объясняет образование молекул с многоцентровыми орбиталями. Например, в азотной кислоте азот имеет формально валентность 5, хотя не может образовывать 5 связей. Этот парадокс объясняется наличием трёхцентровой двухэлектронной связи.

Когда обнаружилась способность благородных газов образовывать соединения, некоторые учёные были склонны считать что электроны распариваются на следующий энергетический уровень и образуются нормальные двухцентровые двухэлектронные связи. Однако энергия на распаривание слишком велика, и она не покрылась бы энергией, выделившейся в результате образования химических связей. Оказывется, образуются трёхцентровые четырёхэлектронные связи. Модель МО ЛКАО позволяет объяснить образование химической связи в такого рода соединениях.

Энергию МО в молекуле либо определяют экспериментально (спектроскопически и др.) либо рассчитывают методами квантовой механики и квантовой химии (чисто теоретическими и полуэмпирическими).

Водородная связь и ее разновидности. Биологическая роль водородной связи

Водородная связь - разновидность донорно-акцепторной связи, невалентное взаимодействие между атомом водорода H, ковалентно связанным с атомом A группы A-H молекулы RA-H и электроотрицательным атомом B другой молекулы (или функциональной группы той же молекулы) BR'. Результатом таких взаимодействий являются комплексы RA-H***BR' различной степени стабильности, в которых атом водорода выступает в роли "моста", связывающего фрагменты RA и BR'.

Атом водорода, соединенный с атомом сильно электроотрицательного элемента, способен к образованию еще одной химической связи с другим сильно электроотрицательным атомом.

Возникновение водородной связи можно в первом приближении объяснить действием электростатических сил. Атом с большой электроотрицательностью, например, фтор в молекуле HF смещает на себя электронное облако, приобретая значительный эффективный отрицательный заряд, а ядро атома водорода (протон) почти лишается электронного облака и приобретает эффективный положительный заряд. Между протоном атома водорода и отрицательно заряженным атомом фтора соседней молекулы возникает электростатическое притяжение, что и приводит к образованию водородной связи.

Энергия водородной связи значительно меньше энергии обычной ковалентной связи (не превышает 40 кДж/моль). Однако этой энергии достаточно, чтобы вызвать ассоциацию молекул, то есть их объединение в димеры или полимеры. Именно ассоциация молекул служит причиной аномально высоких температур плавления и кипения таких веществ, как фтороводород, вода, аммиак. Водородная связь в значительной мере определяет свойства и таких биологически важных веществ, как белки и нуклеиновые кислоты.

Прочность водородной связи (энтальпия образования комплекса) зависит от полярности комплекса и колеблется от ~ 6 кДж/моль для комплексов молекул галогеноводородов с инертными газами до 160 кДж/моль для ион-молекулярных комплексов (AHB)±; так, для комплекса (H2O*H*OH2)⁺ образованного H2O и H3O⁺ - 132 кДж/моль в газовой фазе.

Связь этого типа, хотя и слабее ионной и ковалентной связей, тем не менее играет очень важную биологическую роль. В частности, элементы вторичной структуры (например, ?-спирали, ?-складки) в молекулах белков стабилизированы водородными связями. Водородные связи во многом обуславливают физические свойства воды и многих органических жидкостей (спирты, карбоновые кислоты, амиды карбоновых кислот, сложные эфиры).

Аномально высокая электропроводность и теплоёмкость воды, а также теплопроводность многоатомных спиртов обеспечивается многочисленными водородными связями. Одна молекула воды может образовать до четырёх классических водородных связей с соседями (с учётом бифуркатных связей Н-связей до 5-6).

Водородные связи повышают температуру кипения, вязкость и поверхностное натяжение жидкостей. Водородные связи ответственны за многие другие уникальные свойства воды.

Общая характеристика элементов VIIIB группы. Железо. Химическая активность. Окислительно-восстановительные свойства. Гемоглобин и железосодержащие ферменты. Химическая сущность их действия

В группе металлов VIIIB группы расположены триады металлов:

- IV период - семейство железа (железо Fe , кобальт Co, никель Ni) - наиболее активные металлы всей группы;

- V период - семейство рутения (рутений Ru, родий Ro, палладий Pd);

- VI период - семейство платины (осмий Os, иридий Ir, платина Pt).

Степени окисления у металлов этих семейств изменяются в зависимости от строения d-подуровня в каждом периоде в сторону их уменьшения, что иллюстрирует семейство железа:

- у железа Fe - +2, +3 (устойчивая), +6;

- у кобальта Co и никеля Ni - +2 (устойчивая), +3 и +4.

Все металлы этого семейства не проявляют амфотерных свойств, их оксиды (за исключение оксида железа (III) Fe₂O₃) - тоже не амфотерны, гидроксиды металлов (II) Me(OH)₂ являются слабыми основаниями, а вот гидроксиды металлов (III) Me(OH)₃ уже амфолиты.

В кислотах металлы семейства железа окисляются до катионов Me²⁺, а в концентрированных кислотах - до катиона Me³⁺. В комплексных соединениях катионы Me²⁺ и Me³⁺ проявляют координационное число равное 6, образуя, например, такие хорошо известные в аналитической химии комплексные соли как K₄[Fe²⁺(СN)₆] (гексацианоферрат (II) калия или желтая кровяная соль) и K3[Fe3+(СN)6] (гексацианоферрат (III) калия или красная кровяная соль).

При сплавлении оксида железа (III) Fe₂O₃ с окислителями в присутствии щелочей образуются соли железной кислоты - ферраты (VI). Феррат (VI) калия - соединение неустойчивое и диспропорционирует, превращаясь в соль железистой кислоты - феррит (III) калия.

Железо - элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) - ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре -- 4,65 % (4-е место после O, Si, Al). Считается также, что железо составляет бомльшую часть земного ядра.

Важнейшая геохимическая особенность железа - наличие у него нескольких степеней окисления. Железо в нейтральной форме - металлическое - слагает ядро земли, возможно, присутствует в мантии и очень редко встречается в земной коре. Закисное железо FeO - основная форма нахождения железа в мантии и земной коре. Окисное железо Fe₂O₃ характерно для самых верхних, наиболее окисленных, частей земной коры, в частности, осадочных пород.

По кристаллохимическим свойствам ион Fe²⁺ близок к ионам Mg²⁺ и Са²⁺ - другим главным элементам, составляющим значительную часть всех земных пород. В силу кристаллохимического сходства железо замещает магний и, частично, кальций во многих силикатах. При этом содержание железа в минералах переменного состава обычно увеличивается с уменьшением температуры.

Железо - типичный металл, в свободном состоянии - серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности - углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» - группу трёх металлов (железо Fe, кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.

Для железа характерен полиморфизм, он имеет четыре кристаллические модификации:

- до 769°C существует ?-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика (769°C ? 1043 K - точка Кюри для железа);

- в температурном интервале 769-917°C существует ?-Fe, который отличается от ?-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика;

- в температурном интервале 917-1394 °C существует ?-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой;

- выше 1394°C устойчив ?-Fe с объёмоцентрированной кубической решёткой.

Железо тугоплавко, относится к металлам средней активности. Температура плавления железа 1539°C, температура кипения - около 3200°C.

Основные степени окисления железа - +2 и +3.

При хранении на воздухе при температуре до 200°C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближённо её химическую формулу можно записать как Fe₂О₃·хН₂О.

С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe₃О₄, при сгорании в чистом кислороде - оксид Fe₂О₃. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeO. При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближённую формулу которого можно записать как FeS.

Железо при нагревании реагирует с галогенами. Так как FeF₃ нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200-300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeCl₃. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr₃. При нагревании FeCl₃ и, особенно, FeBr₃ отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа(II). При взаимодействии железа и иода образуется иодид Fe₃I₈.

При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe₃N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe₂P и Fe₃P, с углеродом, образуя карбид Fe₃C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi.

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с оксидом углерода(II) СО, причём образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)₅. Известны также карбонилы железа составов Fe₂(CO)₉ и Fe₃(CO)₁₂. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава (?5-С₅Н₅)2Fe.

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная плёнка пассивирует его поверхность.

С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа(II):

Fe + 2HCl > FeCl₂ + H₂^;

Fe + H₂SO₄ > FeSO₄ + H₂^.

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа(III):

2Fe + 6H₂SO₄ > Fe2(SO₄)₃ + 3SO₂^ + 6H₂O.

Оксид железа(II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН)₂. Оксид железа(III) Fe₂O₃ слабо амфотерен, ему отвечает ещё более слабое, чем Fe(ОН)₂, основание Fe(ОН)₃, которое реагирует с кислотами:

2Fe (ОН)₃ + 3H₂SO₄ > Fe₂ (SO₄)₃ + 6H₂O.

Гидроксид железа(III) Fe (ОН)3 проявляет слабо амфотерные свойства, он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Fe (ОН)₃ + 3КОН > К₃[Fe (ОН)₆].

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причём в осадок выпадает Fe(OH)₃.

Соединения железа(III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe + 2Fe Cl₃ > 3Fe Cl₂.

При хранении водных растворов солей железа(II) наблюдается окисление железа(II) до железа(III):

4Fe Cl₂ + O₂ + 2H2O > 4Fe (OH)Cl₂.

Из солей железа(II) в водных растворах устойчива соль Мора -- двойной сульфат аммония и железа(II) (NH₄)2Fe(SO₄)₂·6Н₂О.

Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO₄)₂ - железокалиевые квасцы, (NH₄)Fe(SO₄)₂ - железоаммонийные квасцы и т. д.

При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа(III) образуются соединения железа(VI) -- ферраты, например, феррат(VI) калия K₂FeO₄. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа(VIII).

Для обнаружения в растворе соединений железа(III) используют качественную реакцию ионов Fe³⁺ с тиоцианат-ионами SCN^-. При взаимодействии ионов Fe³⁺ с анионами SCN^- образуется ярко-красный роданид железа Fe(SCN)₃. Другим реактивом на ионы Fe³⁺ служит гексацианоферрат(II) калия K₄[Fe(CN)₆] (жёлтой кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^4- выпадает ярко-синий осадок берлинской лазури:

4K₄[Fe(CN)₆] + 4Fe³⁺ > 4KFeIII[FeII(CN)₆]v + 12K⁺.

Реактивом на ионы Fe²⁺ в растворе может служить гексацианоферрат(III) калия K₃[Fe(CN)₆] (красная кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe²⁺ и [Fe(CN)₆]^3- выпадает осадок турнбулевой сини:

3K₃[Fe(CN)₆] + 3Fe²⁺ > 2KFeII[FeIII(CN)₆]v + 6K⁺.

В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). В организме взрослого человека содержится около 3,5 грамма железа (около 0,02%), из которых 75% являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках. Недостаток железа проявляется как болезнь организма (хлороз у растений и анемия у животных).

Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом. В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине - важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. И именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет.

Главная функция гемоглобина состоит в транспорте дыхательных газов. В капиллярах лёгких в условиях избытка кислорода последний соединяется с гемоглобином. Током крови эритроциты, содержащие молекулы гемоглобина со связанным кислородом, доставляются к органам и тканям, где кислорода мало, здесь необходимый для протекания окислительных процессов кислород освобождается из связи с гемоглобином. Кроме того, гемоглобин способен связывать в тканях небольшое количество диоксида углерода (CO₂) и освобождать его в лёгких. Монооксид углерода (CO) связывается с гемоглобином крови прочнее, чем кислород, образуя карбоксигемоглобин (HbCO). Некоторые процессы приводят к окислению иона железа в геме до степени окисления +3. В результате образуется форма гемоглобина, известная как метгемоглобин (HbOH). В обоих случаях блокируются процессы транспортировки кислорода. Впрочем, монооксид углерода может быть частично вытеснен из гема при повышении парциального давления кислорода в легких.

Комплексы железа, отличные от гема, встречаются, например, в ферменте метан-моноксигеназе, окисляющем метан в метанол, в важном ферменте рибонуклеотид-редуктазе, который участвует в синтезе ДНК.

Неорганические соединения железа встречается в некоторых бактериях, иногда используется ими для связывания азота воздуха.

Задача

N₂(г) + 3 Н₂(г) 2NH₃(г)

Принцип Ле Шателье - Брауна (1884 г.) - если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий (температура, давление, концентрация), то равновесие смещается таким образом, чтобы уменьшить изменение.

При повышении концентрации одного из продуктов реакции равновесие сдвигается в направлении образования исходных веществ, то есть вправо.

При повышении температуры химическое равновесие смещается в направлении эндотермической реакции, то есть влево, в сторону исходных веществ.

Во всех реакциях с участием газообразных веществ, сопровождающихся изменением объема за счет изменения количества вещества при переходе от исходных веществ к продуктам, на положение равновесия влияет давление в системе.

При понижении давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ с большим объемом, то есть влево, в сторону исходных веществ.

?Н_реак = 2?Н(NH₃) - 3?Н(Н₂) - ?Н(N₂)

Стандартные энтальпии образования простых веществ равны нулю, значит:

?Н(NH₃) = ?Н_реак/2 = -46 кДЖ/моль.

?G = ?Н - T?S

?S_реак = 2?S(NH₃) - 3?S(Н₂) - ?S(N₂) = 385,32 - 391,56 - 199,9 = -206,14

?G = -92 - 298*(-206,14*10^-3) = -30,57 кДЖ/моль.

Так как ?G < 0, то реакция протекает самопроизвольно при стандартных условиях.

При 1000?С константа равновесия реакции:

FeO(к) + СО(г) Fe(к) + CO₂(г)

равна 0,5. Каковы равновесные концентрации СО и СО₂, если в сосуде вместимостью 10 л смешать 0,05 моль СО и 0,01 моль СО₂?

Для нахождения равновесных концентраций CO и CO₂ учтем, что, согласно уравнению, из 1 моль СО образуется 1 моль CO₂. Поскольку, по условию задачи в системе было 0,01 вещества CO_2, то:

[СО]_равн = 0,05- 0,01 = 0,04

К = [СО₂ ] / [ CО ]

[СО₂]_равн = К * [СО] = 0,5 * 0,04 = 0,02

Ответ: [СО]_равн = 0,04, [СО₂]_равн = 0,02.