Активна реакція середовища. Буферні системи організму

Размещено на http://www.allbest.ru/

«Активна реакція середовища. Буферні системи організму»

Окрім механічних перенесень, частинки дисперсійної фази та дисперсійного середовища хімічно взаємодіють між собою. Дисперсійним середовищем більшості дисперсних систем організму є вода, яка складає біля 80 % ваги тіла. Молекула води складається з двох атомів водню ( мають по одному неспареному електрону ) та атома кисню який має два неспарених електрона.

Атоми зв'язані між собою двома ковалентними ( рівносильними , двох електронними, двох центровими ) полярними зв'язками:

Кисень більш електронегативний ( сильніший ) атом і відтягує електронну густину зв'язків на себе , набуваючи при цьому частково негативного заряду ( заряд електрона - ). Атоми водню, збіднені електронами, набувають часткового позитивного заряду.

Електростатичне відштовхування між однойменно зарядженими атомами, та наявність двох вільних пар електронів у атома кисню, обумовлює тетраедричну будову молекул води в просторі, протилежні кінці якої заряджені різнойменно:

Молекула - кінці якої мають протилежні заряди називається диполем.

Дипольний момент кількісна характеристика полярності молекули, являє собою добуток величини зарядів на відстань між ними :

= q L (D)

Дипольна будова приводить до того, що молекули води об'єднуються між собою з утворенням асоціатів (рідини) за рахунок водневих зв'язків :

При цьому, хімічні властивості води залишаються незмінними ( водневі зв'язки слабкі ), а фізичні властивості змінюються дуже. Зокрема значно зростає розчинююча здатність води. Взаємодіючи з молекулами інших полярних речовин вода гідратує їх, розриваючи внутрішньомолекулярні зв'язки:

Процес розпаду речовин на іони під впливом розчинника називається дисоціацією.

Йони що мають позитивний заряд (недостачу електронів) називаються катіонами, а йони що мають негативний заряд (надлишок електронів) називаються аніонами.

Речовини які при розчиненні утворюють розчини що володіють іонною провідністю називають електролітами.

Кількісною характеристикою процесу дисоціації є :

ступінь дисоціації -- характеризує сильні електроліти і є відношенням кількості молекул що про дисоціювали до їх загальної кількості.

Константа дисоціації -Кд - характеризує слабкі електроліти. Для речовини МА, що дисоціює за схемою

Чому різні фізичні величини виражають глибину дисоціації ?

Сильні електроліти дисоціюють майже повністю. В розчині практично не залишається молекул що не про дисоціювали :

NaCI Na+ + CI --.

При дисоціації слабких електролітів, в розчині встановлюється динамічна рівновага між молекулами та йонами. Чим вище значення Кд тим в більшій мірі речовина розпалася на йони.

По силі електроліти класифікують на:

сильні - процент розпаду > 30 % H2SO4 , HCI , NaCI

середньої сили - процент розпаду >3 % < 30 % CH3COOH , NH4OH

слабкі - процент розпаду < 3 % CH3CH(OH)COOH

Кислоти у водних розчинах дисоціюють (розпадаються) на катіони (протони ) водню та аніони кислотного залишку:

HCI H+ + CI - = 100 % ; HF H+ +F - Kд =7.0 .10 -4 ;

СН3СООН СН3СОО - + Н+ Кд=1.7.10 -5 ; HCN H+ + CN - Kд =6.2 .10--10

Багатоосновні кислоти дисоціюють ступінчасто з різною силою:

Н3РО4 Н+ + Н2РО4 - Кд = 7.1. 10 -3 ;

Н2РО4 -- Н+ + НРО4 2- Кд = 6.2. 10 -8 ;

НРО42-- Н+ + РО4 3- Кд = 4.4 .10 -13 .

Основи у водних розчинах дисоціюють з утворенням катіону металу та аніону гідроксилу:

NaOH Na+ + OH - = 100% ;

Ca(OH)2 Ca2+ + 2OH - = 30 % ;

NH4OH NH4+ + OH - Кд = 1.79 .10 -5 .

Солі у водних розчинах дисоціюють з утворенням катіону металу та аніону кислотного залишку.

NaCI Na+ + CI - = 100 %

Na2SO4 2Na+ + SO42- = 100 %

Майже всі солі є сильними електролітами, бо утворені за допомогою йонного зв?язку.

Отже: сила електроліту (глибина розпаду молекули) залежить від типу зв`язку в молекулі, який визначається різницями електронегативностей елементів що його утворюють:

Розрізняють

Ковалентний неполярний Е.Н. = 0 - 0.9 Н2 ; СІ2 ; О2

Ковалентний полярний Е.Н. = 0.9 -1.9 НСІ =0.9 ; HF =1.9

Йонний Е.Н. = 1.9 - 3.3. NaF = 3.1

Таблиця електронегативності деяких хімічних елементів

Молекули води маючи великі дипольні моменти, в невеликій кількості і самі розпадаються на йони згідно рівняння:

Н2О Н+ + ОН - або 2Н2О Н3О+ + ОН - .

Виходячи із значення константи дисоціації Кд=[H+].[OH-]/ [H2O] = 1.86.10 -16 можна зробити висновок, що вода слабкий електроліт ( із 55 млн. молекул во-ди, що містяться в одному літрі дисоціює тільки одна ). Отже , при постійній температурі концентрація недисоційованої форми величина постійна і становить: [ H2O] = 1000/18 = 55.56 (моль/літр), де 1000 г/л - маса одного літра води, 18 г/моль - маса одного моля води. З рівняння, що визначає константу дисоціації води отримуємо вираз добутку двох констант:Кд . [ H2O] = [H+] .[OH -], який називають іонним добутком води.

10 -16 . 55.56 = [ H+] . [OH -]

10 -14 = [ H+] .[ OH -]

Іонний добуток води показує, що: зміна концентрацій одного йону не може проходити без зміни концентрації іншого; співвідношення концентрацій вільних водневих та гідроксильних йонів визначає активну реакцію розчину:вільні водневі йони визначають активну кислотність, а вільні гідроксильні йони визначають активну лужність середовища.

Розчини в яких [ H+] = [ OH -] називають нейтральними;

Розчини в яких [H+] > [ OH -] називають кислими ;

Розчини в яких [ H+]< [ OH -] називають лужними.

Виходячи з рівняння дисоціації води та виразу іонного добутку можна встановити активну реакцію води:

Н2О Н+ + ОН -

[ H+] .[ OH -] = 10 -14

Поскільки при дисоціації утворюється однакова кількість протонів водню та гідроксильних аніонів, то позначивши концентрацію протонів водню через Х, приймаємо і концентрацію гідроксильних аніонів теж рівну Х. Маємо :

Отже: вода має нейтральну реакцію .

Оскільки значення молярної концентрації протонів водню та аніонів гідроксилу є числа з від`ємними показниками ступеня, то в розрахунках користуватися ними незручно . Тому, нім . вчений Зьоренсен ввів поняття водневого показника рН (potens hidrojen), що означає в дослівному перекладі « сила водню»:

Водневий показник являє собою десятковий логарифм концентрації водневих іонів з від`ємним знаком:

рН = - Lg [H+].

Отже: для нейтральних розчинів рН = 7 , для кислих розчинів рН 7, для лужних розчинів рН > 7 .

Біохімічні процеси проходять при строго визначених значеннях рН. Зміна цих значень може не тільки прискорити чи загальмувати їх протікання, а і повністю змінити напрямки перебігу. Не дивлячись на те, що проміжні продукти біохімічних процесів мають різні значення рН, в ході обмінних реакцій кардинальної зміни активної реакції середовища не відбувається завдяки наявності в організмі речовин, що володіють буферними властивостями. Буферні властивості проявляються у зв`язуванні надлишку вільних водневих чи гідроксильних йонів у малодисоційовані чи менш дисоційовані молекули. Приклад: При бігові на довгі дистанції організм перебуває у стані кисневого голоду. В нор-мі вуглеводи розпадаючись до СО2 та Н2О забезпечують м`язи енергією розпаду АТФ. Проте при окисленні в умовах дефіциту кисню розпад вуглеводів проходить лише до стадії молоч-ної кислоти. Остання, будучи досить сильною кислотою Кд = 1.38 .10 -- 4, відчутно закислює внутріклітинне середовище (порушує баланс між концентраціями протонів водню і гідроксильних аніонів у сторону збільшення концентрацій перших). Нервові рецептори фіксуючи зміну рН викликають відчуття болю. Через деякий час біль проходить внаслідок нормалізації клітинного та тканинного рН завдяки дії буферних систем.

В рівняннях описаний випадок виглядить слідуючим чином:

С6Н12О6 2 СН3СН(ОН)СООН

СН3СН(ОН)СООН СН3СН(ОН)СОО -- + Н + Кд = 1.38 .10 -4

NaHCO3 Na + + НСО3--

Н2СО3 Н + + НСО3-- Кд = 5 .10 --11

Із значень констант дисоціації молочної та вугільної кислот видно, що протон водню, який утворюється при дисоціації молочної кислоти, зв`язується гідро карбонатним аніоном у вугільну кислоту, яка являється значно слабкішою (гірше дисоціює) ніж молочна кислота. В результаті кількість вільних водневих іонів зменшується, кислотність середовища стабілізується.

Речовини, які володіють буферними властивостями (буферні системи ) являють собою:

1. Суміші розчинів слабких кислот з розчинами їх солей від сильних основ (кислотні б.с.).

2.Суміші розчинів слабких основ з розчинами їх солей від сильних кислот ( ос-новні б.с.).

Серед кислотних буферних систем найбільше значення в організмі мають слідуючі:

Гідрокарбонатна: Н2СО3 + NaHCO3

Ацетатна: СН3СООН + СН3СООNa

Фосфатна: NaH2PO4 + Na2HPO4

Білкова: білок-кислота + білок-сіль,

Амонійна: NH4OH + NH4CI .

атом молекула електроліт хімічний

Буферна дія системи не безмежна, вона визначається буферною ємністю, яка кількісно характеризує здатність системи підтримувати буферну дію. Вимірюється кількістю сильної кислоти чи лугу, яку необхідно додати до 1 літру розчину щоб його рН змінилося на одиницю.

При розведенні чи концентруванні буферних розчинів, буферна дія зберігається, змінюється лише буферна ємність: при розведенні вона зменшується, при концентруванні - збільшується.

Систематичні тренування приводять до збільшення буферних ємностей організму.

Размещено на Allbest.ru