Головна

ВОДЕНЬ І ЙОГО СПОЛУКИ

  1. АЗОТ І ЙОГО СПОЛУКИ
  2. Азотомісткі АРОМАТИЧНІ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ З'ЄДНАННЯ
  3. АРОМАТИЧНІ Діазо- І Азосоединения, барвники
  4. АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ (АРЕНИ)
  5. Атом водню в квантовій механіці
  6. Болтові з'єднання металевих конструкцій
  7. У більшості випадків естрадному драматургу слід домагатися, щоб тема програми, її склад давали можливість органічного, смислового з'єднання двох відділень.

Атом водню в порівнянні з атомами інших елементів має найпростішу структуру: він складається з одного протона.

утворює атомне ядро, і одного електрона, розташованого на ls-орбіталі. Унікальність атома водню полягає в тому, що його єдиний валентний електрон знаходиться безпосередньо в полі дії ядра атома, оскільки він не екранується іншими електронами. Це забезпечує йому специфічні властивості. Він може в хімічних реакціях віддавати свій електрон, утворюючи катіон Н+ (Подібно до атомів лужних металів), або приєднувати електрон від партнера з утворенням аніону Н (подібно до атомів галогенів). Тому водень в періодичній системі поміщають частіше в IA групі, іноді в VIIA групі, але зустрічаються варіанти таблиць, де водень не належить ні до однієї з груп періодичної таблиці.

Молекула водню двохатомних - Н2. Водень - найлегший з усіх газів. Внаслідок Неполярний і великий міцності молекули Н2 св = 436 кДж / моль) при нормальних умовах водень активно взаємодіє тільки з фтором, а при освітленні також з хлором і бромом. При нагріванні реагує з багатьма неметалами, хлором, бромом, киснем, сіркою, проявляючи відновні властивості, а вступаючи у взаємодію з лужними і лужноземельними металами, є окислювачем і утворює гідриди цих металів:

Серед всіх органогенов у водню найменша відносна електронегативність (0Е0 = 2,1), тому в природних з'єднаннях водень завжди проявляє ступінь окислення +1. З позиції хімічної термодинаміки водень в живих системах, що містять воду, не може утворювати ні молекулярний водень (Н2), Ні гідрид-іон (Н ~). Молекулярний водень при звичайних умовах хімічно малоактивний і при цьому сильно летючий, через що він не може утримуватися організмом і брати участь в обміні речовин. Гідрид-іон хімічно надзвичайно активний і відразу взаємодіє навіть з дуже малою кількістю води з утворенням молекулярного водню. Тому водень в організмі знаходиться або у вигляді сполук з іншими органогенами, або у вигляді катіона Н+.

Водень з елементами-органогенами утворює тільки ковалентні зв'язки. За ступенем полярності ці зв'язки розташовуються в наступний ряд:

 
 

 Цей ряд дуже важливий для хімії природних сполук, так як полярність цих зв'язків і їх здатність до поляризації зумовлюють кислотні властивості з'єднань, т. Е. Дисоціацію з утворенням протона.

Кислотні властивості.Залежно від природи елемента, що утворює зв'язок Х-Н, виділяють 4 типи кислот:

ОН-кислоти (карбонові кислоти, феноли, спирти);

SH-кислоти (Меркаптани);

NH-кислоти (аміди, іміди, аміни);

СН-кислоти (вуглеводні і їх похідні).

З урахуванням високої поляризуемости зв'язку S-Н можна скласти наступний ряд кислот за здатністю до дисоціації:

Концентрація катіонів водню у водному середовищі визначає її кислотність, яка виражається за допомогою водневого показника рН = -lg [H+] (Розд. 7.5). Більшість фізіологічних середовищ організму має реакцію, близьку до нейтральної (рН = 5,0-7,5), тільки у шлункового соку рН = 1,0-2,0. Це забезпечує, з одного боку, протимікробну дію, вбиваючи багато мікроорганізмів, занесені в шлунок з їжею; з іншого боку, кисле середовище надає каталітичне дію при гідролізі білків, полісахаридів та інших биосубстратов, сприяючи отриманню необхідних метаболітів.

Окислювально-відновні властивості.Внаслідок великої щільності позитивного заряду катіон водню є досить сильним окислювачем (ф ° = 0 В), окислюючи активні і середньої активності метали при взаємодії з кислотами і водою:

 
 

 У живих системах таких сильних відновників немає, а окислювальна здатність катіонів водню в нейтральному середовищі (рН = 7) значно знижена (ф ° = -0,42 В). Тому в організмі катіон водню не проявляє окислювальних властивостей, але бере активну участь в окисно-відновних реакціях, сприяючи перетворенню вихідних речовин в продукти реакції:

У всіх наведених прикладах атоми водню своєї ступеня окислення +1 не змінили.

Відновлювальні властивості характерні для молекулярного і особливо для атомарного водню, т. Е. Водню в момент ниделенія безпосередньо в реакційній середовищі, а також для гідрид-іона:

Однак в живих системах таких відновників (Н2 або Н) немає, і тому немає подібних реакцій. Зустрічається в літературі, в тому числі і в підручниках, думка, що водень є носієм відновлювальних властивостей органічних сполук, не відповідає дійсності; так, в живих системах відновником биосубстратов виступає відновлена ??форма коферменту дегідрогенази, в якій донором електронів є атоми вуглецю, а не атоми водню (розд. 9.3.3).

Комплексоутворюючі властивості.Внаслідок наявності у катіона водню вільної атомної орбіталі і високого поляризующего дії самого катіона Н+ він є активним іоном-комплексоутворювачем. Так, у водному середовищі катіон водню утворює іон гідроксонію Н3О+, А при наявності аміаку -іон амонію NH4:

Схильність до утворення асоціатів.Атоми водню сільнополярних зв'язків О-Н і N - Н утворюють водневі зв'язки (розд. 3.1). Міцність водневого зв'язку (від 10 до 100 кДж / моль) залежить від величини локалізованих зарядів  і довжини водневого зв'язку, т. е. від відстані між атомами електронегативних елементів, що беруть участь в її освіті. Для амінокислот, вуглеводів, білків, нуклеїнових кислот характерні наступні довжини водневих зв'язків, пм:

Завдяки водневим зв'язкам виникають оборотні міжмолекулярні взаємодії між субстратом і ферментом, між окремими групами в природних полімерах, що визначають їх вторинну, третинну і четвертинних структуру (розд. 21.4, 23.4). Провідну роль воднева зв'язок грає у властивостях води як розчинника і реагенту.

Вода і її властивості.Вода - найважливіша сполука водню. Всі хімічні реакції в організмі протікають тільки у водному середовищі, життя без води неможлива. Вода як розчинник розглядалася в розд. 6.1.

Кислотно-основні властивості. Вода як реагент з позиції кислотно-основних властивостей є істинним амфолітом (розд. 8.1). Це проявляється і при гідролізі солей (розд. 8.3.1), і при дисоціації кислот і підстав у водному середовищі (розд. 8.3.2).

Кількісною характеристикою кислотності водних середовищ є водневий показник рН.

Вода як кислотно-основний реагент бере участь в реакціях гідролізу биосубстратов. Наприклад, гідроліз аденозинтрифосфату служить джерелом запасеної енергії для організму, ферментативний гідроліз непотрібних білків служить для отримання амінокислот, які є вихідним матеріалом для синтезу необхідних білків. При цьому катіони Н+ або аніони ОН- є кислотно-основними каталізаторами реакцій гідролізу биосубстратов (розд. 21.4, 23.4).

Окислювально-відновні властивості. У молекулі води і водень, і кисень знаходяться в стійких ступенях окислення. Тому вода не проявляє яскраво виражених окисно-відновних властивостей. Окислювально-відновні реакції можливі при взаємодії води тільки з дуже активними відновниками або дуже активними окислювачами, або в умовах сильної активації реагентів.

Вода може бути окислювачем за рахунок катіонів водню при взаємодії з сильними відновниками, наприклад лужними і лужноземельними металами або їх гідридами:

При високих температурах можлива взаємодія води з менш активними відновниками:

У живих системах їх компонент вода ніколи не виступає як окислювач, оскільки це призвело б до знищення цих систем через утворення та незворотного видалення молекулярного водню з організмів.

Вода може виступати в ролі відновника за рахунок атомів кисню  наприклад при взаємодії з таким сильним окислювачем, як фтор:

Під дією світла і за участю хлорофілу в рослинах протікає процес фотосинтезу з утворенням О2 з води (розд. 9.3.6):

Крім безпосередньої участі в окисно-відновних перетвореннях вода і продукти її дисоціації Н+ і ОН беруть участь як середовище, яке сприяє протіканню багатьох окисно-відновних реакцій внаслідок її високої полярності (  = 79) і участі утворених нею іонів в перетвореннях вихідних речовин в кінцеві (розд. 9.1).

Комплексоутворюючі властивості. Молекула води через наявність у атома кисню двох неподіленого електронних пар є досить активним монодентатно лигандом, який з катіоном водню утворює комплексний іон оксония Н30+, А з катіонами металів у водних розчинах -досить стійкі Аквакомплекси, наприклад [Са (Н20)6]2+, [Fe (H20)6]3+, [Cu (H20)4]2+. У цих комплексних іонах молекули Ноди ковалентно пов'язані з комплексоутворювачами досить міцно. Катіони лужних металів аквакомплексів не утворюють, а за рахунок електростатичних сил утворюють гідратованих катіони. Час осілого життя молекул води в гідратних оболонках цих катіонів не перевищує 0,1 с, а їх склад по числу молекул води може легко змінюватися.

Схильність до утворення асоціатів. Внаслідок великої полярності, що сприяє електростатичного взаємодії і утворення водневих зв'язків, молекули води навіть у чистій воді (розд. 6.1) утворюють міжмолекулярні асоціати, що розрізняються за структурою, кількістю молекул і часу їх осілого життя в асоціати, а також часу життя самих ассоциатов. Таким чином, чиста вода є відкритою складною динамічною системою. Під дією зовнішніх факторів: радіоактивне, ультрафіолетове і лазерне випромінювання, пружні хвилі, температура, тиск, електричні, магнітні та електромагнітні поля від штучних і природних джерел (космос, Сонце, Земля, живі об'єкти) - вода змінює свої структурно-інформаційні властивості, а отже, змінюються її біологічні і фізіологічні функції.

Крім самоасоціації молекули води гидратируют іони, полярні молекули і макромолекули, утворюючи навколо них гідратів оболонки, тим самим стабілізують їх в розчині і сприяють їх розчиненню (розд. 6.1). Речовини, молекули яких неполярні і мають відносно невеликі розміри, здатні тільки незначно розчинятися у воді, заповнюючи порожнечі її ассоциатов з певною структурою. При цьому в результаті гідрофобної взаємодії неполярні молекули структурують навколишнє їх гідрадну оболонку, перетворюючи її в структурований ассоциат, зазвичай з льодоподібною структурою, всередині якого розташована дана неполярная молекула.

В живих організмах можна виділити дві категорії води - "пов'язану" і "вільну", остання, мабуть, є тільки в міжклітинної рідини (розд. 6.1). Пов'язана вода, в свою чергу, підрозділяється на "структуровану" (прочносвязанная) і "деструктуріровать" (слабо зв'язаної або пухку) воду. Ймовірно, всі перераховані вище зовнішні чинники впливають на стан води в організмі, змінюючи співвідношення: "структурована" / "деструктуріровать" і "пов'язана" / "вільна" вода, а також її структурно-динамічні параметри. Це проявляється у змінах фізіологічного стану організму. Не виключено, що внутрішньоклітинна вода безперервно зазнає регульовані, в основному білками, пульсації переходи з "структурованого" в "деструктуріровать" стан. Ці переходи взаємопов'язані з виштовхуванням з клітки відслужили метаболітів (шлаків) і всмоктуванням необхідних речовин. З сучасної точки зору вода бере участь у формуванні єдиної внутрішньоклітинної структури, завдяки якій досягається упорядкованість процесів життєдіяльності. Тому, за образним висловом А. Сент-Дьёрдьі, вода в організмі є "матрицею життя".

Вода в природі. Вода - найважливіше і найпоширеніша речовина на Землі. Поверхня земної кулі на 75% покрита водою. Обсяг Світового океану становить 1,4 млрд. Км3. Стільки ж води знаходиться в мінералах у вигляді кристалізаційної води. Атмосфера містить 13 тис. Км3 води. У той же час запаси прісної води, придатної для пиття і побутових потреб, досить обмежені (обсяг всіх прісноводних водойм становить 200 тис. Км3). Прісна вода, що вживається в побуті, містить різні домішки від 0,05 до 1 г / л, найчастіше це солі: гідрокарбонати, хлориди, сульфати, - в тому числі розчинні солі кальцію і магнію, присутність яких робить воду жорсткою (розд. 14.3 ). В даний час охорона водних ресурсів та очищення стічних вод є найбільш актуальними екологічними проблемами.

У звичайній воді присутні близько 0,02% важкої води D2O (D - дейтерій). Вона накопичується при випаровуванні або електролізі звичайної води. Важка вода токсична. Важку воду застосовують для вивчення руху води в живих організмах. З її допомогою встановлено, що швидкість руху води в тканинах деяких рослин досягає 14 м / ч, а вода, випита чоловіком, за 2 год повністю розподіляється по його органам і тканинам і лише через два тижні повністю виводиться з організму. Живі організми містять від 50 до 93% води, яка є неодмінним учасником всіх процесів життєдіяльності. Без води життя неможливе. При тривалості життя 70 років людина з їжею і питвом споживає близько 70 т води.

У науковій і медичній практиці широко використовується дистильована вода - Безбарвна прозора рідина без запаху і смаку, рН = 5,2-6,8. Це фармакопейний препарат для приготування багатьох лікарських форм.

Вода для ін'єкцій (Апірогенна вода) - також фармакопейний препарат. Ця вода не містить пірогенних речовин. Пірогени - речовини бактеріального походження - метаболіти або продукти життєдіяльності бактерій, які, потрапляючи в організм, викликають озноб, підвищення температури тіла, головний біль, порушення серцево-судинної діяльності. Готують апірогенну воду подвійною перегонкою Ноди (бідистилят) з дотриманням асептичних умов і використовують протягом 24 год.

Закінчуючи розділ, необхідно підкреслити особливості водню як біогенного елемента. У живих системах водень завжди проявляє ступінь окислення +1 і зустрічається або пов'язаним полярним ковалентним зв'язком з іншими біогенними елементами, або у вигляді катіона Н+. Катіон водню є носієм кислотних властивостей і активним комплексоутворювачем, взаємодіє з вільними електронними парами атомів інших органогенов. З позиції окисно-відновних властивостей пов'язаний водень в умовах організму не проявляє властивостей ні окислювача, ні відновника, проте катіон водню бере активну участь у багатьох окисно-відновних реакціях, не змінюючи при цьому своєї ступеня окислення, але сприяючи перетворенню биосубстратов в продукти реакції. Водень, пов'язаний з електронегативними елементами, утворює водневі зв'язки.



Попередня   166   167   168   169   170   171   172   173   174   175   176   177   178   179   180   181   Наступна

Освіта комплексних сполук | СОЕДИНЕНИЙ | МЕТАЛЛОЛІГАНДНИЙ БАЛАНС ТА ЙОГО ПОРУШЕННЯ | комплексонометрія | ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І Теоретичні основи | Гетерогенність РІВНОВАГИ В РОЗЧИНАХ, ПОВ'ЯЗАНІ З ПРОЦЕСОМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ | Умови зміщення іонного гетерогенного рівноваги. | Послідовність осадження іонів | Гетерогенність РІВНОВАГИ В РОЗЧИНАХ, ПОВ'ЯЗАНІ З процес розшарування | Гетерогенність РІВНОВАГИ В ЖИВИХ СИСТЕМАХ |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати