Учеб. пособие для ОЗО Общая химия

Вся вода распределена между тремя пространствами – внутри клеток, вне клеток и в замкнутых полостях. Бóльшая часть – ⅔ воды, приходится на внутриклеточную жидкость. Внеклеточная вода

составляет ⅓ от общего количества воды. Часть внеклеточной воды находится в сосудистом русле (5% от массы тела), бóльшая же часть

– вне сосудистого русла – это межтканевая (интерстициальная) жидкость (15% от массы тела). Так у взрослого человека объём воды

вкрови составляет примерно 3 л, в лимфе – 1,5 л, в межклеточной жидкости – 8,5 л.

Межклеточная жидкость контактирует с внешней средой с помощью различных физиологических механизмов. Если относительное содержание воды (в % от массы тела) в плазме крови и внутри клеток с возрастом почти не меняется, то количество интерстициальной воды уменьшается, т.е. организм становится как бы суше за счёт потерь межклеточной жидкости.

Вклетках различных органов человека содержание воды неодинаково. В большинстве тканей воды 65-70%, а в крови и почках её содержание превышает 80%. Наименьшее содержание воды в жировой ткани (10%) и костной ткани (22%).

Большое количество воды внутри и вне клеток указывает на необходимость её для процессов жизнедеятельности. Потребность в воде взрослого человека составляет 35 г в день на 1 кг массы тела, а у грудного ребёнка – в 3-4 раза больше. В течение суток в организм человека поступает с питьём около 1,2 л воды, с пищей – примерно 1 л, около 300 мл воды образуется в процессе распада веществ. При нормальном водном балансе у здорового человека столько же воды (около 2,5 л) выделяется из организма: почками (1-1,5 л), с калом (50200 мл), посредством испарения кожей (0,5 -1 л) и лёгкими (около 400 мл). Вся вода организма обновляется примерно через месяц, а вода внеклеточной жидкости - за неделю.

Нарушение водного баланса клеток организма приводит к тяжёлым последствиям, вплоть до гибели клеток. Избыточное поступление воды при неадекватно малом её выделении приводит к накоплению воды, этот сдвиг водного баланса называется гипергидратацией. При гипергидратации увеличивается нагрузка на сердце и почки.

Недостаточное поступление воды или чрезмерно большое её выделение приводят к уменьшению содержания воды, прежде всего,

винтерстициальной жидкости, что называется дегидратацией. При

61

дегидратации увеличивается вязкость крови, что затрудняет работу сердца, а также задерживается выведение продуктов азотистого обмена. Дегидратация сопровождается высасыванием воды из клеток. Если организм человека теряет 20% воды, то в клетках происходят необратимые изменения и человек погибает.

5.1.2.Строение молекулы воды

Рассмотрим строение молекулы воды. Геометрически молекула воды представляет собой тетраэдр, в центре которого находится атом кислорода с sp3-гибридизацией, в двух вершинах – два атома водорода, а к двум другим направлены две атомные орбитали кислорода с неподелёнными электронными парами. Отталкивающее действие неподелённых электронных пар сказывается на изменении угла между связями: в молекуле воды он составляет 105º, а не 109º, как в правильном тетраэдре.

Связи О─Н в молекуле воды полярны (общая электронная пара смещена к атому кислорода, который обладает большей электроотрицательностью). Таким образом, на атоме водорода появляется частично положительный заряд, а на атоме кислорода – частично отрицательный заряд.

Полярность связей О─Н и угловое строение молекулы определяют полярность молекулы воды в целом и возможность образования водородных связей. За счёт двух атомов водорода, несущих частично положительный заряд, и двух неподелённых электронных пар атома кислорода каждая молекула воды может образовывать четыре водородные связи с соседними молекулами воды. Именно такая межмолекулярная система реализуется в замёрзшей воде (рис.5.1, а).

Лёд имеет тетраэдрическую кристаллическую решётку, где атом кислорода одной молекулы воды расположен в центре тетраэдра, а в четырёх его вершинах находятся атомы кислорода соседних молекул, которые соединены водородными связями с центральной молекулой и молекулой ближайших тетраэдров. Ажурность и наличие

62

внутренних пустот определяют рыхлость и меньшую плотность льда (0,92 г/см3) по сравнению с жидкой водой.

Рис. 5.1. Структура воды: а – в кристаллическом состоянии; б – в жидком состоянии.

При плавлении льда водородные связи частично рвутся, при этом отдельные молекулы воды заполняют пустоты пространственной решётки. Поэтому с повышением температуры от 0°С до 4°С плотность воды увеличивается (максимально при 4°С ρ=1,000 г/см3). При нагревании воды свыше 4°С начинает преобладать другой фактор, способствующий увеличению расстояния между молекулами воды и соответствующему уменьшению плотности. Однако благодаря образованию водородных связей в жидкой воде при любой температуре сохраняются ассоциаты, объединяющие несколько молекул воды (рис.5.1, б).

Необычная структура воды обусловливает её уникальные физикохимические свойства. Эти свойства в свою очередь создают основу для многообразия биологических функций воды.

5.1.3. Роль воды в жизнедеятельности организма

Вода – универсальный растворитель, что, прежде всего, объясняется её высокой диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическую проницаемость можно рассматривать как способность растворителя ослаблять силы сцепления в веществе, помещённом в данный растворитель (воду). Соли, кислоты, основания, многие биоорганические соединения хорошо растворяются в воде, распадаясь при этом на ионы. Ионное состояние веществ в водной среде обеспечивает высокую скорость протекания

63

биохимических реакций и практически мгновенную передачу нервных импульсов.

Полярность молекулы воды и способность образовывать водородные связи благоприятствуют формированию определённых пространственных структур у молекул биополимеров в водных растворах. Хорошая растворяющая способность воды и её низкая вязкость способствуют выполнению ею транспортных функций, обеспечивая доставку к клеткам питательных веществ и кислорода, а также выделение во внешнюю среду продуктов обмена веществ.

Вода обладает большой теплоёмкостью, так как при её нагревании тепло расходуется не только на увеличение интенсивности движения молекул, но и на разрыв водородных связей между ними. Благодаря высокой теплоёмкости и большой теплоте испарения вода обеспечивает регуляцию теплового баланса организма.

Вода – это не только среда, но также активный участник процессов жизнедеятельности. Вода принимает участие во многих биохимических реакциях в организме.

Вода также выполняет структурно-механическую функцию. Вопервых, вода и растворённые в ней вещества способствуют сохранению внутриклеточного давления и формы клеток и клеточных органелл – рибосом, митохондрий, лизосом. Кроме того, вода входит в виде структурной прослойки между полярными концами белков и липидов в биологических мембранах.

5.2.Растворы

Вживой природе растворы имеют огромное значение. Переваривание пищи связано с переводом питательных веществ в раствор. Растворами являются важнейшие физиологические жидкости – кровь, лимфа и т.д. Все биохимические реакции протекают в растворах.

Растворами называются гомогенные (однородные) системы, состоящие из двух или более компонентов.

Раствор состоит из растворённого вещества и растворителя, причём растворителем является то вещество, которое находится в том же агрегатном состоянии, что и раствор. При одинаковом агрегатном состоянии компонентов растворителем считают обычно то вещество, которое преобладает в растворе.

По агрегатному состоянию растворы бывают жидкими, твёрдыми и газообразными. Примерами жидких растворов могут быть растворы

64

солей в воде, газообразных – воздух. Сплавы разных металлов образуют твёрдые растворы, например, сплав цинка и меди - латунь.

С позиции живых систем наибольшее значение имеют жидкие растворы. Они разделяются на истинные и коллоидные. Различие между ними заключается, прежде всего, в размерах частиц и однородности систем. Истинные растворы – это гомогенные системы с размером частиц на уровне 10-10 – 10-9 м. В истинных растворах вещества находятся в виде молекул, атомов или ионов (исключая огромные полимерные молекулы). Коллоидные растворы

– это гетерогенные системы с размером частиц 10-9 –10-6 м. Коллоидные растворы относятся к дисперсным системам (разд. 7). В коллоидных растворах частицы растворённого вещества представляют собой агрегаты из множества мелких молекул или ионов, или гигантские полимерные молекулы.

5.2.1.Характеристика процесса растворения

Входе развития науки высказывались различные точки зрения на природу растворов. Согласно физической теории (Аррениус, Оствальд, Вант-Гофф) процесс растворения рассматривался как равномерное распределение частиц растворяемого вещества по всему объёму растворителя. При этом растворитель принимают за инертную среду. Как выяснилось впоследствии, эта теория приложима в основном только к идеальным растворам, в которых частицы растворителя и частицы растворённого вещества практически не взаимодействуют между собой. К числу таких растворов можно отнести газовые растворы.

Большая роль в установлении природы процесса растворения принадлежит Д.И. Менделееву – основателю химической теории растворов. В соответствии с этой теорией, молекулы вещества при растворении взаимодействуют с молекулами растворителя, образуя соединения, которые называются сольваты. Процесс их образования называется сольватацией. Частным случаем сольватации является гидратация – взаимодействие растворённых веществ с водой, в результате которого образуются гидраты. Образование сольватов происходит за счёт водородных связей или электростатических сил взаимодействия. Большинство сольватов – непрочные соединения. Однако некоторые гидраты удерживают воду даже в кристаллическом состоянии, например, CuSO4·5H2O (медный

65

купорос), FeSO4·7H2O (железный купорос). Такие вещества называются кристаллогидратами.

Большой вклад в развитие химической теории растворов внесли русские учёные Д.П. Коновалов, И.А. Каблуков и другие.

Современная теория растворов, объединяя физическую и химическую теории, рассматривает процесс растворения как взаимодействие между частицами разной полярности. Полярность молекул выражается в том, что в силу неравномерного распределения электронов в одной части молекулы могут преобладать положительный, а в другой – отрицательный заряды. Полярность молекулы характеризуется её дипольным моментом. Следует отличать полярность молекулы от полярности связи (разд. 3.1.3). Существуют многоатомные молекулы, которые не являются полярными, несмотря на полярный характер химических связей в них. К таким молекулам относится, например, молекула оксида углерода (IV), имеющая линейное строение. Дипольный момент молекулы равен векторной сумме дипольных моментов отдельных связей. Векторы связей радиально направлены от центра, поэтому

результирующий момент µ равен нулю:

δ- 2δ+ δ-

О=С=О Способность веществ растворяться определяется характером сил

взаимодействия между молекулами растворяемого вещества и растворителя. Чем сильнее межмолекулярные взаимодействия растворённого вещества и растворителя, тем лучше вещество растворяется в данном растворителе. Растворимость веществ в растворителе подчиняется правилу «подобное растворяется в подобном». Например, жиры, молекулы которых неполярны, хорошо растворяются в неполярном растворителе бензине, а в высокополярном растворителе – воде они не растворимы.

В воде хорошо растворяются многие соли, кислоты, щёлочи, сахар, этиловый спирт, ацетон, хлороводород, аммиак, молекулы которых полярны и поэтому хорошо гидратируются. По отношению к воде молекулы или отдельные части молекул относят к гидрофильным и гидрофобным. К гидрофильным («любящим воду») относятся вещества, молекулы которых содержат ионные связи или полярные группы атомов ионы и полярные группы: гидроксильная ─ОН, амино ─NH2, карбоксильная ─СООН, нитро ─NO2, фосфатная ОРО(ОН)2, сульфо ─SO3H. К гидрофобным («боящимся воды»)

66

относятся неполярные группы: углеводородные радикалы предельных (─СпН2п+1), непредельных (─СпН2п-1) и ароматических (─С6Н5), соединений. Гидрофобные свойства характерны также для неполярных неорганических веществ: O2, N2, CO2, Cl2, CH4 и т. д.

Молекулы некоторых соединений содержат и гидрофильный, и гидрофобный фрагменты. Такие вещества называют амфифильными, или дифильными (например, мыло, фосфолипиды, белки). Дифильные молекулы принято изображать в виде «головастика» ○~~~~, у которого головка соответствует полярному, а хвост – гидрофобному фрагменту молекулы.

5.2.2. Растворимость веществ в воде Растворимость – это способность вещества растворяться в том

или ином растворителе. Растворимость зависит от природы растворяемого вещества и растворителя (разд. 5.2.1). Неограниченная растворимость возможна в том случае, когда энергия взаимодействия между молекулами растворителя не существенно отличается от энергии взаимодействия между молекулами растворяемого вещества. Например, растворимость этилового спирта в воде неограниченна, так как обе жидкости состоят из сильно полярных молекул.

К веществам с ограниченной растворимостью, в зависимости от содержания растворённого вещества в растворе, применяют понятия

насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные растворы. Чтобы приготовить насыщенный раствор, нужно в воду при данной температуре добавлять при перемешивании растворяемое вещество до тех пор, пока не образуется осадок, то есть избыток нерастворённого вещества. В этом случае наступает устойчивое динамическое равновесие между раствором и избытком растворённого вещества: сколько частиц вещества в единицу времени будет переходить в раствор, столько их будет выпадать в осадок.

Насыщенным называется раствор, который находится в

равновесии с избытком растворённого вещества.

В насыщенном растворе содержится максимально возможное при данных условиях количество растворённого вещества. В ненасыщенном растворе содержится меньше вещества, а в пересыщенном – больше, чем в насыщенном. Если растворимость вещества растёт с повышением температуры, то для получения пересыщенного раствора необходимо осторожно охладить его насыщенный раствор. Пересыщенные растворы легко разрушаются,

67

при этом в осадок выпадает избыток растворённого вещества. Пересыщенные растворы образуют, например, сахароза, Na2SO4·10H2O, CH3COONa и др.

Количественной характеристикой растворимости является концентрация насыщенного раствора при данной температуре. Чаще всего её выражают через коэффициент растворимости - это масса (в г) вещества, насыщающая при данных условиях 100 г растворителя.

По растворимости веществ в воде их обычно подразделяют на растворимые (растворимость свыше 1 г в 100 г воды), малорастворимые (0,1 – 1 г в 100 г воды), практически нерастворимые (менее 0,1 г в 100 г воды).

При растворении твёрдых и жидких веществ в воде объём системы обычно изменяется незначительно. Поэтому давление практически не влияет на растворимость таких веществ. Если процесс растворения идёт с выделением тепла, то с увеличением температуры растворимость понижается, и наоборот. С повышением температуры растворимость большинства твёрдых веществ и жидкостей увеличивается. Однако растворимость некоторых веществ, например, глауберовой соли, гипса, гашёной извести с повышением температуры уменьшается.

Большое значение для нормального протекания физиологических и биохимических процессов имеет растворимость различных газов (кислорода, азота, углекислого газа) в жидких средах организма. Молекулы этих газов неполярны и их растворимость в воде незначительна. Они растворяются путём внедрения молекул во внутренние пустоты ассоциатов воды (разд.5.1.2). Молекулы газов удерживаются ближайшими молекулами воды за счёт индукционных сил. Некоторые газы, например, аммиак, хорошо растворяются в воде, так как вступают с ней в химическое взаимодействие.

При растворении газов в воде выделяется теплота, поэтому при повышении температуры растворимость газов уменьшается. С увеличением давления растворимость газов в воде, наоборот, увеличивается.

5.2.3. Способы выражения концентрации растворов.

Наиболее распространёнными способами выражения концентрации раствора являются массовая доля и молярная концентрация.

68

Массовая доля растворённого вещества – это отношение

растворённого вещества; mраствора – масса раствора (mраствора = mв +

mрастворителя).

Массовая доля выражается в долях единицы или в процентах (процентная концентрация).

Молярная концентрация (молярность) – это отношение

где с(х) – молярная концентрация вещества х; п(х) – количество вещества х в молях; т(х) – масса растворённого вещества х в г; М(х) – молярная масса растворённого вещества в г/моль; V – объём раствора в л. Молярная концентрация наиболее часто выражается в моль/л. Физический смысл молярной концентрации - это количество молей растворённого вещества, содержащееся в 1 л раствора. Для обозначения молярной концентрации обычно используется символ М, например: 1 М – одномолярный раствор (с = 1 моль/л); 0,1 М – децимолярный раствор (с = 0,1 моль/л); 0,01 М – сантимолярный раствор (с = 0,01 моль/л); 0,001 М (1 мМ) – миллимолярный раствор (с = 1 ммоль/л).

5.2.4.Диффузия и осмос

Врастворе частицы растворённого вещества и растворителя

находятся в беспорядочном тепловом движении и равномерно распределяются по всему объёму раствора. Если поместить в цилиндр концентрированный раствор какого-либо вещества, например, сахара, а поверх него осторожно налить слой разбавленного раствора сахара, то сначала сахар и вода будут распределены в объёме раствора неравномерно. Однако через некоторое время молекулы сахара и воды вновь равномерно распределятся по всему объёму жидкости. Это происходит вследствие хаотического движения молекул.

Самопроизвольный процесс перемещения вещества, приводящий к

выравниванию его концентрации, называется диффузией. Диффузия наблюдается как при смешивании растворов различных

концентраций, так и при смешивании растворов различных веществ.

69

Рассмотрим случай, когда на пути диффузии частиц растворённого вещества и растворителя находится перегородка, через которую свободно проходят молекулы растворителя, а молекулы растворённого вещества практически не проходят. Такие перегородки (мембраны), получившие название полупроницаемых, существуют в природе, а также могут быть получены искусственно.

В одну часть сосуда, разделённого полупроницаемой мембраной, поместим воду (I), в другую – раствор сахара (II) (рис. 5.3). В данном случае выравнивание концентраций происходит только вследствие перемещения молекул воды. Они в большем числе диффундируют в раствор, чем обратно, поэтому объём раствора будет постепенно увеличиваться, а концентрация сахара в нём уменьшаться. Такая односторонняя диффузия называется осмосом.

Осмос - это самопроизвольная диффузия молекул растворителя сквозь полупроницаемую мембрану.

полупроницаемая мембрана

Рис. 5.3. Осмос в системе «растворитель - раствор, разделённые полупроницаемой мембраной».

В начальный момент при осмосе скорость движения молекул воды через мембрану в противоположных направлениях будет различной: вода проходит через мембрану в сторону раствора быстрее, чем из раствора в обратном направлении. По мере поднятия уровня раствора в правой части сосуда появляется избыточное давление водяного столба (гидростатическое давление), измеряемое разностью уровней жидкости. Гидростатическое давление противодействует проникновению молекул воды в правую часть сосуда. Когда гидростатическое давление достигнет определённой величины, осмос прекратится – в системе наступит равновесие. Это динамическое равновесие характеризуется равенством скоростей диффузии молекул

70