Promluvme si dnes o tom, jaká látka, jaká hmota tvoří živé organismy. Začněme tím, který má nejvíce. Tohle je voda. Pravděpodobně jste o tom slyšeli již mnohokrát. Voda je nejrozšířenější látkou v živých systémech a tvoří nejméně 70 % hmotnosti většiny organismů. Mluví-li se proto o hmotnostním složení živé látky, často se mluví o hmotnosti suché, tzn. říkají, že ta či ona látka tvoří tolik procent suché hmotnosti. Voda vyplňuje všechny organismy, všechny buňky, všechny jejich části a je prostředím, ve kterém probíhá transport živin, chemické reakce katalyzované enzymy a přeměna energie. Předpokládá se, že první živé organismy se objevily ve vodě, v prehistorickém oceánu. Směr, kterým evoluce probíhala, byl nevyhnutelně ovlivněn prostředím, ve kterém k ní došlo. Všechny aspekty fyziky a chemie buňky jsou přizpůsobeny vlastnostem vody. Bez vody není život v současné podobě možný. Jak se říká, „bez vody a ani tady, ani tam“.

Voda není jen rozpouštědlem, ale účastní se mnoha reakcí jako reaktant. Jedná se například o všechny druhy hydrolytických reakcí, tzn. „rozklad vodou“. Existuje dokonce celá třída enzymů, které takové reakce katalyzují, „hydrolázy“. Zejména v důsledku hydrolýzy dochází ke všem typům depolymerizace. Například štěpení bílkovin na aminokyseliny. Hydrolázy ke vzniklým volným radikálům přidávají vodní prvky. Při rozkladu glukózy se uvolňuje oxid uhličitý a voda. Voda je dárcem elektronů během fotosyntézy v zelených rostlinách a modrozelených řasách.

Jaké jsou vlastnosti vody? Snadno si všimnete, že voda má oproti jiným kapalinám velmi vysoký bod tání a bod varu. Má nejvyšší měrné teplo vypařování a vysokou měrnou tepelnou kapacitu. Co způsobuje tyto neobvyklé vlastnosti? Vraťme se k vnitřní struktuře vody.

Molekuly vody jsou polární a mají hranatou strukturu. Geometrie je dána tvarem elektronových orbitalů atomu kyslíku. Orbitaly tvoří téměř čtyřstěn, ale ne ideální, v ideálním 109.5 stupně, v našem – 104.5 stupně. Molekula vody je dipól, který z vody dělá polární kapalinu, tzv. polární rozpouštědlo. Z energetických důvodů budou mít molekuly tendenci se otáčet tak, že O z jedné molekuly bude čelit H druhé molekuly, protože tam je koncentrováno „-“. Vzniká vodíková vazba. Energie vodíkové vazby 9 kT (nebo 20 kJ na mol) leží mezi van der Waalsovou přitažlivostí (pro dvě malé neutrální molekuly 0.6-1.6 kT) a běžnou kovalentní vazbou (90-350 kT) 420 kJ na mol. Délka vodíkové vazby je ve skutečnosti vzdálenost mezi atomy O, 0.27 nm. Skládá se z 0.177 nm a 0.097 nm (podle krystalografie). 0.097 nm je menší než poloměr atomu, což znamená, že H postrádá elektronový obal. Tvorba vodíkové vazby navíc prodlužuje kovalentní vazbu v OH skupině. Jaký je nejlepší způsob, jak dosáhnout maximálního počtu vodíkových vazeb? Umístěte molekuly na vrcholy čtyřstěnu. Přesně takhle funguje led. Každá molekula vody tvoří 4 vazby. Tepelný pohyb tomu ale brání. Kapalná voda však zachovává prvky této struktury. Vazby jsou krátkodobé, v průměru má každá molekula v každém okamžiku 3.4 vazby místo 4. Polarita vody se využívá např. v mikrovlnné troubě. Vnější pole bude mít tendenci uspořádat molekuly vody, čímž bude působit proti tepelnému pohybu, který má tendenci je narušit. Střídavé elektrické pole rozkolísá molekuly v potravinách a tření přemění tuto energii na teplo. Vodíkové vazby se mohou vyskytovat i v jiných molekulách obsahujících H vázaný na O, N, F. Nejvyšší energie vodíkové vazby je realizována, když jsou všechny tři atomy umístěny na stejné přímce. To jim dává určitou geometrii (má důsledky).

READ
Co je jutová pytlovina?

Předpokládejme, že ve vodě jsou nečistoty. Začněme jednoduchými, jako jsou soli. K rozpouštění solí dochází v důsledku solvatace iontů, což způsobuje stínění nábojů, oslabuje sklon k tvorbě krystalů. Ke zvýšení entropie dochází téměř bez energetických ztrát.

Polární molekuly se také dobře rozpouštějí. Zejména peroxid vodíku se integruje do sítě téměř bez výdeje volné energie. Alkoholy se dobře rozpouštějí. Dochází k nahrazení vodíkových vazeb voda-voda za vodu-rozpuštěnou. Ketony se také dobře rozpouštějí.

Nepolární plyny se špatně rozpouštějí. Z biologického hlediska jsou pro nás důležité kyslík, dusík a oxid uhličitý. Také sirovodík a čpavek. Sirovodík a čpavek jsou polární a dobře se rozpouštějí. V důsledku reakce oxidu uhličitého s vodou vzniká kyselina uhličitá. K transportu kyslíku v krevní plazmě existuje speciální protein – hemoglobin.

Co dělat s nepolárními sloučeninami, například uhlovodíky. C je neelektronegativní a CH- netvoří vodíkové vazby. Uhlovodíky jsou součástí olejů, vosků a membrán. Kolem nepolárních nečistot tvoří molekuly vody klatrátovou klec. Některé vodíkové vazby jsou v tomto případě ztraceny, protože se netvoří s nečistotou. Molekuly vody se ale snaží vytvářet vazby mezi sebou. To omezuje pohyblivost molekul vody a vede ke ztrátám entropie. Proto je rozpustnost špatná. Tento jev se často nazývá hydrofobní efekt. To může naznačovat, že molekuly vody a oleje se „vzájemně bojí“. Není tomu tak, přitahují se jako běžné molekuly působením van der Waalsových sil. Voda však přitahuje sama sebe více než ropa, takže se zdá, že ji odmítá. Co je to za sílu? Jakýkoli izolovaný objekt dosáhne rovnováhy tím, že je ve stavu, který je nejlepším kompromisem mezi entropií a energií. Vezměme nabitý povrch. Vytvoří se na něm oblak protiiontů. Pokud vezmete dva nepolární povrchy do vody, budou mít tendenci se slepit. Jaká síla je k sobě přitahuje? Neexistuje žádná zvláštní síla. Řešení nepolárních povrchů vede ke snížení entropie, což znamená, že budou mít tendenci slepovat se, aby se zmenšila plocha nepolárního povrchu obráceného k vodě. Toto je čistě entropická síla. Hydrofobní interakce je krátkého dosahu. Molekuly nečistot tvoří shluky. Co určuje velikost účinku? Ovlivňuje pouze několik molekulárních vrstev, a je tedy úměrný povrchu klatrátové buňky. Čím menší je povrch, tím menší je ztráta volné energie. Je nutné zmenšit plochu. Jak? Přilepte tak, aby pro daný objem byla kontaktní plocha minimální.

READ
Jak si vybrat ortopedický polštář pro sebe?

Amfipatické sloučeniny obsahují polární i hydrofobní oblasti. Najdou další cestu ven – tvorbu micel. Nepolární oblasti jsou drženy pohromadě hydrofobním efektem, hydrofobní interakcí. Totéž má tendenci zmenšovat povrch kapky. Na rozhraní voda-vzduch nemůže žádná molekula vytvořit 4 vodíkové vazby.

Výhody z vlastností vody – viz tabulka v prezentaci.

Připomeňme si, co je to chemická rovnováha. Zvažte reakci

Nechť [A], [B], [C], [D] jsou rovnovážné koncentrace reaktantů při dané teplotě. Pak platí rovnost: Keq.= [C]•[D]/ [A]•[B]. Keq. je konstantní hodnota, rovnovážná konstanta, charakterizující danou reakci a závislá na teplotě. Rovnovážná konstanta nezávisí na počátečních podmínkách. Ještě jednou zdůrazněme, že rovnice zahrnuje hodnoty rovnovážné koncentrace.

Uvažujme proces ionizace vody (disociace na protonovou a OH skupinu) a chemickou rovnováhu ve vztahu k tomuto procesu. H2O «H + + OH –

Keq.= [H+]•[OH-]/ [H2O], kde [H+], [OH-] a [H2O] – rovnovážné koncentrace. Jak se měří koncentrace? Použijeme pojem molarita, M značí 1 mol látky v 1 litru. Tak například 0.1 M znamená 0.1 mol/litr. Vypočítejme [H2Ó]. Při dané teplotě je tato hodnota konstantní. Vypočítejme látkové množství v 1 litru vody (x). Hmotnost 1 litru je 1000 g, molekulová hmotnost vody je 18 g/mol.

[H2O] = x mol/l = (1000 g/18 g/mol) mol/l = 55.5 mol/l = 55.5 M

Pro vodu Keq. = 1.8-10 M při 16 °C.

[H2OKeq. je konstantní hodnota při dané teplotě, tedy Kw – také konstantní. Říká se mu iontový produkt vody. Dosazením hodnot dostaneme: Kw = [H+]•[OH-] = 10-14 M2

Jaký je význam tohoto výrazu? To platí nejen pro čistou vodu, ale pro jakýkoli vodný systém, zdroj protonů a volných OH skupin není důležitý, hlavní je, že součin jejich koncentrací bude při dané teplotě vždy konstantní.

Podívejme se na příklad. Nechť koncentrace NaOH = 0.1M. Najděte koncentraci [H + ] v tomto roztoku. [H+] = Kw /[ACH – ]. Protože NaOH je silná alkálie, zcela disociuje ve vodě: NaOH „Na + + OH – , [OH – ]“ [NaOH].

Kw /[OH – ] = Kw /[NaOH] = 10-14 M2 / 0.1 M = 10-13 M

Proč potřebujete znát [H + ]? To je ukazatel kyselosti prostředí. Ve vědě i nyní v každodenním životě se kyselost měří v jednotkách pH.

READ
Jak správně napařit březové koště do koupele?

Podle definice: pH = -log[H+]

Pro čistou vodu H2O: [H+] = [OH-] = 10-7 M

Vraťme se k příkladu, na který jsme se právě podívali. Pro roztok NaOH o koncentraci 0.1 M: pH = -log [H + ] = -log 10 -13 = 13

Pro [HCl] = 0.1 M: pH = -log [H+]= -log [HCl] = 1.0

Prostředí s pH kolem 7 je považováno za neutrální, kyselé prostředí má nízké hodnoty pH, čím nižší pH, tím kyselejší. Alkalické prostředí se vyznačuje vysokými hodnotami pH. Citronová a žaludeční šťáva, cola a dokonce i rajčatový protlak mají kyselou reakci. pH krve je mírně zásadité, mořská voda má pH téměř stejné.

Uvažujme disociaci slabých kyselin. V biologii hrají hlavní roli. Vezměme si jako příklad kyselinu octovou (acetát) a napište disociační reakci pro protonový a acetátový ion CH3СOO – .

Acetátový ion budeme označovat jako Ac –. AcH «H + + Ac –

Protože je kyselina slabá, stupeň disociace bude malý, většina molekul zůstane ve formě kyseliny. Keq.= [H + ]•[Ac – ]/ [AcH]

Vezměme logaritmus tohoto výrazu:

-lg K = -lg [H + ] – log([Ac – ]/[AcH])

Označme: pK = -log K. Místo acetátového iontu může být jakýkoliv jiný iont organické kyseliny A.

Získáme Henderson-Hasselbalchovu rovnici:

pH = pK + log([A – ]/[AH])

Titrace slabých kyselin. Termín titrace znamená přidání látky, kyseliny nebo zásady, v malých, stejných částech.

Vezmeme acetátový roztok a přikapeme malé dávky NaOH a změříme pH v každém kroku. Roztok se obvykle odebírá koncentrovaný, takže objem systému se mění jen málo. Závislost pH na množství přidané alkálie (titrantu) se nazývá titrační křivka. Před zahájením titrace bude v roztoku téměř pouze kyselina, protože stupeň disociace je malý.

AcH + NaOH «AcNa + H2O, ale NaOH je silná alkálie, NaOH «Na + + OH –

Výsledný octan sodný bude disociovat:

Výsledkem je: AcH + OH – „Ac – + H2O.

Přidané OH – skupiny budou vázat protony, což následně povede k další disociaci AcH a vzniku Ac –.

Protože je disociace AcNa téměř úplná, množství [Ac – ] = [AcNa], tedy [Ac – ] = [NaOH], jelikož AcNa vzniká pouze z NaOH.

READ
Co obsahuje blok keramzitu?

Všimněte si, že je logičtější a jasnější vzít v úvahu množství infuzované látky, nikoli objem nebo hmotnost. Množství přidávané látky se obvykle měří v ekvivalentech, protože hlavní zájem je o vztah mezi množstvím titračního činidla a titrované látky, v našem případě alkálie a slabé kyseliny. Pokud se do roztoku přidá stejný počet molekul alkálie, kolik je v roztoku molekul kyseliny, říká se, že byl přidán 1 ekvivalent. Na titračních křivkách se počet ekvivalentů nejčastěji vynáší podél osy x.

Zvažte tvar titrační křivky: pH = pK + log([A – ]/[AH]). [A – ] je úměrné množství přidaného titračního činidla, tzn. [A – ] = k• (množství přidaného NaOH), [AH]+ [A – ]= konst = [A] (počáteční koncentrace kyseliny). Y(X)=C+log(kX/(B-kX))= C+log(X/(DX))

Pokud budete pokračovat v titraci po přidání 1 ekvivalentu, průběh křivky se změní. pH=14-pOH=14+lg[NaOH], tzn. Y=C+lg(kX)=D+lgX

Uvažujme bod na křivce odpovídající polovině ekvivalentu přidaného titračního činidla (50 %) titrace. V tomto okamžiku se polovina kyseliny disociovala, tj. [A – ]=0.5[A], tedy [A – ] = [AH], a tedy podle Henderson-Hasselbalchovy rovnice pH = pK. Dostáváme se k fyzikálnímu významu pK: je to hodnota pH, při které polovina molekul disociuje.

Střední část křivky má plošinu, tzn. Při přidávání alkálie se pH mění pomalu. Systém s takovými vlastnostmi, tedy s téměř žádnou změnou pH při přidání malého množství alkálie nebo kyseliny, se nazývá pufr. Slabá kyselina uprostřed titrační křivky má pufrační vlastnosti.

K přípravě pufru se často používá ekvimolární směs slabé kyseliny a její soli získané ze silné alkálie, například AcH a AcNa, odebraných ve stejných množstvích. pH takového pufru se bude rovnat pK pro disociační reakci této kyseliny, v případě acetátu – 4.74. Tento systém má nejlepší nárazníkové vlastnosti.

Řekněme, že do systému přidáme kyselinu (H+). V tomto případě se [H + ] nejprve zvýší, ale po dosažení rovnováhy by K mělo zůstateq.= [H + ]•[A – ]/ [AH]. Ustavená rovnováha se posune směrem k AcH. Protony se připojí k A – a [H + ] zůstane téměř beze změny. Pokud se do systému přidají OH skupiny, [H + ] se sníží, protože [H + ]•[OH – ] = Kw. Pak se rovnováha posune směrem k A –, tzn. AH se disociuje a kompenzuje nedostatek protonů.

Uvažujme příklad přípravy tlumivého roztoku pro danou hodnotu pH. Připravíme si acetátový pufr o koncentraci 0.4 M při pH 5.22.

READ
Co znamená oranžová v psychologii?

Podle Henderson-Hasselbachovy rovnice

pH = pK + log([Ac – ]/[AcH]); pro acetát pK=4.74

log([ Ac – ]/[AcH])=0.48, proto [ Ac – ]=3[AcH]

Získáme: [AcH] = 0.1 M; [Ac – ] = 0.3 M

Celkem je na litr vody potřeba vzít 0.1 mol kyseliny (AcH) a 0.3 M soli, například NaAc.

V živých organismech funkce udržování pH plní především dva pufrovací systémy: fosfátové a hydrogenuhličitanové pufry. Ale existují i ​​jiné nárazníkové systémy. Organické kyseliny působí jako pufry ve vakuolách rostlinných buněk, amonium v ​​moči a mnoho proteinů obsahuje histidin, který má také pufrační vlastnosti.

Fosfátový pufr zajišťuje udržení pH uvnitř buněk.

V extracelulárním prostředí, například v krvi, funguje bikarbonátový pufr. H2СO3 “H++ HCO3 – pK=6.1

U zvířat s plícemi je systém bikarbonátového pufru účinným fyziologickým pufrem s pH 7.4, protože H2СO3 v krevní plazmě je v rovnováze s CO2 v plicích. V tomto systému existují tři rovnováhy.

H2СO3 získaný z oxidu uhličitého rozpuštěného ve vodě:

Rozpuštěný oxid uhličitý je v rovnováze s plynnou fází.

Pokud se do krve přidá H +, rovnováha (1) se posune směrem k H2СO3. Protože musí být zachována rovnováha (2), povede to ke zvýšení koncentrace rozpuštěného CO2 v krvi. Protože koncentrace bude vyšší než rovnovážná hodnota pro daný tlak v plicích, přebytek CO2 bude vydechován plícemi. Pokud přidáte OH –, H do plazmy2СO3 začne disociovat. Jeho zásoba bude doplněna CO2 v plazmě. Koncentrace rozpuštěného CO2 bude nižší než rovnovážná hodnota a CO2 z plic se začnou rozpouštět v plazmě.

pH krve je 7.40, tato hodnota se musí udržovat ve velmi úzkém rozmezí: pH 6.8

7.4 = 6.1 + log([A – ]/[AH]), odkud log([A – ]/[AH])=1.3;

Protože koncentrace pufru 28 mM, [HCO3 –] = 26.6 mM; [H2СO3] = 1.4 mM

Při příliš nízkém pH krve se v klinické praxi hovoří o acidóze, při příliš vysokém se hovoří o alkalóze. Vše, co ovlivňuje koncentraci HCO3 – , se nazývá metabolické stavy, protože takové změny jsou způsobeny metabolickými poruchami (metabolismem) v těle. Pokud koncentrace H2СO3stavy se nazývají respirační, protože abnormální koncentrace je spojena s poruchami dýchání, tzn. výměna plynu.

Metabolická acidóza – nadbytek H+ je u diabetu častý.

Metabolická alkalóza: nedostatek H+ (otrava zásadami)

Respirační acidóza: nadbytek H2СO3 způsobené přebytkem CO2 v atmosféře nebo nedostatečné čištění plic.

Respirační alkalóza: nedostatek H2СO3 může být způsobeno hyperventilací

Nechte [HCO3 – ] = 50 mM a [H2СO3] = 1.4 mM (pacient v kómatu)