Lenindzher Основы биохимии т.1 (1128695), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Однако, когда мы используем термин сеодородный ион» и символ «Н'», слелует иметь в виду, что <полых» водородных ионов, т.е. свободных про~онов, в воле не существует, поскольку они, как и большинство других ионов, всегда гидратнрованы, т.е. окружены гидратной оболочкой. Гидратировьзсную форму иона Н+ называют ионом гидрония или ионом гидро«сония. Его часто обозначают Н2О+, однако в действитшсьности каждый ион Н плотно окружен несколькими молекуламн Н2О, число которых зависит от температуры.
В соответствии с уравнением Н,О=Н' + ОН (3) часть ь БиОмОлпкулы ионизация воды происходит лишь в незначительной степени; в любой данный момент цри 25'С всего одна из !О миллионов молекул чистой воды находится в ионизированном состоянии. Хотя вода характеризуется очень слабой тенденцией к ионизации, образующиеся при этом ионы Н + и ОН играют исключительно важную роль в биологических процессах. Поэтому мы должны уметь количественно выражать степень ионизации воды.
Мы можем сделать это, если напишем выражение для константы равновесия обратной реакции (3): [Н') [ОН [Н,О) Это выражение можно упростить, так как относительная концентрация Н,О очень высока (она равна числу граммов воды в ! л, деленному на ее молекулярную массу в граммах, т.е. 1000: ! 8 = 55,5 М) и поэтому представляет собой практически постоянную величину по отношению к очень низким концентрациям (1 1О ' М) ионов Н' и ОН в чистой воде при 25"С. Таким образом, мы можем подставить в выражение для констант ы равновесия величину 55,5, после чего получим [Н') [ОН-) 55,5 или 55,5 К; = [Н ') [ОН Численное значение величины К,'ч было тщательно определено на основе данных по элеьтропроводности чистой воды (в чистой воде электрический ток могут проводить только ионы, образующиеся в результате диссоциации Н,О). При 25'С оно оказалось равным 1,8.
10 Подставляя это значение в приведенное выше уравнение, получим: (55,5».(1,8 ! 0 '4) = [Н + ) [ОН 99,9. !О- = [Н+ ИОН-), 1,0 1О '4= [Н')[ОН Если обозначить произведение 55,5К,'ч через К„, т.о можно записать соотношение: К„= 1,0 !О- "= [Н+ ) [ОН -). Величина К называется иоммыи произведением воды; ее численное значение при 25"С равно 1,0 10 '4. Это означает, что произведение [Н+) [ОН ) в водных растворах при 25'С всегда равно строго определенной величине, а именно 1 ° 10 '4.
Если концентрации ионов Н' и ОН в точности равны друг другу, что имеет место, например, в чистой воле, то такой раствор называется нейтральным. Исходя из численного значения ионного произведения воды, можно рассчитать концентрацию ионов Н ' и ОН в воде: К =[Н )[ОН-)=[Н')'. Решая это уравнение опюсительно Н ', имеем ~н ]=Гн =~~ н-" [Н ') = [ОН ) = !О 'М.
Так как ионное произведение воды является величиной постоянной, очевидно, что если концентрация ионов Н' превышает ! ° 10 ' М, то концентрация ионов ОН должна быть меньше 1 . 10 т М, и наоборот. Таким образом, когда концентрация ионов Н+ очень высока, как это имеет место, например, в растворе соляной кислотьь концентрация ионов ОН должна быть очень низка, поскольку их произведение всегда должно оставаться равным ! ° 10 '4. И наоборот, если концентрация ионов ОН очень высока, как, например, в растворе )Чаон, то концентрация ионов Н+ должна быть очень низка.
Следовательно, если мы знаем концентрацию ионов ОН, то, исходя из численного значения ионного произведения воды, мы можем вычислить концентрацию ионов Н ', а если мгя знаем концентрацию ионов Н+, то можно вычислить соответственно концентрацию ионов ОН (см. дополнение 4-!). ГЛ. 4. ВОДА 4.7. Шкала РН: обозначении концеатрацай ионов Н+ и ОН ! рН = 1ой —, = — 1ой [Н '1.
[Н 1 1 рн 1ой 1 1оа(1 х 1О ) 1 к!0 Дополнение 4-!. Ионное произведение воды Ионное произведение воды позволяет вычислить концентрацию ионов Н ', если известна концентрация ионов ОН, и наоборо~. Две приведенные ниже задачи иллюстрируют зту возможность. 1. Какова концентрация ионов Н в 0,1 н, растворе )чаОН? К„= [Н + 3 [ОН 3. Решая это уравнение относительно [Н '1, имеем 10-14 [Н+1= - — = =1О 'з М. [ОН 3 0,1 2.
Какова концентрация ионов ОН в растворе, в котором концентрация ионов Н + равна 0,00013 М? К = [Н+ > [ОН Решая зто уравнение относительно [ОН3, имеем 110 '4 ы [ОН 3 = — — =7,7 10 '1 М 0,000! 3 Шкала рН представляет собой удобный способ обозначения истинной концентрации ионов Н+ (а следовательно, и ионов ОН ) в любом водном растворе, кислотность которого лежит в интервале между 1,0 М Н ' и 1,О М ОН Шкала рН составлена на основе ионного произведения воды К . Термин рН определяется выражением В строго нейтральном растворе, в котором концентрация ионов Н ' составляет 1,0 1О ' М, величина рН при 25'С равна = 1ой 1,0+ 1ой! 01 = О+ 7; рН = 7.
Значение 7,0 для рН строго нейтрального раствора-это не случайно выбранная цифра; оно получено из численного значения ионного произведения воды при 25 С. Растворы, имеющие рН больше чем 7, являются шелочными, поскольку концентрация ионов ОН в таких растворах больше концентрации ионов Н+. И наоборот, растворы, имеющие рН меньше 7; это кислые растворы (табл. 4-2). Особенно важное значение имеет то обстоятельство, что шкала РН является не арифметической, а логарифмической. Если говорят, что величины РН каких-то двух растворов различаются на одну единицу, то это означает„что концентрация ионов Н + в одном из них в 1О раз больше, чем в другом„хотя мы можем и не знать абсолютные значения рН этих растворов.На рис.
4-9 приведены значения РН для некоторых жидкостей. Заметим, что концентрация ионов Н ' в напитке кока-кола(РН 3) или в красном вине(РН часть !. ьиомолокулы 1М НнОН вЂ” з Таблица 4-2. Шкала рН Отбеливнюыня жидкость рн [он -1, м рон [Н'], М Ннюктырныи спирт †Питьеннн сода (Мнцпо ) Морская нодн, нн ~нырз волок Кронь человека, слезы -ь Молоко, слюне — -з Черный ко4н — — — з ТОматный сок — — з Крненое вино — — з 3,7) приблизительно в ! 0 000 раз больше, чем в крови. Иногда для количественной характеристики основности, т.е.
концентрации ионов ОН в растворе, использую~ величину рОН, определяемую выражением .Лимонный ооь — — — + рОН .= 1ой — — -- — = — ! ой [ОН ' 3, [ОН желудочный сок †в 1М Нне! — + которое аналогично выражению для рН. Например, значение рОН раствора с 0.1 М концентрацией ионов ОН равно единице, тогда как значение рОН раствора, в котором ионы ОН присутствуют в 1О ' М концентрации.
равно 7,0. Следует запомнить, что величины рН и рОН связаны одна с другой очень простым соотношением: рн+рон = !4. В табл. 4-2 показана зта обратная зависимость между величинами рН и рОН. Величину рН волного раствора можно приблизительно оценить, используя различные индикаторные красители, такие, как лакмус.
фенолфталеин и фенилрот, однако точные измерения рН в химических и клинических лабораториях производят при помоши специальных сте- 1,0 О,! 0,01 0,001 !О 4 !О ' Ш 1О !О Ш-' !Π— зе 1О 10 !О зз 1О' 'е 0 10 !О-зз 2 10 3 10 4 Н1 зе 5 10' ' !О-н 7 10 8 !О-е 9 10 4 11 0,00! 12 0,01 13 01 14 10 14 13 !2 11 Ю 9 8 7 б 5 4 3 2 1 0 Рие. 4-9. Величины рН некоторыл жидкостей. клянных электродов, которые обладают избирательной чувствительностью по отношению к ионам Н+, но нечувствительны к ионам 1ч[а ', К ' и другим катионам.
В приборе, называемом рлл'-метром. сигнал от этого электрода усиливается и сравнивается с сигналом, генерируемым раствором, который имеет точно известную величину рН. Измерение рН является одной из наиболее важных и часто используемых в биохимии процедур, поскольку от рН зависят очень многие сушественные структурные особенности и активность биологических макромолекул, в частности каталитическая активность фермен- ГЛ. К ВОДА тов.
Более того, измерения рН крови и мочи — зто рутинные процедуры, постоянно используемые при диагностике заболеваний. Например, у людей. страдающих тяжелой формой диабета, значение рН крови часто снижено по сравнению с нормальной величиной рН 7,4. Такое состояние называется ацидозом. Наоборот, при некоторых других заболеваниях величина рН у больных может быть выше нормы- состояние, называемое алкалозом. 4.8.
Свойства кислот и оснований тесно связаны со свойствами воды Молекулы соляной, серной и азотной кислот, называемых обычно сильными кислотами, полностью ионизированы в разбавленных водных растворах. Аналогично молекулы си альных оснований )ЧаОН и КОН также полностью ионизированы. В биологии мы чаще встречаемся со слабыми кислотами и слабыми основаниями, которые при растворении в воде ионизируются не полностью. Примером слабой кислоты может служить уксусная кислота (СН»СООН), придающая уксусу кислый вкус; в качестве примера слабого основания можно привести аммиак (ЖНз), водный раствор которого применяется для чисгки различных предметов домашнего обихода.
Слабые кислоты и основания -эго обычные компоненты биологических систем, играющие важную роль в метаболизме и его регуляции. Поведение водных растворов слабых кислот и оснований ле~че будет понять, если дать сначала точные определения некоторых терминов. Кислоты можно определить как доноры протонов, а основания -как акцвлторы протонов. Донор протона н соответствующий ему акцептор протона образуют солрялсенную кислотно-осндвную лару (табл. 4-3).
Примером сопряженной кислотно-оснбвной пары могут служить уксусная кислота (СН»СООН), играющая роль донора протона, и ацетат-аннан (СН,СОО" ), выполняющий функцию акцептора протона; они свя- Таблица 4-3. Некоторые сопрвкеииые кис- лотно-осиовные пары. Каждая пара состоит из донора и акцептора протонов А«и»»тор иртона Донор протона СН,СООН Н РО ый~ СН,СОО Н,РО»~ 1 "о» заиы между собой следующей обратимой реакцией: СНзСООН Н + СНзСОО Донор про- Протон Акцептор тона, сопря- протона. жениая кис- сопряжениое лота основание Характерная особенность каждой кислоты состоит в том, что в водном растворе она стремится отщепить свой протон. Чем сильнее кислота, тем сильнее выражена зта тенденция.
Способность любой кислоты НА опцеплять прогон и образовывать сопряженное с ней основание А характеризуется константой равновесия обратимой реакции НА — Н' +А равной Константы равновесия таких реакций чаще называются константалш ионизации, или константами диссоциации. Численные значения констант диссоциации некоторых кислот, часто обозначаемых символом К,'(индекс «а» от англ. асй)— кислота),приведены втабл. 4-4. Обратите внимание, что все зги кислоты различаются по своей способности отдавать протон.
Для более сильных кислот, таких, как муравьиная или молочная, характерны более высокие значения констант диссоциация, тогда как для более слабых кислот, к которым относятся, например, ион Н,РО4, †бол низкие значения. Одна из наиболее слабых кислот, приведенных втабл.4-4, †и НН', обла- ЧАСТЬ 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
