Кислотно-основное равновесие. Современные представления о кислотно-основных равновесиях.

Кислотно-основное равновесие – относительное постоянство реакции внутренней среды организма, количественно характеризующееся или концентрацией водородных ионов (протонов), выраженной в молях на 1 л, или водородным показателем – отрицательным десятичным логарифмом этой концентрации – рН (power hydrogen – сила водорода).

 

 

БИОХИМИЯ

1) атомы в молекулах соединены друг с другом согласно их валентности, порядок распределения связей в молекуле называется химическим строением;
изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами;
свойства веществ зависят не только от их состава, но и от «химического строения», то есть от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно влияют друг на друга атомы, непосредственно связанные между собой;
атомы в молекулах оказывают влияние друг на друга, и это влияние приводит к химическим изменениям поведения атома;
определить состав и строение химического вещества можно по продуктам химических превращений.

 

2)Органические соединения отличаются своей многочисленностью и разнообразием. Органические соединения классифицируют, учитывая два основных признака:

-строение углеродного скелета

-наличие и строение функцианальных групп.

Углеродные скелеты разделяют на ациклические (не содержащие циклов), циклические и гетероциклические.

В гетероциклическом скелете в углеродный цикл включается одни или несколько атомов, отличных от углерода. Исторически сложилась традиция не рассматривать такие гетероатомы как функциональные группы, а считатьих частью углеродного скелета.

В самих углеродных скелетах нужно классифицировать отдельные атомы углерода по числу химически связанных с ними атомов углерода. Если данный атом углерода связан с одним атомом углерода, то его называют первичным, с двумя — вторичным, тремя — третичным и четырьмя — четвертичным.

Поскольку атомы углерода могут образовывать между собой не только одинарные, но и кратные (двойные и тройные) связи, то соединения, содержащие только одинарные связи углерод—углерод, называют насыщенными, соединения с кратными углерод¾ углеродными связями называют ненасыщенными. Соединения, в которых атомы углерода связаны только с атомами водорода, называют углеводородами.

1. Природа функциональной группы Функциональные группы, содержащие атом кислорода:

· гидроксильная –ОН,

· карбонильная >С=O

· карбоксильная –COOH

· алкоксильная –OR (типа –ОСН3) и др.

2Функциональные группы, содержащие атом азота:

· аминогруппа –NH2

· нитрогруппа –NO2

· нитрозогруппа –NO

· нитрильная группа или цианогруппа –CN

· гидразинная –NHNH2

· амидная –CONH2 и др.

3Функциональные группы, содержащие атом серы

· тиольная (сульфгидрильная, меркапто-) –SH

· сульфидная >S

· дисульфидная –S–S–

· сульфоксидная >S=O,

· сульфонная >SO₂ и др.

4Функциональные группы, содержащие ненасыщенные углерод-углеродные связи:

· двойные и тройные связи (в том числе сопряжённые диеновые системы) –С=С–, –С≡С–

· ароматические фрагменты –С₆H₅ и др.

5Функциональные группы, содержащие прочие атомы:

· атомы металлов –Li

· атомы галогенов –Cl, и др.

 

Функциональная группа- атом или группа атомов, определяющие принадлежность соединения к определенному классу и ответственные за его химические свойства.

Структурная формула — изображение химических связей между атомами в молекуле с учетом их валентности.

Структурные изомеры - соединения одинакового качественного и количественного состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е химическим строением.

3) номенклатура IUPAC — международная единая химическая номенклатура. Систематическая номенклатура основывается на современной теории строения и классификации органических соединений и пытается решить главную проблему номенклатуры: название каждого органического соединения должно содержать правильные названия функций (заместителей) и основного скелета углеводорода и должно быть таким, чтобы по названию можно было написать единственно правильную структурную формулу.

Родоначальная структура – главная углеродная цепь или циклическая структура в карбо- и гетероциклах.

Углеводородный радикал – остаток формульного обозначения углеводорода со свободными валентностями (см. таблицу 2).

Характеристическая группа – функциональная группа, связанная с родоначальной структурой или входящая в ее состав (см. таблицу 3).

Основные принципы номенклатуры IUPAC следующие:

1. За основу названия берется самая длинная углеводородная цепь, включающая обычно старшую функциональную группу, с добавлением в суффиксе родового окончания, соответствующего последней.

2. Атомы углерода в цепи нумеруются последовательно с того конца, к которому ближе расположена старшая функциональная группа, но предпочтение при прочих равных условиях отдается двойной, затем тройной связи.

3. К основу названия добавляются, начиная с простейшего, названия заместителей, при необходимости – с указанием их количества при помощи приставок умножения ди-, тетра-, пента- и т.д. При этом для каждого заместителя указывают его место в цепи, т.е. номер атома, к которому присоединен заместитель в сквозной нумерации. Положение и название заместителей и, при необходимости, функциональных групп указывают в префексе перед названием цепи, отделяя цифры дефисом. Для функциональных групп цифры ставят перед их названием или после названия, отделяя их в суффиксе также дефисом.

4. Названия заместителей (радикалов) могут быть системные и тривиальные. Алкильные радикалы называют, изменяя окончание – ан на –ил в названии соответствующего алкана. Обычно в названии радикала отражается тип атома углерода, имеющего свободную валентность. Атом углерода, связанный с одним углеродным атомом, называется первичным (-СН₃), с двумя – вторичным (СН₃СН₂СН₃), с тремя – третичным (СН(СН₃)₃), с четырьмя – четвертичным (С(СН₃)₄).

5. Если в названии необходимо указать несколько заместителей, то они даются в порядке возрастания старшинства или по алфавиту. При перечислении суффиксов в первую очередь указывают двойную, затем тройную связи.

 

4).Родоначальная структура - химическая структура, составляющая основу называемого соединения. В ациклических соединениях в качестве родоначальной структуры рассматривается главная цепь атомов углерода, в карбоциклических и гетероциклических соединениях - цикл.

Характеристическая группа - функциональная группа, связанная с родоначальной структурой или частично входящая в ее состав.

Заместитель - любой атом или группа атомов, замещающие в ор- ганическом соединении атом водорода.

5. Основные классы биологически важных органических соединений: спиртов, фенолов, тиолов, аминов, простых эфиров, сульфидов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот. Органические радикалы.

Спирты — органические соединения, содержащие одну или более гидроксильных групп (−OH), непосредственно связанных с насыщенным (находящимся в состоянии sp ³-гибридизации) атомом углерода. Бывают одноатомные и многоатомные. Это зависит от количества гидроксильных групп. Взаимодействуют с оксидом железа (качественная реакция), с щелочными металлами, с галогенводородом, взаимодейсвуют с карбоновыми кислотами, спирты горят.
Фено́лы — органические соединения ароматического ряда, в молекулах которых гидроксильные группы OH− связаны с атомами углерода ароматического кольца.Участвуют в реакциях поликонденсации, взаимодействуют с щелочами, с металлами, в реакиях нитрования,галогенирования, гидрирования.
Амины- производные аммиака, в котором атомы водорода замещены органическими радикалами NH2. Взаимодействуют с водой. с кислотами.также амины горят.
Тиолы-сернистые аналоги спиртов с радикалом-SH. Тиолы вступают в реакцию оисления и присоединения. Они мало растворимы в воде.
Простые эфиры-это органические вещества,молекулы которых состоят из углеводородных радикалов, соединенных атомом кислорода R-O-R. Взаимодействуют с йодоводородом, с концентрированной серной кислотой и участвуют в реакциях окисления.
Сульфиды- органические соединения с общей формулой R-S-R
Кетоны- это органические соединения, в молекулах которых карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами. Радикал: С=О. Участвуют в реакциях гидрирования, могут взаимодействовать с аммиаком.
Альдегиды-это органические соединения, содержащие альдегидную группу –СОН.
Участвуют в реакциях окисления, восстановления,гидрирования и горения.
Карбоновые кислоты-это класс органических соединений, молекулы которых содержат одну или более функциональных групп –СООН. Могут реагировать с солями, галогенами,вступают в реакцию этерификации,взаимодействуют с некоторыми меиаллами.

6. Что такое изомерия и какие виды ее вам известны?

Изомерия -это способность веществ существовать с одинаковым молекулярным составом, но с разным строением.
1)Пространственная:
Геометрическая изомерия характерна для соединений, содержащих двойную связь или замкнутый цикл. Например, цис и транс изомеры.
Оптическая изомерия изомеры зеркально отображенные

2) Структурная изомерия:
Межклассовая:

изомерия углеродного скелета

изомерия положения – тоже делится на:
изомерию положения кратной связи ,

функциональной группы

и радикалов- заместителей

4) Конформационная изомерия - такая изомерия, где молекулы переходят друг в друга за счет свободного вращения атомов вокруг связей. Например «ванны» и «кресла».
Конфигурационная изомерия- молекулы имеют различное расположение атомов в пространстве. Конформационная и конфигурационная изомерии являются разновидностями стереоизомерии, при этом конфигурационная делится на энантиомерию и диастереомерию.

7. Какие электронные эффекты заместителей вы знаете?

К электронным эффектам относятся: индуктивный эффект, мезомерный эффект. Индуктивным эффектом называется смещение электронной плотности σ-связей вдоль линии связи, вызванное различием в значениях электроотрицательности атомов. Индуктивный эффект может быть положительным и отрицательным.
Мезомерный эффект- это передача электронного влияния заместителей по сопряженной системе. Этот эффект проявляют заместители, которые связаны с sp2- или sp- гибридизованным атомом. Мезомерный эффект передается без затухания. Он так же может быть положительным и отрицательным.
Положительным эффектом обладают заместители, которые повышают электронную плотность в сопряженной системе.К ним относят группы, которые содержат атомы с неподеленной парой электронов, которые могут передать эту пару электронов в общую систему сопряжения. Эффект характерен для групп ОН и NH2.
Отрицательный эффект проявляют заместители с электроотрицательными атомами и смещающие электронную плотность на себя. Заместитель только оттягивает электроны из общей системы сопряжения за счет своей более высокой электроотрицательности.

8. Основные приемы номенклатуры ИЮПАК соединений.
Номенклатура представляет собой систему правил, которые позволяют дать название каждому органическому соединению.В настояшее время принята систематическая номенклатура ИЮПАК, но все равно применяются и другие обыденные названия. Ибычно они применяются в названии аминокислот, углеводов, стероидов, например, лактоза(молочный сахар). Для использования номенклатуры ИЮПАК необходимо знать содержание терминов, таких как:
заместитель(любой атом, который замещает атом водорода в соединении),,характеристическая группа(группа, связанная с родоначальной структурой), локант(буква, которая указывает на полодение заместителя или кратной связи), родоночальная структура(структура, которая составляет основу соединения)

9. Атомные орбитали и их гибридизация.

Атомная орбиталь – это функция, которая описывает плотность электронного облака в каждой точке пространства вокруг ядра атома. При определении геометрической формы химической частицы следует учитывать, что пары внешних электронов центрального атома, в том числе и не образующие химическую связь, располагаются в пространстве как можно дальше друг от друга.

Иногда используют понятие о гибридизации орбиталей центрального атома - выравнивание их энергии и формы. Гибридизация применяется для квантово-химического описания перестройки орбиталей в химических частицах по сравнению со свободными атомами. Сущность гибридизации атомных орбиталей состоит в том, что электрон вблизи ядра связанного атома характеризуется не отдельной атомной орбиталью, а комбинацией атомных орбиталей с одинаковым главным квантовым числом. Такая комбинация называется гибридной орбиталью. Как правило, гибридизация затрагивает лишь высшие и близкие по энергии атомные орбитали, занятые электронами.
В результате гибридизации появляются новые гибридные орбитали, которые ориентируются в пространстве таким образом, чтобы расположенные на них электронные пары (или неспаренные электроны) оказались максимально удаленными друг от друга, что соответствует минимуму энергии межэлектронного отталкивания. В гибридизации участвуют не только связывающие электроны, но и неподеленные электронные пары. Например, молекула воды содержит две ковалентные химические связи между атомом кислорода и двумя атомами водорода.
sp-гибридизация
Происходит при смешивании одной s- и одной p-орбиталей. Образуются две равноценные sp-атомные орбитали, расположенные линейно под углом 180 градусов и направленные в разные стороны от ядра центрального атома.
sp²-гибридизация
Происходит при смешивании одной s- и двух p-орбиталей. Образуются три гибридные орбитали с осями, расположенными в одной плоскости и направленными к вершинам треугольника под углом 120 градусов.
sp³-гибридизация
Происходит при смешивании одной s- и трех p-орбиталей, образуя четыре равноценные по форме и энергии sp³-гибридные орбитали. Могут образовывать четыре σ-связи с другими атомами или заполняться неподеленными парами электронов.

10. Структурная и пространственная изомерии.

Пространственная изомерия - это существование изомеров, имеющих одинаковый состав и порядок соединения атомов, но отличающихся характером расположения атомов или групп атомов в пространстве относительно друг друга.Бывает:
Геометрической – она характерна для соединений, содержащих двойную связь или замкнутый цикл. Например, цис и транс изомеры.

Оптической – в которой изомеры имеют одинаковые физические и химические свойства, но имеют зеркальное отображение.

Структурные изомеры – это изомеры, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но отличающиеся химическим строением. Различают:
Межклассовую изомерию

Изомерию углеродного скелета

Изомерия положения – тоже делится на:
изомерию положения кратной связи
Функциональной группы
и радикалов-заместителей

11. Конфигурация и конформация

Пространственные изомеры делятся на два вида: конформационные и конфигурационные.

Конфигурации – это порядок расположения атомов в пространстве без учета различий, которые возникают в результате вращения вокруг одинарных связей. Эти изомеры существуют в виде различных конформаций.

Конформации – очень неустойчивые динамические формы одной и той же молекулы, которые возникают в резцльтате вращения атомов или групп атомов вокруг одинарных связей, в результате чего атомы занимают различное пространственное положение. Каждая конформация молекулы характеризуется определённой конфигурацией.
Различают: заслоненную и заторможенную конформации.
Заслонённая конформация возникает в том случае, если одинаковые заместители расположены на минимальном расстоянии друг от друга и между ними возникают силы взаимного отталкивания, и молекула должна обладать большим запасом энергии, чтобы сохранить эту конформацию. Эта конформация энергетически невыгодна.
Заторможенная конформация – возникает в том случае, если одинаковые заместители максимально удалены друг от друга и молекула обладает минимальным запасом энергии. Эта конформация энергетически выгодна.

 

19. Сравните кислотность этиленгликоля и этанола. Кислотность этиленгликоля выше, чем у этанола.Благодаря более выраженным кислотным свойствам многоатомные спирты реагируют с Сu(OH)2, образуя растворимые комплексные соединения – хелаты.