Роль воды и растворов в жизнедеятельности. Физико-химические свойства воды, обусловливающие ее уникальную роль как единственного биорастворителя. Автопротолиз воды. Константа автопротолиза воды.

 

Организм человека на 60% состоит из воды, из них 42 приходится на внутриклеточную жидкость, а остальная часть на внеклеточную.

Вода – компонент высокоорганизованных процессов, универсальный растворитель.

Свойства воды:

1) высокое поверхностное натяжение(σ = 7,6 10^-3Н \ м)

2) низкая вязкость

3) обладает большой теплотой испарения

4) высокая теплоемкость

5) высокий дипольный момент, связан со строением воды.

На двух гибридных орбиталях находятся по 2 неподеленных пары электронов, что обуславливает сильный отрицательный заряд, электронная плотность водорода смещается к кислороду, что обеспечивает положительный заряд на атоме водорода.

6.имеет аномально высокие температуры кипения и плавления – способность образовывать водородные связи.

7.Высокая диэлектрическая проницаемость (ξ = 78,8)

Водородная связь – связь между положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженным атомом другой молекулы (F,O,N,Cl,S).

Водородная связь широко распространена и играет важную роль при ассоциации молекул и в процессе диссоциации

Энергия водородной связи = 20 – 25 кДж \ моль

Наряду с межмолекулярной водородной связью существует внутримолекулярная водородная связь.

Именно внутримолекулярные водородные связи играют основную роль в образовании пептидных цепей.

Водородная связь определяет вторичную и третичную структуру белков, а также устройство двойной спирали ДНК.

2.3. Автопротолиз воды

Все растворители условно можно разделить на две большие группы: апро-тонные и протолиты (или протонные растворители). Первые не обладают кислот­но-основными свойствами (углеводороды, бензол, CS₂, СС1₄ и др.), а вторые (Н О, С₂Н₅ОН, СН₃СООН, HF, NH₃, H₂S0₄ и др.) - участники реакций протолиза.

Н₂0 - основной растворитель в биологических системах, является амфолитом, способным самопроизвольно подвергаться слабой электролитической дис­социации или реакции автопротолиза:

н₂о + н₂о ирн- + н₃о⁺

кис. осн. сопр. осн. сопр. кис.

Константа этого протолитического равновесия в соответствии с законом действующих масс равна:

К_с = [ОН-]-[Н₃0⁺]/[Н₂0]². Равновесная концентрация растворителя [Н₂0] практически является вели­чиной постоянной, т. к. концентрация молекул Н₂0, распавшихся на ионы, по сравнению с концентрацией недиссоциированных молекул, как правило, очень мала. Поэтому две константы К_с и [Н₂0] объединяют в одну константу K_s = К_с • [Н₂0]², отсюда K_s = [ОН" ] • [Н₃0⁺]. Индекс "s" - первая буква английского слова solvent - растворитель, дляводы принят индекс "в" - вода.

Величину K_sназывают ионным произведением растворителя или кон­стантой автопротолиза растворителя.

Для воды = K_s = [ОН-] • [Н₃0⁺] = 1 • Ю-¹⁴ при t = 25°С. Автопротолиз воды процесс эндотермический.

I *

Н₂0 + Н₂0 Ц ОН" + Н₃0⁺; DH = 55,9 кДж/моль

кис. осн. сопр. осн. сопр. кис.

В обычных условиях (t=25°) К_в = 1 • Ю^-14 (моль/л)², а т. к. в чистой воде [ОН^-] = [Н₃0⁺], то концентрация каждого из ионов при 25°С будет равна:

(К_в)^1/2 = (10-¹⁴)^1/2= Ю-⁷ моль/л

Следовательно, в чистой воде, где [ОН" ] = [Н₃0⁺] = 1*10"⁷моль/л, среда будет нейтральной. Исходя из этого ясно, что при:

[Н₃0⁺] > [ОН" ], т. е. 10~⁶... 10"¹ моль, среда будет кислой.

[Н₃0⁺] < [ОН^- ], т. е. 10~⁸... 10"¹⁴ моль, среда будет щелочной. Так как отрицательные степенные выражения неудобны в количественных расчетах, их заменяют логарифмическими функциями, которые называются по­казателями, таким образом:

рН - водородный показатель, это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода:

_PH=-lg[H+]

рОН - гидроксильный показатель, отрицательный десятичный логарифм концен­трации гидроксид-ионов:

_PH=-lg[OH-], рК^ - показатель ионного произведения воды.

Для чистой воды: рК^рН + рОН = 14 или рН = рОН =7 - среда нейтраль­ная.

В кислых растворах: [Н₃0⁺] > Ю^-7; рН < 7- среда кислая.

В щелочных растворах: [Н₃0⁺] < Ю^-7; рН > 7- среда щелочна

Автопротолиз воды – обратимый процесс образования равного числа катионов и анионов из незаряженных молекул жидкого вещества за счет передачи протона от одной молекулы к другой.

Понятие автопротолиза вытекает из протонной теории кислот и оснований Бренстеда-Лоури.

2 Н2О =Н3О⁺+ОН^-

 

Также легко проходит и обратный процесс:

Н3О⁺+ОН^-₌2 Н2О или упрощенно

 

Н2О = Н⁺+ОН^-

Константа данного равновесия при 22 градусах равна:

Ка = [H+] [OH-] / [H2O] = 1.82 *10 ^-16