- •Введение
- •1. Физические свойства и структура воды
- •Водородная связь
- •Влияние растворенных веществ на структуру воды
- •1.3. Ионизация воды
- •1.4. Ионное произведение воды; шкала рН
- •1.5. Гидрофобные взаимодействия
- •1.6. Состояние воды в тканях
- •1.7. Потребление и выделение воды
- •1.8. Регуляция водного обмена
- •2. Метаболизм макро- и микроэлементов в организме животных
- •2.1. Биологическая роль минеральных элементов
- •2.2. Поступление минеральных веществ в организм животного и выделение их
- •2.3. Метаболизм макроэлементов в организме животных Натрий
- •2.4. Метаболизм микроэлементов в организме животных
- •2.5. Регуляция обмена воды и минеральных веществ
- •Заключение
- •Оглавление
- •394087, Воронеж, ул. Мичурина, 1
Влияние растворенных веществ на структуру воды
Присутствие полярных растворенных веществ, например NаС1, вызывает вполне определенные изменения в структуре жидкой воды, так как каждый ион Nа+ и С1- окружен оболочкой водных диполей. Геометрия таких гидратированных ионов отличается от геометрии „мерцающих скоплений", образованных за счет водородных связей; они более упорядоченны и имеют более регулярную структуру. В табл. 3 приведены средние межионные расстояния для водных растворов NаС1 при различных концентрациях NаС1.
Таблица 1
Среднее расстояние между ионами Nа+ и Cl- в растворах NaCl
Концентрация, М |
Расстояние, А |
0,001 |
94 |
0,010 |
44 |
0,10 |
20 |
0,150 |
19 |
1,00 |
9,4 |
Легко видеть, что в 0,15 М растворе NаС1 это примерно соответствует концентрации NaС1 в плазме крови и концентрации солей калия в цитоплазме клеток— средние расстояния между ионами Na+ и С1- составляют всего около 19 А. Поскольку каждый гидратированный ион Na+ и С1- имеет диаметр от 5 до 7 А, а тетраэдрический ассоциат, состоящий из 5 молекул воды, достигает в диаметре примерно 5 А, ясно, что при растворении NаС1 в воде в концентрации, близкой к его концентрации в биологических жидкостях, в трехмерной структуре и свойствах жидкой воды должны произойти значительные изменения. Соли как бы ломают структуру воды.
Влияние растворенного вещества на растворитель проявляется в ряде других свойств, так называемых коллигативных свойствах растворов, зависящих от числа частиц растворенного вещества на единицу объема растворителя. Растворенные вещества приводят, как известно, к понижению температуры замерзания и к повышению температуры кипения растворителя, а также к понижению давления его паров. Кроме того, они обусловливают осмотическое давление раствора. Одна грамм-молекула идеального недиссоциирующего и диссоциирующего вещества, растворенного в 1000 г воды при давлении 760 мм рт. ст., вызывает понижение температуры замерзания на 1,86 °С и повышение температуры кипения на 0,543 °С.
Такой раствор в соответствующем приборе развивает осмотическое давление, равное 22,4 атм. Поскольку поведение водных растворов обычно значительно отличается от идеального, достаточно хорошее приближение к этим величинам отмечается только в случае бесконечного разбавления, т. е. при экстраполяции к нулевой концентрации растворенного вещества.
1.3. Ионизация воды
Масса атома водорода очень мала, а его единственный электрон прочно удерживается атомом кислорода; вследствие этого для атома водорода весьма характерно определенное стремление оторваться от атома кислорода, с которым он ковалентно связан в молекуле воды, и «перескочить» в виде протона к атому кислорода соседней молекулы воды, с которым он связан водородной связью, при том непременном условии, что внутренняя энергия каждой из молекул благоприятствует такому «перескоку» (см. ниже). В этой реакции образуются два иона: ион гидроксония (Н30+) и гидроксильный ион (ОН-). Как показывают измерения электропроводности, в 1 л чистой воды при 25 °С в любой данный момент времени содержится всего 1,0 –10-7моль ионов Н30+ и столько же ионов ОН-.
Ионизацию воды обычно принято описывать простым уравнением
Н 20 Н+ + ОН-
Однако ионы водорода в воде, как известно, не существуют в виде «голых» протонов. В действительности даже гидратированные протоны Н30+ подвергаются дополнительной сольватации за счет водородных связей, так что реально существующими являются ионы H9О4+ (рис. 3).
Рис.3. Гидратированная форма иона гидроксония (Н9О+4). Гидратная оболочка стабильна при температуре до 1000С
Таблица 2
Подвижность некоторых катионов в электрическом поле
при бесконечном разведении (250 С)
Ион |
Подвижность см2·В-1с-1(х104) |
||
Н+ |
36,3 |
||
Na+ |
5,2 |
||
K+ |
7,62 |
||
NH+4 |
7,60 |
||
Mg2+ |
5,4 |
||
Li+ |
4,0 |
||
|
|
||
|
|
|
Рис.4. Перескоки протонов |
Из данных, приведенных в табл. 2, явствует, что скорость миграции Н+-ионов в электрическом поле во много раз превышает скорость миграции Nа+ или К+. Высокая электростатическая подвижность иона Н30+ обусловлена способностью протона легко «перескакивать» из иона гидроксония в соседнюю молекулу воды, причем скорость такого «перескока» исключительно велика. Механизм протонных «перескоков» обеспечивает скорость переноса протонов, значительно превосходящую скорость диффузионного перемещения самих ионов Н30+ (рис.4).
В результате серии перескоков протонов самая нижняя молекула воды превращается в ион гидроксония.
Протонные «перескоки» обусловливают также исключительно высокую электропроводность льда. Способность протонов легко проходить сквозь массу связанных водородными связями молекул воды может иметь большое значение для функционирования биологических систем.