Неорганическая химия - А. Дроздов

Следует иметь в виду, что хотя полуреакции отра–жают реальные процессы, идущие при окислительно-восстановительных реакциях, их нельзя отождествлять с реальными стадиями (механизмом) окислительно-восстановительных реакций.

На характер и направление окислительно-восстано–вительных реакций влияют многие факторы: природа реагирующих веществ, реакция среды, концентрация, температура, катализаторы.

Следует иметь в виду, что отрицательное значение не всегда приводит к однозначному решению о реаль–ном протекании реакции в данном направлении, так как дополнительно необходимо учитывать кинетиче–ский фактор.

29. Биологическое значение окислительно-восстановительных процессов

Окислительно-восстановительными реакциями называются химические процессы, сопровождающие–ся переносом электронов от одних молекул или ионов к другим.

При окислительно-восстановительных реакциях про–текают два взаимосвязанных процесса: окисление и вос–становление.

Окислением называется процесс потери электронов. Восстановлением – процесс присоединения элект–ронов.

Вещества, атомы или ионы которых отдают электро–ны, называются восстановителями. Вещества, атомы или ионы которых присоединяют электроны (или оття–гивают к себе общую пару электронов), называются окислителями.

В реакции цинка с CuSO4 Cu2 + присоединяют элект–роны:

Си2+ + 2е־ – Си0 .

Атомы цинка отдают электроны:

Zn0 – Zn2 + 2e־.

Соответственно, CuSO4 – окислитель, Zn – восста–новитель.

Важными процессами в животных организмах яв–ляются реакции ферментативного окисления веществ-субстратов: углеводов, жиров, аминокислот. В резуль–тате этих процессов организмы получают большое количество энергии. Приблизительно 90% всей по–требности взрослого мужчины в энергии покрывается за счет энергии, вырабатываемой в тканях при окисле–нии углеводов и жиров. Остальную часть энергии – ~10% дает окислительное расщепление аминокислот.

Биологическое окисление протекает по сложным механизмам при участии большого числа фермен–тов. В митохондриях окисление происходит в резуль–тате переноса электронов от органических субстратов. В качестве переносчиков электронов в дыхательную цепь митохондрий входят различные белки, содержа–щие разнообразные функциональные группы, которые предназначены для переноса электронов. По мере про–движения по цепи от одного интермедиата к другому электроны теряют свободную энергию. На каждую пару электронов, переданных по дыхательной цепи кислоро–ду, синтезируются 3 молекулы АТФ. Свободная энергия, высвобождающаяся при переносе 2 электронов на кислород, составляет 220 кДж/моль.

На синтез 1 молекулы АТФ в стандартных условиях расходуется 30,5 кДж. Отсюда ясно, что довольно значи–тельная часть свободной энергии, выделяющейся при переносе одной пары электронов, запасается в молеку–лах АТФ. Из этих данных становится понятной и роль многостадийной передачи электронов от исходного вос–становителя к кислороду. Большая энергия (220 кДж), выделяемая при переносе одной пары электронов к кис–лороду, разбивается на ряд порций, соответствующих отдельным стадиям окисления. На трех таких стадиях количество выделяющейся энергии примерно соот–ветствует энергии, необходимой для синтеза 1 моле–кулы АТФ.

Окислительно-восстановительные реакции лежат в основе методов оксидиметрии, которые применя–ются в клиническом анализе для определения в крови ионов Са, мочевой кислоты, ферментов каталазы и пе-роксидазы, сахара, а в санитарно-гигиеническом – для определения окисляемости воды, содержания актив–ного хлора в хлорной извести, остаточного хлора в хозяйственноопитьевой воде

30. Химическая связь и ее экспериментальные характеристики

Разработка современной модели атома и предска–зание на ее основе свойств индивидуальных атомов – очень важное достижение квантовой механики. Однако в земных условиях редко встречаются изолированные атомы. Окружающие нас тела неживой и живой природы состоят из разнообразных молекул.

А. М. Бутлеров (1828—1886) создал теорию химиче–ского строения органических веществ (1861г.). С этого времени в химию начинают постепенно входить поня–тия «валентность» и «химическая связь».

Валентностью называется способность атома при–соединять определенное число других атомов с обра–зованием молекулы.

Валентность обозначается черточками у символа эле–мента. Водород (Н) – одновалентный, кислород (0= ) – двухвалентный. Число валентных черточек определяет число химических связей, которые данный атом может образовывать с другими атомами.

Химической связью называется совокупность взаи–модействий между электронами и ядрами, приводя–щих к соединению атомов в молекулу.

Свойства химической связи изучают различными ме–тодами. С помощью химических методов определяют число связей атомов (валентность) и их реакционную способность.

С помощью физических методов определяют длину, прочность, ориентацию и полярность химических связей.

Длиной химической связи гс называется величина, измеряемая расстоянием между ядрами связываемых атомов.

В качестве единицы измерения длины химической свя–зи гс удобно использовать пикометр (пм): 1 пм = 10-12 м.

Прочность химической связи Ес – величина, из–меряемая энтальпией ΔЕс образования связи.

В качестве единицы измерения прочности хими–ческой связи Ес используется кДж/моль.

Ориентация химической связи ас – величина, из–меряемая углом между направлениями связей данно–го атома с соседними атомами молекулы. Угол ас на–зывается валентным.

Единица измерения валентного угла ас – градус.

Полярность химической связи μс – величина, из–меряемая электрическим моментом данной связи.

Электрический момент для двух электрических за–рядов +q и ־q, равных по абсолютному значению и про–тивоположных по знаку, равен μ = qr, где r – расстояние между зарядами. Такие два заряда образуют электриче–ский диполь.

Химическая связь поляризуется, когда связываются 2 атома с разной электроотрицательностью (ОЭО). В результате на атоме с большим значением ОЭО возникает избыточный отрицательный заряд –δ, а на другом атоме с меньшим значением ОЭО – избы–точный положительный заряд +δ. Полярность связи рассчитывается по формуле:

μс = δrс.

В качестве единицы измерения полярности химиче–ской связи удобно использовать внесистемную еди–ницу Дебай (D) – 1 D = 3,3 х 10-30 Кл/м. Полярность О—Н связи в молекуле воды равна μон = 1,5 D.

Изучение химической связи показало, что в большин–стве случаев длина, прочность, ориентация, поляр–ность одной и той же химической связи в разных соеди–нениях имеют приблизительно одинаковые значения. Отсюда следует, что взаимодействия, приводящие к образованию данной связи между атомами, имеют одинаковую природу в разных молекулах. Квантово-механические теории химической связи дают объясне–ние этому факту.

31. Водородная связь.

Межмолекулярная и внутримолекулярная водородная связь

Химические связи в молекулах обычно очень прочны, их энергия находится в пределах 100—150 кДж/моль. Кроме этого, существуют так называемые водородные связи, прочность которых составляет 10—40 кДж/моль. Длина этих связей соответственно 270—230 пм.

Водородной связью между атомами ЭА и ЭВ назы–вается взаимодействие, осуществляемое атомом во–дорода, соединенным с ЭА или ЭВ химической связью.

Изображение водородной связи в общем случае имеет вид:

ЭА—Н ...Эв..

Очевидно, что водородная связь трехцентровая, так как в ее образовании принимают участие 3 атома. Для возникновения такой связи необходимо, чтобы атомы ЭА и ЭВ обладали большой электроотрицательностью. Это атомы наиболее отрицательных элементов: азота (ОЭО = 3,0), кислорода (ОЭО = 3,5), фтора (ОЭО = 4,0) и хлора (ОЭО = 3,0). Водородная связь образуется в результате комбинации ls—AO водорода и двух 2р-АО атомов ЭА и ЭВ; 2р-орбитали ориентированы вдоль одной прямой. Поэтому водородная связь линейная.

Водородная связь называется:

1) внутримолекулярной, если атомы ЭА и ЭВ , соединен–ные этой связью, принадлежат одной и той же мо–лекуле;

2) межмолекулярной, если атомы ЭА и ЭВ находятся в разных молекулах.

Внутримолекулярные водородные связи играют важ–нейшую биологическую роль, так как определяют, на–пример, спиральную структуру полимерных молекул белков. В белках это связи N—Н…О между амино–кислотными остатками. Не менее важны межмолекулярные водородные свя–зи. С их помощью соединены цепи нуклеиновых кислот, образующих двойную спираль. Здесь имеются два типа связей между нуклеиновыми основаниями – N—H—N и N—Н—О.