Основные физико-химические свойства воды и их влияние на биохимические процессы

До сих пор мы использовали кинетические уравнения для выяснения вопроса о сдвиге химического равновесия в ту или иную сторону. И хотя далеко не для всех реакций их кинетические уравнения соответствуют химическим уравнениям, качественно определить направление смещения равновесия таким способом удается. Например, для сложной гетерогенной химической реакции

Fe₃O₄ (тв) + СО (г) 3 FeO (тв) + СО₂ (г) + Q кДж

можно предсказать, что изменение давления не приведет к смещению равновесия. Здесь скорости прямой и обратной реакции зависят в основном от концентраций газов (которые при изменении давления меняются одинаково), а твердые вещества не входят в кинетические уравнения.

v_пр = k₁[CO]; v_обр = k₂[CO₂]

Теплоту тоже можно рассматривать как «продукт» реакции. Следовательно, нагревание такой равновесной смеси должно приводить к активизации обратной реакции и смещению равновесия влево – в сторону образования исходных Fe₃O₄ и CO.

Наоборот, отведение образующегося тепла (понижение температуры) будет уменьшать скорость обратной реакции и равновесие сдвинетсявправо – в сторону продуктов FeO и CO₂.

Можно не пользоваться для решения таких вопросов кинетическими уравнениями, а прямо применить принцип Ле Шателье. Действительно, при нагревании равновесной системы с оксидами железа она должна сопротивляться этому воздействию – то есть замедлять прямую реакцию, идущую с выделением тепла. Точно так же (без кинетических уравнений) можно решать вопрос о смещении равновесия при увеличении давления в системе

2 NO₂ (г) N₂O₄ (г)

Для того, чтобы «сопротивляться» увеличению давления, эта система должна активизировать реакцию, приводящую к уменьшению общего числа молекул в смеси. Такой реакцией является прямая реакция, в которой из двух молекул газа получается одна. Следовательно, преимущество получит прямая реакция и равновесие сдвинется вправо.

Способы смещения химического равновесия играют большую роль в химической промышленности. Например, синтез аммиака является обратимой, экзотермической, каталитической реакцией:

Во всех рассмотренных до сих пор реакциях, кроме синтеза аммиака, кинетические уравнения прямых и обратных реакций соответствовали их химическим уравнениям. Но получение аммиака и обратная реакция его разложения – это сложные, многостадийные процессы, состоящие на самом деле из нескольких элементарных стадий. Поэтому выражение для константы равновесия в синтезе аммиака нельзя записать на основании формального закона действующих масс. Выражение для К_р в таких случаях можно получить, только опираясь на экспериментальные данные.

Однако принцип Ле Шателье позволяет качественно подобрать условия, наиболее подходящие для сдвига равновесия вправо, т.е. в сторону максимально возможного содержания аммиака в равновесной смеси. Это имеет большое практическое значение – ведь чем больше равновесие сдвинуто вправо, тем больше аммиака можно получать в промышленной установке.

Принцип Ле Шателье говорит о том, что для смещения равновесия вправо нужно, во-первых, повышать давление. Действительно, при повышении давления система будет «сопротивляться» возрастанию концентрации газов – для этого активизируется прямая реакция превращения четырех молекул газа (одной молекулы азота и трех водорода) в две молекулы газообразного аммиака. Во-вторых, необходимо отводить образующееся в реакции теплоту, т.е. понижать температуру. Если температуру повышать, то обратная реакция ускорится в большей степени, поскольку она идет с поглощением теплоты. Однако если охлаждать реактор слишком сильно, то обе реакции замедляются и равновесие устанавливается слишком медленно.

В промышленности находят компромисс – давление в аппаратах синтеза аммиака держат настолько высоким, насколько может выдержать их конструкция, а температуру выбирают средней, при которой равновесие в системе наступает достаточно быстро и в то же время не слишком сильно смещено в сторону исходных веществ – азота и водорода. Этой же цели служит и железный катализатор – он ускоряет наступление химического равновесия. Как вы уже знаете, катализаторы одинаково хорошо ускоряют как прямую, так и обратную реакции, поэтомудобавление катализатора не может изменить положение равновесия, но способствует более быстрому его достижению.

Промышленное получение аммиака из атмосферного азота имеет огромное значение для современной цивилизации. Азот – весьма инертное вещество и его соединения в виде полезных ископаемых (селитр) встречаются очень редко. В то же время растения нуждаются в азоте, поэтому современное сельское хозяйство требует интенсивного применения все большего количества азотных удобрений, которые делают на основе аммиака. Также аммиак служит сырьем для производства азотной кислоты, а уже с участием HNO₃ осуществляются многие другие важнейшие промышленные процессы – от получения лекарств и взрывчатых веществ до переработки ядерного топлива.

ЗАДАЧИ.

1.22. В каких реакциях изменение давления окажет влияние на смещение равновесия?

1.23. В какой из реакций предыдущей задачи повышение давления приводит к сдвигу равновесия влево?

1.24. ** (ФМШ) Реакция протекает по уравнению: 2 А В. Константа равновесия равна 0,25. Найдите равновесные концентрации, если начальная концентрация [А]_н = 4 моль/л.

Примечание: если задача не решается, воспользуйтесь подсказкой в конце раздела. Но не торопитесь и подумайте еще - ведь на экзамене подсказок не будет!

1.25. Рассчитайте, во сколько раз изменятся скорости прямой и обратной реакции в равновесной системе

2 NO (г) + О₂ (г) 2 NО₂ (г)

при увеличении давления вдвое. Исходя из результатов расчета, решите, как отразится такое изменение давления на положении равновесия. (Примечание: для расчета можно брать любые исходные концентрации веществ - результат от этого не изменится. Исследуйте задачу и убедитесь в этом сами).

1.26. Примените принцип Ле Шателье к условиям и вопросу задачи 1.24. Убедитесь в том, что вывод о направлении смещения равновесия качественно совпадает с результатом количественного расчета.

1.27. В какой из четырех реакций равновесие больше всего сместится вправо при одновременном повышении температуры и понижении давления?

14.Молекулярная структура воды

Анализ данных показал, что три атома в молекуле воды образуют равнобедренный треугольник с двумя атомами водорода в основании и кислородом в вершине. Валентный угол НОН равен 104,31°. Благодаря сильному притяжению между молекулами, у воды высокие температуры плавления (0° С) и кипения (100° С). Чистая вода - плохой проводник электричества. Сжимаемость воды очень мала.

Плотность воды максимальна при 4° С; это объясняется свойствами водородных связей ее молекул. Если оставить воду в открытой емкости, то она постепенно испарится - все ее молекулы перейдут в воздух. В то же время вода, находящаяся в плотно закупоренном сосуде, испаряется лишь частично, т.е. при определенном давлении водяных паров между водой и воздухом, находящимся над ней, устанавливается равновесие. При обычном давлении 760 мм рт.ст. вода кипит при 100° С, а на высоте 2900 м над уровнем моря атмосферное давление падает до 525 мм рт.ст. и температура кипения оказывается равной 90° С. Испарение происходит даже с поверхности снега и льда, именно поэтому высыхает на морозе мокрое белье. Вязкость воды с ростом температуры быстро уменьшается и при 100° С оказывается в 8 раз меньше, чем при 0° С.

Основные физико-химические свойства воды влияют на все процессы, в которых вода принимает участие. Наиболее важны, на наш взгляд, следующие свойства:

1. Чистота воды - наличие в ней примесей, бактерий, солей тяжелых металлов, хлора и др.

2. Поверхностное натяжение - это степень сцепления молекул воды друг с другом. Этот параметр определяет степень усвояемости воды организмом. Чем более «жидкая» вода, тем меньше энергии требуется организму для разрыва молекулярных связей и осуществления взаимодействия.

3. Жесткость воды - наличие в ней солей. От жесткости зависит также степень взаимодействия воды с другими веществами.

4. Кислотно-щелочное равновесие воды. Основные жизненные среды (кровь, лимфа, слюна, межклеточная жидкость, спинномозговая жидкость и др.) имеют слабощелочную реакцию. При сдвигах их в кислую сторону, меняются биохимические процессы, организм закисляется. Это ведет к развитию болезней.

5. Окислительно-восстановительный потенциал воды. Это способность воды вступать в биохимические реакции. Она определяется наличием свободных электронов. Это очень важный показатель для организма человека.

6. Структура воды. Вода представляет собой жидкий Кристалл. Диполи молекулы воды ориентируются в пространстве определенным образом, соединяясь в структурные конгломераты. Это позволяет жидкости составлять единую биоэнергоинформационную среду. Вся жидкость в организме структурирована. Только в таком состоянии она способна проводить энергетические импульсы. Когда вода находится в состоянии твердого Кристалла, молекулярная решетка жестко ориентирована. При таянии разрываются жесткие структурные молекулярные связи. И часть молекул, высвобождаясь, образует текучесть воды.

7. Информационная память воды. За счет структуры Кристалла происходит запись биополевой информации. Это один из очень важных параметров воды, имеющий большое значение для организма человека.

8. Минерализация воды. Наличие в воде макро- и микроэлементов необходимо для здоровья. Жидкости организма представляют собой электролиты, и восполнение минерального состава идет, в том числе, за счет воды.

15.10.5. Автопротолиз воды

Наличие водородных связей в жидкой воде объясняет еще одно интересное и важное свойство этого вещества – ее автопротолиз.
Рассмотрим, что происходит с двумя молекулами воды, связанными водородной связью.
За счет тепловых колебаний атом водорода, образующий водородную связь, может на мгновение занять промежуточное положение между атомами кислорода. Из частицы с таким атомом водорода с равной вероятностью могут образоваться как исходные молекулы воды, связанные водородными связями, так и два иона: гидроксид-ион и ион оксония:

То есть, в воде протекает реакция 2Н₂О = Н₃О + ОН .
Также легко происходит и обратный процесс – образование двух молекул воды при столкновении иона оксония с гидроксид-ионом: Н₃О + ОН = 2Н₂О.
Обе эти реакции протекают в воде постоянно и с равной скоростью, следовательно, в воде существует равновесие: 2Н₂О AН₃О + ОН .
Это равновесие называется равновесием автопротолиза воды.

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

Прямая реакция этого обратимого процесса эндотермична, поэтому при нагревании автопротолиз усиливается, при комнатной же температуре равновесие сдвинуто влево, то есть концентрация ионов Н₃О и ОН ничтожны. Чему же они равны?
По закону действующих масс

Но из-за того, что число прореагировавших молекул воды по сравнению с общим числом молекул воды незначительно, можно считать, что концентрация воды при автопротолизе практически не изменяется, и [H₂O]² = const. Тогда

[H₃O ][OH ] = K_C· [H₂O]².

Произведение K_C· [H₂O]² – величина постоянная. Она называется константой автопротолиза воды (устаревшее название – ионное произведение воды) и обозначается или К(Н₂О).

= [H₃O ][OH ]

Как и константа равновесия, константа автопротолиза воды зависит от температуры. Экспериментально установлено, что при 25 °С константа автопротолиза воды

= 10^–14 моль²/л².

Отсюда следует, что при этих условиях в чистой воде

с(Н₃О ) = с(ОН ) = 10^–7 моль/л.

При увеличении температуры значение константы автопротолиза воды несколько возрастает.
Такая низкая концентрация разноименно заряженных ионов в чистой воде объясняет, почему эта жидкость, хоть и плохо, но все же проводит электрический ток.