Диссоциация воды

Исключительно важную роль в биологических процессах играет вода, являющаяся обязательной составной частью (от 58 до 97%) всех клеток и тканей человека, животных, растений и простейших организмов Вода- это среда, в которой протекают самые разнообразные биохимические процессы.

Вода обладает хорошей растворяющей способностью и вызывает электролитическую диссоциацию многих растворенных в ней веществ.

Процесс диссоциации воды согласно теории Бренстеда протекает по уравнению:

Н₂0+Н₂0 Н₃О⁺ + ОН^-; ΔН дис = +56,5 КДж/моль

Т.е. одна молекула воды отдает, а другая - присоединяет протон, происходит автоионизация воды:

Н₂0 Н⁺ + ОН^- - реакция депротонирования

Н₂0 + Н⁺ Н₃О⁺ - реакция протонирования

Константа диссоциации воды при 298°К, определенная методом электрической проводимости равна:

а(Н⁺) - активность ионов Н⁺ (для краткости вместо НзО⁺пишут Н⁺ );

а(ОН^-) - активность ионов ОН^-;

а(Н₂0)- активность воды;

Степень диссоциации воды очень мала, поэтому активность водород - и гидроксид - ионов в чистой воде практически равны их концентрациям. Концентрация воды является постоянной величиной и равна 55,6 моль.

(1000г : 18г/моль= 55,6 моль)

Подставляя в выражение для константы диссоциации Кд(Н₂0) это значение, а вместо активностей водород - и гидроксид - ионов их концентрации, получают новое выражение:

К(Н₂0)=С(Н⁺)×С(ОН^-)=10^-14 мол²/л² при 298К,

Более точно К(Н₂0)= а(Н⁺)×а(ОН^-)= 10^-14 моль²л²-

К(Н₂0) называют ионным произведением воды или константой автоионизации.

В чистой воде или любом водном растворе при постоянной температуре произведение концентраций (активностей) водород - и гидроксид - ионов есть величина постоянная, называемая ионным произведением воды.

Константа К(Н₂0) зависит от температуры. При повышении температуры она увеличивается, т.к. процесс диссоциации воды - эндотермический. В чистой воде или водных растворах разных веществ при 298К активности (концентрации) водород - и гидроксид - ионов будут составлять:

а(Н⁺)=а(ОН^-)=К(Н₂0) = 10^-14 =10^-7 моль/л.

В кислых или щелочных растворах эти концентрации уже не будут равны друг другу, но изменяться будут сопряжено: при увеличении одной из них соответственно будет уменьшаться другая и наоборот, например,

а(Н⁺)=10^-4 , а(ОН^-)=10^-10, их произведение всегда составляет 10^-14

Водородный показатель

Качественно реакцию среды выражают через активность водородных ионов. На практике пользуются не этой величиной, а водородным показателем рН - величиной, численно равной отрицательному десятичному логарифму активности (концентрации) водородных ионов, выраженной в моль/л.

рН= - lga(H⁺),

а для разбавленных растворов

рН= - lgC(H⁺).

Для чистой воды и нейтральных сред при 298К рН=7; для кислых растворов рН<7, а для щелочных рН>7.

Реакцию среды можно охарактеризовать и гидроксильным показателем:

рОН= - lga(OH^-)

или приближенно

рОН= - IgС(ОH^-).

Соответственно в нейтральной среде рОН=рН=7; в кислой среде рОН>7, а в щелочной рОН<7.

Если взять отрицательный десятичный логарифм выражения ионного произведения воды, получим:

рН + рОН=14.

Следовательно, рН и рОН также являются сопряженными величинами. Их сумма для разбавленных водных растворов всегда равна 14. Зная рН, легко вычислить рОН:

рН=14 – рОН

и наоборот:

рOH=14 - рН.

В растворах различают активную, потенциальную (резервную) и общую кислотность.

Активная кислотность измеряется активностью (концентрацией) водород-ионов в растворе и определяет рН раствора. В растворах сильных кислот и оснований рН зависит от концентрации кислоты или основания, и активность ионов Н⁺ и ОН^- может быть рассчитана по формулам:

а(Н⁺)= C(l/z кислота)×α_каж.; рН= - lg а(Н⁺)

a(ОН^-)=C(l/z основание)×α_каж.; рН= - lg а(ОН^-)

рН= - lgC(l/z кислота) – для предельно разбавленных растворов сильных кислот

рОН= - lgC(l/z основание) - для предельно разбавленных растворов оснований

Потенциальная кислотность измеряется количеством водород-ионов, связанных в молекулах кислоты, т.е. представляет собой «запас» недиссоциированных молекул кислоты.

Общая кислотность - сумма активной и потенциальной кислотностей, которая определяется аналитической концентрацией кислоты и устанавливается титрованием

Одним из удивительных свойств живых организмов является кислотно-основной

гомеостаз - постоянство рН биологических жидкостей, тканей и организмов. В таблице 1 представлены значения рН некоторых биологических объектов.

Таблица 1

Биожидкость	РН в норме
Сыворотка крови	7,4±0,05
Слюна	6,35-6,85
Чистый желудочный сок	4,8-7,5
Моча	4,8-7,5
Спинно-мозговая жидкость	7,4±0,05
Сок поджелудочной железы	7,5-8,0
Содержимое тонкого кишечника	7,4—8,0
Желчь в протоках	7,4-8,5
Желчь в пузыре	5,4-6,9
Молоко	6,6-6,9

Из данных таблицы видно, что рН различных жидкостей в организме человека изменяется в довольно широких пределах в зависимости от местонахождения. КРОВЬ, как и другие биологические жидкости, стремится сохранить постоянное значение водородного показателя, значения которого представлены в таблице 2

Таблица 2

Кровь	рH
Артериальная	7,4
Венозная	7,35
Внутри клеток в результате обмена и накопления кислых продуктов	7,2

Изменения рН от указанных величин всего на 0,3 в сторону увеличения или уменьшения приводит к изменению обмена ферментативных процессов, что у человека вызывает тяжелое болезненное состояние. Изменение рН всего на 0,4 уже несовместимо с жизнью. Исследователи установили, что в регуляции кислотно-щелочного равновесия участвуют следующие буферные системы крови: гемоглобиновая, бикарбонатная, белковая и фосфатная. Доля каждой системы в буферной емкости представлена в таблице 3.

Таблица 3

Буферные системы	Емкость, выраженная в %
НГем; NаГем	80
Нбел; Naбел	2-5
NaH2P04; Na2HРО4	1-2
Н2СО3; NaHCO3	13-15

Все буферные системы организма по механизму действия едины, т.к. состоят они из слабой кислоты: угольной, дигидрофосфорной (дигидрофосфат-ион ), белковой, гемоглабиновый (оксогемоглобиновой) и солей этих кислот, в основном натриевых, обладающих свойствами слабых оснований. Но так как по быстроте ответной реакции бикарбонатная система в организме не имеет себе равных, то способность сохранять постоянство среды в организме рассмотрим с помощью этой системы.