4.3. Равновесие в биосредах.

Важнейшей биосредой является вода. Описание процессов, протекающих в водных растворах, возможно с позиций теории химического равновесия. Многие обратимые процессы, играющие важную роль в метаболизме живых организмов, связаны с обратимым переносом протонов.

Диссоциация воды. Вода – слабый электролит, диссоциацию которого можно представить схемой:

H₂O ↔ H⁺ + OH^- при комнатной температуре из 5 млн. молекул воды диссоциирует на ионы только одна молекула

Поскольку [H₂O]>>[H⁺] ([OH^-]), то можно считать, что [H₂O] = const

[H⁺]×[OH^-]

Kc = [H₂O] Кс [H₂O] = [H⁺][OH^-] ; Kс [H₂O] = K_w

Kw - ионное произведение воды, константа равновесия, описывающая обратимую диссоциацию воды: К_w = [H⁺][OH^-] = 10^-14 (t = 25^o C)

Диссоциация слабых кислот. CH₃COOH ↔ CH₃COO^- + H⁺

Ka - константа равновесия, называемая константой кислотности

Диссоциация слабых оснований. NH₄OH ↔ NH₄⁺ + OH^-

Kb-константа равновесия, называемая константой основности Чем больше Ка и Kb, тем сильнее диссоциируют кислоты и основания в водных растворах.

Гидролиз (гидролитическое разложение) – это реакция разложения сложных веществ на более простые вещества под воздействием воды.

Гидролиз солей - это реакция ионного обмена между составными частями соли и воды, протекающая с изменением кислотности раствора

Гидролиз соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой :

NH₄Cl+ H₂O ↔ NH₄OH + HCl

NH₄⁺ + H₂O ↔ NH₄OH + H⁺

Кг – константа равновесия, называемая константой гидролиза

Гидролиз соли, образованной слабой кислотой и сильным основанием:  CH₃COONa + H₂O ↔ CH₃COOH + NaOH

CH₃COO^- + H₂O ↔ СH₃COOH + OH^- Кг = Kw Ka

Гидролиз соли, образованной слабым основанием и слабой кислотой:  CH₃COONH₄ + H₂O ↔ NH₄OH + +CH₃COOH

Кг = Kw Ka × Kb

Способность соли к гидролизу характеризуется при помощи степени гидролиза (h): h = количество гидролизуемой соли / общее количество соли в растворе

h = √ Кг / CM

Чем больше константа гидролиза, тем сильнее гидролизуется соль.

Биогеохимия – это наука, изучающая распределение химических элементов и их миграцию в биосфере. Основным вопросом биогеохимии является вопрос о взаимосвязи живого и неживого вещества. Становление биогеохимии как науки произошло в 30-е годы XX века. Ее основоположником является академик В.И. Вернадский.

Биосфера – это единственная область Земли, занятая жизнью. Она включает в себя литосферу, гидросферу и атмосферу, состоящую из тропосферы и стратосферы. Все живые существа в биосфере образуют биомассу, причем человечество составляет лишь небольшую ее часть. Анализируя содержание элементов в земной коре и в живых организмах, Вернадский пришел к выводу, что качественный состав этих объектов близок. Он предполагал, что в живом организме когда-нибудь будут найдены все элементы ПС, обнаруженные в неживой природе.

Однако простой взаимосвязи между содержанием элементов в живой и неживой природе не существует. Так 98 % земной коры составляют лишь восемь химических элементов: О, Si, Al, Fе, Са, Na, К, Mg. В живом организме преобладают шесть химических элементов: С, H, О, N, P, S, на которые приходится 97,4 % массы тела человека. В земной коре преобладают металлы, а в живых организмах – неметаллы.

Согласно теории А.П. Виноградова, живые организмы легко накапливают те химические элементы, которые образуют газы и пары атмосферы или водорастворимые соединения с главными ионами гидросферы: H⁺, OH‾, HCO₃‾, CO₃²‾, I‾, SO₄²‾, PO₄³‾.

Биогенными называются химические элементы в той или иной форме входящие в состав биомассы и выполняющие в ней определенные жизненные функции. К важнейшим биогенным элементам относятся:

• 6 неметаллов-органогенов: C, O, H, N, P, S;

• 10 биометаллов (металлов жизни): Na, K, Mg, Ca (s-элементы) и Fe, Co, Cu, Zn, Mn, Mo (d-элементы).

По содержанию в биомассе химические элементы делятся на:

• МАКРОЭЛЕМЕНТЫ (более 10‾²%). К ним относятся неметаллы-органогены и хлор, а так же биометаллы, относящиеся к s-блоку;

• МИКРОЭЛЕМЕНТЫ (10‾⁵-10‾³%). Например, Fe, Co, Cu, Zn, Mn, Mo, а так же Ni, Cr, Si, B и др.;

• УЛЬТРАМИКРОЭЛЕМЕНТЫ (менее 10‾⁵%). Например, Hg, Au и др.

Установлена взаимосвязь между содержанием элемента в организме и его положением в ПС. В подгруппах сверху вниз происходит увеличение токсичности химических элементов и их соединений и, как следствие, уменьшение содержания в биомассе. На токсичность химического элемента влияет степень его окисления в соединении. Чем выше степень окисления элемента, тем выше его токсичность. Так, ионы хрома Сr³⁺ являются малотоксичными, а анионы СrO₄²‾ и Cr₂O₇²‾, содержащие Cr⁶⁺, характеризуются высокой токсичностью.

А.П. Виноградов сформулировал понятие о БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ ПРОВИНЦИИ. Это часть биосферы, характеризующаяся экстремальными геохимическими условиями и определенными постоянными реакциями организмов на них (эндемические заболевания, возникновение мутантов и врожденных уродств).

Биогеохимия явилась фундаментом для современной экологической химии, изучающей вопросы, связанные с характеристикой основных химических токсикантов, методами борьбы с ними, изысканием новых экологически чистых источников энергии.