Химия. химия. 1. Биологическая химия (биохимия)
 Скачать 32.06 Kb.
|
|
1.Биологическая химия (биохимия) - это наука о веществах, входящих в состав живых организмов, и о химических превращениях одних биогенных веществ (т. е. веществ синтезируемых живой природой) в другие биогенные вещества. Иными словами, биохимия – это органическая химия биогенных веществ. Задачи биохимии: 1. Изучение состава организма и продуктов его обмена 2. Выяснение функций различных органов и тканей 3. Выяснение сущность химических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности организма. 4. Выяснение и изучение механизмов высвобождения, накопления и использования энергии в организме. 5. Изучение механизмов образования и выведения конечных продуктов распада веществ. 6. Изучение механизмов воспроизведения и передачи наследственных признаков организма. 2. Методы биохимии. Метод синтеза - способ соединения аминокислот друг с другом (пептидные связи) в молекулах белка и затем выяснить последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидных цепях белковых молекул. Методу радиоактивных изотопов -дает возможность проследить за перемещением того или иного вещества в организме. С помощью электронного микроокопа при очень сильном увеличении удалось изучить строение клеток, выявить в них наличие субклеточных образований физические методы - метод рентгеноструктурного анализа, при помощи которого выявлена структура сложных соединений Физико-химические методы позволили выяснить основные принципы построения биополимеров - белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов, а познание молекулярного строения живого позволяет глубоко проникнуть в тайны жизненных процессов. Строение и физико-химические свойства природных аминокислот. Строение и свойства аминокислот 3. Химический состав организма человека отличается большим разнообразием. Изучая его, нужно учитывать несколько важных особенностей живых организмов. В состав организма человека входят органические и неорганические вещества. Вода составляет около 60–65 % массы тела человека, минеральные вещества 3–5 % массы тела. Органические вещества представлены белками (18–20 %), липидами (12– 15 %), углеводами (1,5–2 %). Следует обратить внимание на то, что под действием физических нагрузок происходят изменения в организме, связанные с адаптацией к нагрузке. Так у спортсменов силовых, скоростно-силовых видов спорта увеличено содержание белков, креатинфосфата, выше активность ферментов анаэробных процессов. Длительные нагрузки приводят к увеличению запасов углеводов (гликогена печени), повышению активности аэробных ферментов. В организме человека обнаруживается более 60 различных химических элементов. В зависимости от количества в организме химические элементы делятся на две группы: макроэлементы и микроэлементы. Макроэлементов больше, чем одна тысячная процента (0,001 %) от массы тела человека. Среди них выделяют основные (органогенные) – С, O, N, H, содержание которых до 98,5 % от массы тела человека, а так же P, S, Cl, Na, Ca, Mg, K, содержание которых больше чем 0,001 % от массы тела человека. Микроэлементов меньше, чем одна тысячная (0,001 %) процента от массы тела человека. К ним относятся Cu, I, Fe, Co, Zn и др.. Истинные растворы. Такие растворы характеризуются полной гомогенностью благодаря одинаковым размерам частиц растворенного вещества и растворителя и отсутствию поверхностей раздела между ними. Истинные растворы — это однофазные дисперсные системы. Истинные растворы характеризуются большой прочностью связи между растворенной жидкостью и растворителем. Растворенная жидкость (вещество) в дальнейшем не отделяется от растворителя, остается равномерно распределенной в растворителе. Истинный раствор сохраняет гомогенность неопределенно долгое время, если только в нем не происходит никаких самопроизвольных вторичных процессов (например, гидролиза, окисления, фотосинтеза). Истинные растворы бывают ионно-дисперсными и молекулярно-дисперсными. Размер частиц в первых составляет менее 1 нм, а растворенное вещество находится в виде отдельных гидратированных ионов и молекул в равновесных количествах. Истинные растворы всегда прозрачны, они не должны содержать взвешенных частиц и осадка. Особенностью истинных растворов является то, что они гомогенны даже при рассматривании в электронный микроскоп. Компоненты, входящие в их состав, не могут быть разделены никаким способом. Истинные растворы хорошо диффундируют. К этой группе относятся растворы электролитов и неэлектролитов, таких как глюкоза, натрия хлорид, спирт, магния сульфат и т.д. Истинные растворы высокомолекулярных соединений являются молекулярно-дисперсными системами, которые образованы дифильными макромолекулами. С одной стороны, они являются однофазными гомогенными системами (как и истинные растворы), а с другой — имеют некоторые особенности, сближающие их с коллоидными растворами (движение молекул, подобное броуновскому, малые скорости диффузии, неспособность к диализу, повышенная способность к образованию молекулярных комплексов и некоторые другие). Коллоидные растворы. Коллоидный раствор — это гетерогенная дисперсионная система, в которой частицы растворенного вещества обладают ультрамикроскопической (коллоидной) степенью дробления. Размер частиц дисперсной фазы составляет 1—100 нм. Даже электронные иммерсионные микроскопы не всегда дают возможность визуально обнаружить частицы дисперсионной фазы коллоидных растворов. К коллоидным растворам относятся золи, размер частиц в них достаточно велик и составляет более 1/2 длины световой волны, поэтому свет не может свободно проходить через них и подвергается большему или меньшему рассеиванию. Благодаря светорассеянию золи характеризуются феноменом Тиндаля, т.е. всегда, особенно в отраженном свете, кажутся опалесцирующими, мутными. В отличие от истинных растворов золи обладают очень малым осмотическим давлением и, как следствие, высокой степенью лабильности. Элементарными единицами в золях являются сложные структурные электронейтральные агрегаты — мицеллы. Мицеллы находятся в состоянии электролитической диссоциации и состоят из массивного поливалентного иона — гранулы и соответствующего количества противоположно заряженных ионов обычного размера — противоионов. Ядро гранулы представляет собой кристаллический комплекс электронейтральных атомов или молекул. Наружная (активная) часть гранулы является адсорбционной оболочкой (сферой). Она состоит из ионов одного знака. Противоионы располагаются в интермицеллярной жидкости по соседству с гранулами и имеют некоторую возможность самостоятельного движения. Такое строение золей обусловливает и их свойства. Коллоидные растворы резко отличаются по свойствам от истинных растворов. Они гетерогенны, так как имеют поверхность раздела между фазами – растворённым веществом (дисперсной фазой) и растворителем (дисперсионной средой). Истинные растворы характеризуются молекулярной или ионной степенью дисперсности, в растворах высокомолекулярных соединений образуются макромолекулы или их ассоциации, коллоидные растворы отличаются наличием мицелл растворенного вещества. Раствор - это система, состоящая из растворителя и растворённого вещества. Раствор - дисперсная система, состоящая из дисперсной фазы (мелко раздробленного вещества) и дисперсионной среды (растворителя – однородной фазы, в котором распределена дисперсная фаза). Растворами называются гомогенные (однородные) системы, содержащие не менее двух веществ. Вещество, взятое в избытке и в том же агрегатном состоянии, что и сам раствор, принято считать растворителем, а компонент, взятый в недостатке, - растворённым веществом. Растворы могут быть жидкими, твёрдыми и газообразными. По растворимости все вещества делятся на хорошо растворимые, малорастворимые,практически нерастворимые. Хорошо растворимые вещества: - Твёрдые: сахар, большинство солей, сода, медный купорос, щавелевая кислота, лимонная кислота, щелочи NaOH, KОH. - Жидкости: уксусная кислота, метанол, этанол, ацетон. - Газы: аммиак, хлороводород, бромоводород, йодоводород и т. д. Малорастворимые вещества: - Твёрдые: гипс, гидроксид кальция. - Жидкости: диэтиловый эфир, анилин. - Газы: кислород, азот, водород. Практически нерастворимые вещества: - Твёрдые: стекло, серебро, золото, медь, AgCl, BaSO4, CaCO3. - Жидкости: жиры, растительное масло, нефть, нефтепродукты. · Газы: благородные газы. Абсолютно нерастворимых веществ не существует. С увеличением температуры растворимость большинства твёрдых веществ увеличивается, а растворимость газообразных веществ уменьшается (кипение воды – выделяется кислород). Растворимость газообразных веществ увеличивается с повышением давления (получение газированной воды). Процесс растворения – физико-химический процесс. Физический процесс растворения заключается в разрушении межмолекулярных и меж ионных химических связей, кристаллической решётки, что сопровождается поглощением энергии – эндотермический процесс, а так же идёт распределение частиц растворённого вещества между молекулами растворителя (диффузия). Химический процесс растворения заключается во взаимодействии частиц растворённого вещества с молекулами растворителя, что сопровождается выделением энергии – экзотермический процесс. Таким образом, в целом процесс растворения веществ сопровождается выделением или поглощением энергии. Если на разрушение химических связей затрачивается больше энергии, чем её выделяется при взаимодействии частиц растворённого вещества с молекулами растворителя, то в процессе растворения энергия поглощается и наоборот. Например, с поглощением энергии идёт процесс растворения нитратов калия и аммония, хлорида натрия. С выделением энергии растворяется серная кислота, безводный сульфат меди (II), гидроксиды натрия, калия и др. вещества. Гидрофильность (от др.-греч. ὕδωρ — вода и φιλία — любовь) — характеристика интенсивности молекулярного взаимодействия вещества с водой, способность хорошо впитывать воду, а также высокая смачиваемость поверхностей водой. Гидрофобность (от др.-греч. ὕδωρ — вода и φόβος — боязнь, страх) — это физическое свойство молекулы, которая «стремится» избежать контакта с водой[1]. Сама молекула в этом случае называется гидрофобной. Гидрофобные молекулы обычно неполярны и «предпочитают» находиться среди других нейтральных молекул и неполярных растворителе Амфифильность (иначе дифильность) — свойство молекул веществ (как правило, органических), обладающих одновременно лиофильными (в частности, гидрофильными) и лиофобными (гидрофобными) свойствами Концентрация – величина, выражающая относительное содержание данного компонента в системе (смеси, растворе). Из концентраций растворов наибольшее применение в химии находят следующие: Процентная концентрация растворов показывает число единиц массы растворенного вещества, содержащееся в 100 единицах массы раствора, и для его приготовления следует взять 12 единиц массы СаСl2 и 88 единиц массы растворителя. Молярная концентрация раствора (молярность) – отношение количества этого вещества, содержащегося в растворе (в молях), к объему раствора:  ,где m – масса растворенного вещества, г; М – молярная масса растворенного вещества, г?моль-1; V – объем раствора, л. Единица Си – моль?м-3, обычно применяют моль?л-1. Молярным называется раствор, в 1л которого содержится 1 моль растворенного вещества. Эквивалентная (нормальная) концентрация раствора (нормальность) – отношение числа эквивалентов вещества, содержащегося в растворе, к объему раствора:  где m – масса растворенного вещества; Мэкв – молярная масса эквивалента растворенного вещества. Единица эквивалентной концентрации в СИ – моль?м-3, обычно применяют моль?л-1. Молярная концентрация раствора (моляльность) определяется числом молей растворенного вещества в 1кг (1000г) растворителя. Единица моляльности раствора в СИ – моль?кг-1, можно применять моль?г-1. Основная особенность моляльного способа выражения концентрации заключается в том, что моляльная концентрация раствора не зависит от температуры, поскольку для определения моляльности не привлекается объем. Массовой долей растворенного вещества называют отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора. Массовую долю обычно выражают в долях единицы и обозначают W. Мольная доля – отношение числа молей данного вещества в растворе к общему числу молей веществ, образующих раствор. Коллигативные свойства - это такие свойства растворов, которых зависят в основном от концентрации растворенных частиц и значительно меньшей степени от их размера, молярной массы и других свойств. К коллигативным свойствам растворов относятся: Понижение давление паров Повышение температуры кипения Понижение температуры затвердевания (кристаллизации) Осмотическое давление раствора. Рассмотрим подробнее каждое из перечисленных свойств. Понижение давления паров Давление насыщенного пара (т.е. пара, который пребывает в состоянии равновесия с жидкостью) над чистым растворителем называется давлением или упругостью насыщенного пара чистого растворителя. Если в некотором растворителе растворить нелетучее вещество, то равновесное давление паров растворителя при этом понижается, т.к. присутствие какого – либо вещества, растворенного в этом растворителе, затрудняет переход частиц растворителя в паровую фазу. Экспериментально доказано, что такое понижение давления паров напрямую зависит от количества растворенного вещества. В 1887 г. Ф.М. Рауль описал количественные закономерности коллигативных свойств растворов. Повышение температуры кипения или понижение температуры затвердевания (кристаллизации). Второй закон Рауля Равновесное давление паров жидкости имеет тенденцию к увеличению с ростом температуры, жидкость начинает кипеть, при уравнивании давления ее паров и внешнего давления. При наличии нелетучего вещества, давление паров раствора снижается, и раствор будет закипать при более высокой температуре, по сравнению с температурой кипения чистого растворителя. Температура замерзания жидкости также определяется той температурой, при которой давления паров жидкой и твердой фаз уравниваются. Ф.М. Рауль доказал, что повышение температуры кипения, так же как и понижение температуры замерзания разбавленных растворов нелетучих веществ, прямо пропорционально моляльной концентрации раствора и не зависит от природы растворённого вещества. Это правило известно как Второй закон Рауля: ΔTкип = E· mв-ва, ΔTкрист = K·mв-ва, где E—эбулиоскопическая константа, K — криоскопическая константа, mв-ва — моляльность вещества в растворе. Растворы электролитов не подчиняются Законам Рауля. Но для учёта всех несоответствий Вант-Гофф предложил ввести в приведённые уравнения поправку в виде изотонического коэффициента i, учитывающего процесс распада на ионы молекул растворённого вещества: ΔTкип = i·E·mв-ва ΔTкрист = i·К·mв-ва Осмотическое давление раствора Некоторые материалы имеют способность к полупроницаемости, т.е. им свойственно пропускать частицы определенного вида и не пропускать частицы другого вида. Перемещение молекул растворителя (но не растворенного, в нем вещества), через полупроницаемую мембрану в раствор с большей концентрацией из более разбавленного представляет собой такое явление как осмос. Представим два таких раствора, которые разделены полупроницаемой мембраной, как показано на рисунке выше. Растворы стремятся к выравниванию концентраций, поэтому вода будет проникать в раствор, тем самым уменьшая его концентрацию. Для того, чтобы осмос приостановить, необходимо приложить внешнее давление к раствору. Такое давление, которое требуется приложить, называется осмотическим давлением. Осмотическое давление и концентрацию раствора неэлектролита позволяет связать уравнение Вант — Гоффа, которое напоминает уравнение идеального газа Клапейрона – Менделеева: π = C·R·T, где C — молярная концентрация раствора, моль/м3, R — универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/моль·К); T — абсолютная температура раствора. Преобразуем уравнение следующим образом: C = n/V = m/(M·V) π = т·R·T / M·V или π·V = m·R·T /M Для растворов электролитов осмотическое давление определяется уравнением, в которое входит изотонический коэффициент: π` = i·C·R·T , где i — изотонический коэффициент раствора. Для растворов электролитов i > 1, а для растворов неэлектролитов i = 1. Если полупроницаемой перегородкой разделены два раствора, имеющие одинаковое осмотическое давление, то перемещение растворителя через перегородку отсутствует. Такие растворы называются изотоническими. Раствор, с меньшим осмотическим давлением, по сравнению с более концентрированным раствором, называют гипотоническим, а раствор с большей концентрацией – гипертоническим. Изоосмия. изотония (от изо... и греч. osmos - толчок, tonos - напряжение), относительное постоянство осмотического давления в жидких средах и тканях организма, обусловленное поддержанием на данном уровне концентраций содержащихся в них веществ: электролитов, белков и т. д. И. - одна из важнейших физиологических констант организма, обеспечиваемых механизмами саморегуляции (см. Гомеостаз).
Раствори́мость —) – это характеристика насыщенного раствора, которая показывает, какая масса растворенного вещества может максимально раствориться в 100 г растворителя. Размерность растворимости — г/ 100 г воды. Поскольку мы определяем массу соли, которая приходится на 100 г воды, в формулу растворимости добавляем множитель 100 Гидрофильность (от др.-греч. ὕδωρ «вода» + φιλία «любовь») — характеристика интенсивности молекулярного взаимодействия вещества с водой, способность хорошо впитывать воду, а также высокая смачиваемость поверхностей водой. Гидрофо́бность (от др.-греч. ὕδωρ.«вода» + φόβος «боязнь, страх») — физическое свойство молекулы, «стремление» избежать контакта с водой[ Амфифильность (иначе дифильность) — свойство молекул веществ (как правило, органических), обладающих одновременно лиофильными (в частности, гидрофильными) и лиофобными (гидрофобными) свойствами Истинные растворы — это однофазные дисперсные системы. Истинные растворы характеризуются большой прочностью связи между растворенной жидкостью и растворителем Коллоидный раствор — это гетерогенная дисперсионная система, в которой частицы растворенного вещества обладают ультрамикроскопической (коллоидной) степенью дробления |