РОССИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ...
TRANSCRIPT
Лекции по химии для студентов лечебного, педиатрического
и стоматологического факультетови студентов-лечебников
медико-биологического факультета
Кафедра химии
РОССИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
1
Подготовлено соответствии с ФГОС-3 в рамках реализации
Программы развития РНИМУ
2
Курс лекций подготовлен в качестве методического пособиялекторским коллективом кафедры химии для студентовлечебного, педиатрического и стоматологического факультетов истудентов-лечебников медико-биологического факультетаРНИМУ в соответствии с федеальными государственнымиобразовательными стандартами высшего профессиональногообразования (ФГОС-3) и Рабочими Программами по дисциплине«Химия» по специальностям «Лечебное дело», «Педиатрия»,«Стоматология» в рамках реализации Программы развитияРНИМУ.
Общая редакция — зав. кафедрой химии,проф. В.В. Негребецкий
Настоящее пособие в дополнение к рисункам, формулам иуравнениям реакций включает определения основных понятий итерминов,необходимые студентам для подготовки к занятиям.
Лекционный курс сгруппирован по темам и состоит из трехчастей: (1) общая химия, (2) органическая химия и (3) вариа-тивная часть «Химия биомолекул и наносистем».
Тема 1 Введение в курс химии. Химические соединения в водных растворах. Вода как растворитель. Водородный показатель. Сильные электролиты. Осмос.
3
Часть 1. Общая химия
проф. Ю.И. Бауков, проф. И.Ю. Белавин, проф. В.В. Негребецкий,
доц. Е.А. Бесова, доц. Е.П. Шаповаленко
Химические соединения в водных растворах
• Введение в курс химии
• Общая классификация химических соединений
• Организация учебного процесса на кафедре
• Вода как растворитель
• Теория электролитической диссоциации
• Сильные электролиты
• Водородный показатель
• Расчет рН в растворах сильных электролитов
• Осмос
• Растворимость газов в жидкостях
4
Химия в медицинском вузе— фундаментальная общетеоретическая естественно-
научная дисциплина
Введение в курс химии
Химия
Биохимия Физиология
Фармакология Пато-физиология
Анестезиологияи реаниматологияТерапия
(Экология, токсикология)
Военная медицина
5
� Задача химии – заложить физико-химическуюоснову и молекулярный уровень изученияфункционирования систем живого организма внорме и при патологиях.
� Конечная цель курса – формирование системныхзнаний о физико-химической сущности имеханизмах процессов, происходящих в организмечеловека, закономерностях химического поведенияосновных биологически важных классовнеорганических и органических соединений, а такжебиополимеров, во взаимосвязи с их строением, необходимых для рассмотрения процессов, протекающих в живом организме на молекулярноми клеточном уровнях.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
6
УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС
ЛекцииСеминарско-
практические
занятия
Самостоятельная
работа дома
Лабораторные
работы
Объяснение
преподавателя КонтрольСамостоятельная
аудиторная
работа
(САРС)
студентов
Организация учебного процесса
7
� Модуль – самостоятельный раздел курса, вкотором разбирается группа родственных взаимосвязанных понятий.
� Рейтинг – балльная оценка знаний, при которойконечная суммарная оценка студента складываетсяна основании его текущих оценок.
� Итоговая оценка(может быть выставлена на основании рейтинга)
� Итоговый тестовый контроль
Модульная система
8
Внимание ! Важная информация !!!
Материалы об учебном процессе приведены на сайте кафедрыhttp://www.rsmu.ru/
→ кафедры → лечебный факультет →кафедра общей и биоорганической химии →учебная и учебно-методическая работа →лечебный, педиатрический, стоматологический и московский факультеты
� Лекции
� Сборники методических материаловдля студентов
o Необходимо приносить эти пособия и другуюучебную литературу на лабораторные занятия !!!
9
Некоторые понятия и определения
� Элементы–органогены – основные элементы, входящиев состав органических соединений живых организмов.
� Биогенные элементы – химические элементы, обязательновходящие в состав живых организмов.
� Основные классы химических соединений, принимающиеучастие в процессах жизнедеятельности.
� Метаболиты – химические соединения, образующиеся ворганизме в процессе обмена веществ (метаболизме).
� Структурообразующие вещества.
� Ксенобиотики – чужеродные для организма вещества,способные вызвать нарушение биологических процессов.
� Биорегуляторы – соединения регулирующие обменвеществ (витамины, гормоны, синтетические БАВ, в томчисле лекарственные средства).
10
Основные элементы (макроэлементы), входящие в состав организма (масс. доли, %)*
Элемент масс. доля Элемент масс. доля
Кислород** 63.0 Калий 0.25
Углерод** 20.0 Натрий 0.15
Водород** 10.0 Сера** 0.10
Азот** 3.0 Хлор 0.15
Кальций 1.5 Магний 0.04
Фосфор** 1.0 Железо 0.004
* В сумме > 99% – Ершов (Е), стр. 208–210; ** Элементы-органогены
Химические соединения в водных растворах
11
Неорганические Органические Комплексные ВМС
NaCl CH3CH2OH [PtCl 2(NH3)2] белки,
Хлорид натрия(физиологи
ческий раствор,∼∼∼∼0.15 М (∼∼∼∼0.9%)
Этанол
(наркотическое вещество)
Диамминдихлор
платина(II)(цисплатин)
противоопухолевое средство
нуклеиновые
кислоты,углеводы, алмаз
Ионные
соединения
Ковалентные соединения
Координационные соединения
Макромоле-кулярные
структуры с
Ионные связи
Ковалентные
связи
Координационные
связи
ковалентными
связями
(Na+, Cl–) D A
Общая классификация химических соединений
12
C H
Вода как растворитель (водные растворы)
– гомогенные (однородные) системы переменного состава, состоящие из двух или более компонентов(т. е. независимых друг от друга веществ).
� Типы растворов– твердые, жидкие и газовые смеси;– водные и неводные;– разбавленные, концентрированные;– электролитов, неэлектролитов;– низкомолекулярных соединений, высокомолекулярныхсоединений.
13
Классификация растворов
Компоненты раствора•••• растворитель; •••• растворенные вещества; •••• продукты их взаимодействия
� Истинные растворы – системы, в которых уровеньдисперсности (раздробленности) растворенного вещества –молекулярный или ионный (10–10 ─ 10–9 м).
Значение растворов в процессах жизнедеятельности
14
� Идеальный раствор – гипотетический раствор, в котором несуществует взаимодействиямежду частицами компонентов.
� Содержание воды в организме около 60 %;тело массой 70 кг содержит до 40 кг воды(25 кг – внутриклеточная, 15 кг – внеклеточная жидкость).
Жидкие водные растворы
Растворы низкомолекулярных
соединений, M < 5000 г/моль
Растворы высокомолекулярных
соединений, M < 5000 г/моль
Процессы, происходящие при растворении
— разрушение кристаллической решетки вещества;— диссоциация и сольватация (гидратация);
— образование водородных связей.
O HHH+
OH
HH
Ион гидроксония
OH
HH
δ+
δ+
δ+ OH
HH
OH
H
O
H
H
OH
H
......
. ..
водородные связи
15
— выделение или поглощение теплоты;
Массовая доля (ω) растворенного вещества x:
Молярная концентрация (с) вещества x:
Моляльная концентрация (b) вещества x:
Способы выражения состава растворов
ω(x) = m(x) / m р-ра
c(x) = n(x) / V р-ра
b(x) = n(x) / m(H 2O)
[моль / л = М ]
[моль / кг ]
16
Пример. В 100 г раствора (ρ = 1.07 г/мл) содержится 10 г NaCl.Рассчитать ω, с, b.
1. ω(NaCl) = 10 / 100 = 0.1 = 10 %
2. n(NaCl) = 10 / 58.5 = 0.171 мольV = 100 / 1.07 = 93.5мл = 0.0935 лc(NaCl) = 0.171 / 0.0935 = 1.83 моль/л
3. m(H2O) = 90 г = 0.09 кгb(NaCl) = 0.171 / 0.09 = 1.9 моль/кг
17
Теория электролитической диссоциации(С. Аррениус, 1888–1889)
� Электролиты – вещества, при растворении подвергающиесяионизации (диссоциации) и сообщающие раствору способность проводить электрический ток.
неэлектролитов электролитов
Р а с т в о р ы
Э л е к т р о л и т ы
С л а б ы еС и л ь н ы е
18
Электролиты
Сильные (α > 0.3 или 30%) Слабые (α < 0.03 или 3%)
1. Кислоты: HCl; HBr; HI; HNO 3; H2SO4; HClO 4; HMnO 4; H2Cr 2O7.
2. Щелочи: LiOH; NaOH; KOH; CsOH; Ca(OH)2; Ba(OH)2; Sr(OH)2.
3. Соли: NaCl; Al 2(SO4)3; Cu(NO3)2.
1. Кислоты: HF; HCN; H 2S; H2SO3; H2CO3; H2SiO3; H3PO4; CH3COOH; HCOOH; HNO2.
2. Основания и амфотерные гидроксиды: NH3; Fe(OH)2; Cu(OH)2; Zn(OH) 2; Al(OH) 3; Fe(OH)3.
1. HCl H+ + Cl–2. H2SO4 2 H+ + SO4
2–
3. Ca(OH)2 Ca2+ + 2 OH–
4. Al2(SO4)3 2 Al3+ + 3 SO42–
1. HF H+ + F–
2. H3PO4 H+ + H2PO4– αααα1
H2PO4– H+ + HPO4
2– αααα2HPO4
2– H+ + PO43– αααα3
αααα1 >> αααα2 >> αααα3 3. NH3 + H2O NH4
+ + OH–
Диссоциируют необратимо, полностью
Диссоциируют обратимо, неполностью, ступенчато
19
Неэлектролиты – этанол, глицерин, глюкоза, сахароза, фруктоза
Свойства растворов сильных электролитов
NaCl (тв.) → Na+(р-р) + Cl –
(р-р)
+ --- -
--- ++
+ +
++
-+
� Большие отклонения от свойств идеальных растворов.Межионные взаимодействия и взаимодействия ионов срастворителем. Ионные атмосферы.
— ионизированы (диссоциированы)практическиполностью(соли, сильные кислоты,щелочи).
20
Понятие активности
a = f • c (1.1)
f < 1; a < c; с→→→→ 0, f →→→→ 1, a →→→→ c
21
� Активность – активная или эффективная концентрация.
� Коэффициент активности (f) – мера различия поведенияэлектролита в данном растворе от его поведения видеальномрастворе.
� Ионная сила раствора (I) – количественная характеристикаинтенсивности межионноговзаимодействия.
I = ½∑bi•zi2 ≈ ½∑ci•zi
2 (1.2)
b – моляльная концентрация, (моль/кг);b =n
mр-теля
z – заряд иона; (моль/л)c =n
V
(для малоконцентрированных растворов b ≈≈≈≈ c)
Закон Дебая-Хюккеля
� В разбавленных растворах сильных электролитов содинаковой ионной силой коэффициенты активности fкатионов и анионов, имеющих равные заряды, равны
Для разбавленныхрастворов (I ≤≤≤≤ 0.01)
Уравнение Дебая–Хюккеля
( чем больше I, тем меньше f )
Для биологических жидкостей I ≈≈≈≈ 0.15, f ≈≈≈≈ 0.8 (для однозарядного иона)
lg f = –0.5z2•√√√√ΙΙΙΙ
22
Ионная силаI, моль/кг
Заряд иона z±±±±1 ±±±±2 ±±±±3
Ионная силаI, моль/кг
Заряд иона z±±±±1 ±±±±2 ±±±±3
0.0001 0.99 0.95 0.90 0.1 0.78 0.33 0.08
0.001 0.96 0.86 0.73 0.15 0.73 0.27 0.06
0.005 0.92 0.72 0.51 0.2 0.70 0.24 0.04
0.01 0.89 0.63 0.39 0.3 0.66 – –
0.02 0.87 0.57 0.28 0.6 0.62 – –
0.05 0.81 0.44 0.15
Коэффициенты активности ионов (f) при различной ионной силе (I) раствора
23
Пример. Рассчитать I и a(Cl – ) в 0.1 М растворе CaCl2.
CaCl 2 → Ca 2 + + 2 Cl –
0.1 0.1 0.2
I = ½ (0.1·22 + 0.2·12) = 0.3f(Cl – ) = 0.66 (по таблице)a(Cl – ) = 0.66·0.2 = 0.132 моль/л
Для биологических жидкостей I ≈ 0.15,f ≈ 0.73 (для однозарядных ионов)
В 0.15 М растворе NaCl (физраствор), I ≈ 0.15,a(Na+ ) = 0.11 моль/л
24
Свойства растворов
Зависящие от природы Зависящие от числарастворенных веществ частиц в растворе
(коллигативные)
– электропроводность – повышение т. кип.– кислотно-основные – понижение свойства т. замерзания
– осмотическое давление
25
Ионизация (диссоциация) воды
(25°С, электропроводность)
Кд(Н2О) = = 1.8•10–16 моль/л[H2O]
[H+][OH–]
n(H2O) = = 55.6 моль; [H2O] = 55.6 моль/л1000 г
18 г/моль
= 1.0•10–14 моль2/л2 (25°C)[H+][OH–]Кa(Н2О) =
Кa(Н2О) – ионное произведение воды (константа автоионизации воды, Kw)
Кa(Н2О) = 3.13•10–14 (37°C)
a (acid); w (water)
26
H2O H + + OH –
H2O + H2O H3O + + OH – – Q
Кислотность среды. Водородный показатель
pH = – lg a(H+) ≈≈≈≈ – lg[H +] pOH = – lg a(OH–) ≈≈≈≈ – lgc(OH–)
pH + pOH = 14; pH = 14 – pOH; pOH = 14 – pH
27
Нейтральная среда: pH = 7; [H +] = [OH –] = 10–7
Кислая среда: pH < 7; [H +] > [OH –] Щелочная среда: pH > 7; [H +] < [OH –]
1. Н2О (25o C): pH = 7, [H+] = [OH –] = 10–7
2. Растворы кислот, оснований, солей:рН: 0 … 3 … 7 … 10 … 14[Н+]: 1 … 10–3 … 10–7 … 10 – 10 … 10–14
кислая среда щелочная среданейтральная
среда
1. Сильные кислоты НХ
(HCl, HNO3)
H2O H+ + OH– Ka(H2O)
HX + H2O H3O+ + X–
HX H+ + X– pH < 7
pH = – lg a(H+) = – lg f•c(HX) (1.3a)
pH = – lg c(H+) = – lgc(HX) (1.3b)
Расчет рН в растворах сильных электролитов
28
Пример.Рассчитать рН в 0.1 М растворе HCl.
а) с учетом активности (1.3a)
1) I; 2) f; 3) a(H+); 4) pH
0.1 ×××× 0.8 = 0.08 pH = – lg a(H+) = ∼∼∼∼1.1
b) без учета активности (1.3b)
pH = – lg c(H+) = – lgc(HCl) = – lg10 –1 = 1.0
Среда кислая
29
2. Сильные основания MOH
(NaOH, KOH)
H2O H+ + OH– Ka(H2O)
MOH M+ + OH– pH > 7
pOH = – lg a(OH–) = – lg f•c(MOH) (1.4a)
pOH = – lg c(OH–) = – lgc(MOH) (1.4b)
pH = 14 – pOH (1.5)
30
Пример.
Рассчитать рН в 0.001 М растворе NaOH
а) с учетом активности (1.4a, 1.5)
1) I; 2) f; 3) a(OH–);
0.001 0.96 0.96 ×××× 1•10–3 = 0.96•10–3
4) pOH = – lg0.96•10 –3 = 3.02
5) pH = 14 – 3.02 = 10.98
b) без учета активности (1.4b, 1.5)
pOH = – lg c(OH–) = – lgc(MOH) = – lg10–3 = 3
pH = 14 – 3 = 11
Среда щелочная
31
3. Растворы солей сильных кислот и сильных оснований MX
(NaCl, KBr)
H2O H+ + OH– Ka(H2O)
KA K+ + A–
[H+] = [OH –] = √1•10–14 = 1•10–7 (1.6)
pH = – lg1•10 –7 = 7
Среда нейтральная
32
Осмос
Явление осмоса
H2O
H2O
H2O
Глюкоза(раство-ритель)
(раствор)
мембрана (целлофан, коллодий)
h р(осм) (π)
+
� Осмос – самопроизвольныйпереход (диффузия) растворителячерезмембрану из той части системы, где концентрациярастворенноговещества ниже, в ту часть системы, где она выше.
� Осмотическое давление раствора ( ππππ ) – давление, которое нужно приложить к раствору, чтобы предотвратить проникновение в него растворителя;– мера стремления растворенного вещества к равномерномураспределению во всем объеме растворителя.
33
• Для осмотического давления ππππ (кПа)
cRT π = (для неэлектролитов) (1.7а)
Уравнение Вант-Гоффа
T = const
c1
c2=π1
π2
c = const
T1
T2
=π1
π2
с – молярная концентрация; R – универсальная газовая постоянная, 8.31 кПа•л/моль•K; Т – абсолютная температура, К
� Осмотическое давление – давление, которое производило бы растворенное вещество, если бы оно находилось при той же температуре в газообразном состоянии.
Законы осмотического давления
34
(формальная аналогия)
icRT π = (1.7b)
i – изотонический коэффициент Вант-Гоффа, Nр/Nисх
(зависимость от концентрации; Вант-Гофф, Аррениус)
i = 1 + αααα(m – 1), где αααα – степень диссоциации, m – число ионов,образуемых электролитом
πр-ра А πр-ра В= изотонические растворы
πр-ра Вπр-ра А > А – гипертонический; В – гипотонический
Плазма крови (при 37°°°°С)
ππππ ≈≈≈≈ 740–780 кПа (0.74–0.78 мПа, 7.3–7.7 атм)
(1 атм = 0.1013 мПа = 101.3 кПа)сосм ≈≈≈≈ 0.29–0.30 моль/л
Осмотическое давление в растворах электролитов
при αααα = 1, i = 1 + m – 1 = m (NaCl, m = 2; CaCl 2, m = 3; Na3PO4, m = 4)
35
0.15 М (0.9%) раствор NaCl;
cосмRT сосм - осмолярностьπ = (1.7c)
0.3 M (4.5–5.0%) р-р глюкозы
изотонические
растворы
ππππNaCl = icRT = 2•0.15•8.31•310 ≈≈≈≈ 750 кПа
Осмолярность
� Осмолярность (осмомолярность) — суммарнаяконцентрация осмотически активных частиц в растворе
ππππглюкозы = cRT = 0.3•8.31•310 ≈≈≈≈ 750 кПа
в нашем случае
сосм (NaCl) = cосм (глюкозы)
36
Клетка
межклеточная жидкость
внутриклеточная жидкость
мембрана
• Тургор клетки (упругость)
• Плазмолиз – сморщивание клеток (в гипертоническом растворе, конц. NaCl)
• Лизис – набухание и разрыв оболочек клеток(в гипотоническом растворе, дист. Н2О)
• Гемолиз – лизис в случае эритроцитов (7.5 →→→→ 4.0–3.0)(гемоглобин окрашивает воду в красный цвет)
• Изоосмия, «осмотический конфликт» (Ленский (Л), 116)
Биологическое значение осмотического давления
37
Плазмолиз и лизис (гемолиз) эритроцитов
Плазмолиз Гемолиз
38
– осмотическое давление при введении солей (отеки), – осмотическое давление при потере солей (рвота, судороги); – при распаде белков (при воспалении); – гипертонический раствор при глаукоме;– гипертонические повязки в хирургии; – чистая озерная и морская вода;– консервирование продуктов (рассол, сироп)
Примеры проявления действия осмотического давления
39
(применим, если отсутствует химическое взаимодействие между газом и растворителем)
с (Х) = KГ (Х) • р (Х)
с (Х) – концентрация газа в насыщенном растворе,моль/л;
р(Х) – давление газа над раствором;
KГ (Х) – постоянная Генри для газа Х, моль/л•Па
(зависит от природы газа, растворителя и температуры)
Закон Генри
Растворимость газов в жидкостях *
� При постоянной температуре растворимость газа вопределенном объеме жидкости прямо пропорциональнадавлению газа над жидкостью
* Раздел, выносимый на самостоятельную проработку
40
(для смеси газов)
сi (X) = K’ • pi (X)
сi (X) – молярная концентрация газа (Х) в насыщенном растворе(моль/л);
K’ – константа, зависящая от природы растворителя и температуры;
p i (X) – парциальное давление компонента газовой смеси;
p i (X) = робщ • χ , где χ – молярная доля компонента в газовой смеси.
Закон Дальтона
� При постоянной температуре растворимость каждого изкомпонентов газовой смеси в определенном объемежидкости прямо пропорциональна парциальномудавлению этого компонента газовой смеси над жидкостью.
41
(для раствора газа в растворе электролита)
� Растворимость газов в жидкостях в присутствииэлектролитов понижается вследствие высаливания газов.
c (Х) = cо (Х) • е –Kс • Сэл
c(Х) – молярная концентрация газа в насыщенном растворев присутствии электролита, моль/л;
cо – молярная концентрация газа в насыщенном растворев чистом растворителе;
Kс – константа Сеченова;
cэл – молярная концентрация электролита в растворе.(в плазме ≈≈≈≈154 ммоль/л)
Закон Сеченова
42
� изменение растворимости газов в крови при изменениидавления;
� кессонная болезнь;
� гиперболическая оксигенация;
� пена при откупоривании бутылки с газированной водой.
Биологическое значение законов Генри – Дальтона и Сеченова
43