Г ЕТЕРОГЕННЫЕ РЕАКЦИИ 1 Лекция 4 для студентов 1 курса, обучающихся по специальности Медицинская кибернетика Лектор: ст.преподаватель Руковец Татьяна Анатольевна Красноярск, 2013 Кафедра биологической химии с курсами медицинской, фармакологической и токсикологической химии

Ц ЕЛЬ ЛЕКЦИИ Дать представление о гетерогенных равновесиях (в т.ч. в человеческом организме) 2

П ЛАН ЛЕКЦИИ Понятие гетерогенной реакции Константа растворимости (Кs) и растворимость (S), их взаимосвязь Условие выпадения осадка. Насколько оно достижимо в организме Смещение гетерогенного равновесия (полнота осаждения или растворимости) Применение гетерогенных реакций для коррекции патологических состояний и диагностики Методы осаждения. Аргентометрия. 3

П ОНЯТИЕ ГЕТЕРОГЕННОЙ РЕАКЦИИ Реакции, компоненты которых находятся в разных фазах (жидкой и твердой, например) называются гетерогенными. К числу таких реакций относятся процессы растворения в воде малорастворимого сильного электролита: Са(ОН) 2, солей галогенидов Ag, Pb, сульфата бария, карбонатов Са и Mg, фосфатов Са, гидрокси и фтораппатитов и т.д. 4

П РОЦЕСС РАСТВОРЕНИЯ ТРУДНОРАСТВОРИМОГО ЭЛЕКТРОЛИТА ( В ОБЩЕМ ВИДЕ ) Для соли состава Kt n An m Kt n An m (т) nKt m+ (р) + mA n- (р) (1) 5 Растворение Кристаллизация (осаждение)

С ОСТОЯНИЕ РАВНОВЕСИЯ ХАРАКТЕРИЗУЕТСЯ К Р К р = = К р × = = 6 Kt m+ n An n– m Kt n An m const при данной t º (2) К р зависит только от t º Kt n An m Kt m+ n An n– m const (3) при данной t º Константа растворимости Кs

К ОНСТАНТА РАСТВОРИМОСТИ (К S ) - это произведение равновесных молярных концентраций ионов соли, взятых в степенях соответствующих стехиометрических коэффициентов 7

Р АСТВОРИМОСТЬ (S) Очевидно, что в момент равновесия (1) мы имеем насыщенный раствор – это раствор, где концентрации ионов малорастворимого электролита максимальны. Kt n An m (т) nKt m+ (р) + mAn n- (р) (1) Количественной характеристикой насыщенного раствора является растворимость (S) 8

S ХАРАКТЕРИЗУЕТ СВОЙСТВО ВЕЩЕСТВА РАСТВОРЯТЬСЯ ПРИ ДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ Чем меньше S, тем хуже растворяется вещество. S – это максимальное количество вещества, которое может растворяться в 1 л раствора при данной температуре. Фактически S – концентрация насыщенного раствора, выражаемая в моль/л или г/л S = n/V, где n – количество растворенного вещества (моль) V – объем раствора (л) Сравним: растворимость сахара (сахарозы) - 211,5 г/100 мл растворимость АgCl – 0,00019 г/100 мл 9

К АКОВА СВЯЗЬ МЕЖДУ S И K S ? Ks = [Kt m+ ] n ·[An n- ] m = (nS) n ·(mS) m = n n ·m m S m+n (4) Т.о. Ks ( Kt n An m ) равно произведению стехиометрических коэффициентов соли, взятых в одноименных степенях, на растворимость S в степени суммы этих же стехиометрических коэффициентов 10

С ВЯЗЬ МЕЖДУ S И K S Из (4) следует, что S = Для бинарных солей типа АgCl, AgBr, BaSO 4 (AB): Ks АВ = S 2, откуда S = Ks 11 m + n KsKs m m · n nm m · n n # Ks АВ – это табличная величина

П РИМЕРЫ Чему равна молярная растворимость Ca 3 (PO 4 ) 2 ? Аg 2 CrO 4 ? AgCl ? S (Ca 3 (PO 4 ) 2 ) = = = = моль/л S Ag 2 CrO 4 = = = = 0, моль/л 12 Ks ( (Ca 3 (PO 4 ) 2 ) Ks ,

П РИМЕРЫ S ( AgCl ) = = = 1, моль/л Отсюда ясно, что хромат серебра Ag 2 CrO 4 лучше растворяется (или более растворим), чем хлорид серебра AgCl при 25ºС ( в 5,2 раза). Поэтому при совместном нахождении ионов CrO 4 2- и Cl - в растворе после добавления Ag + - осадителя сначала выпадет осадок AgCl, а потом Ag 2 CrO Ks 1,

М ЕНЕЕ РАСТВОРИМАЯ СОЛЬ ОСАЖДАЕТСЯ ЛЕГЧЕ ( РАНЬШЕ ) Это обстоятельство используется в титриметрическом анализе в методе осаждения Мора (прямое титрование Ag + раствора Сl - в присутствии индикатора K 2 CrO 4 ). 14

З НАЧЕНИЕ K S По Ks можно судить о растворимости: чем меньше Ks, тем меньше растворимость (справедливо для соединений, имеющих одинаковую стехиометрию) Так, в ряду галогенидов серебра Ks AgCl 1,8· Растворимость уменьшается AgBr 5,3· в ряду: AgI 8,3· AgCl > AgBr > AgI 15

З НАЧЕНИЕ К S ( ПРОДОЛЖЕНИЕ ) СаНРО 4 2,7·10 -7 Гидрофосфат кальция СаС 2 О 4 2,6·10 -9 и оксалат кальция более растворимы, чем галогениды серебра. Причем, СаНРО 4 более растворим, чем СаС 2 О 4 Ks характеризует положение равновесия гетерогенной реакции. Чем меньше Ks, тем сильнее смещено равновесие в сторону образования осадка. 16

З НАЧЕНИЕ K S ( ПРОДОЛЖЕНИЕ ) Зная концентрации ионов в растворе и сравнивая их произведение (т.е. ионное произведение) ПИ – с Ks, можно судить о степени насыщенности раствора. ПИ = Ks раствор насыщенный ПИ Ks раствор пересыщенный Пересыщенные растворы нестабильны и легко переходят в насыщенные 17

У СЛОВИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДКА Чтобы осадок выпал необходимо, чтобы 1. ПИ > Ks 2. Компоненты малорастворимого соединения находились в эквивалентных количествах (иначе может получиться коллоидный раствор) Таким образом, условие 1 является необходимым, но недостаточным для образования осадка. 18

О ПАСНЫЕ ИОНЫ ОРГАНИЗМА При физиологическом рН фосфаты кальция представлены солями: СаНРО 4 и Са(Н 2 РО 4 ) 2 Ks 2,7·10 -7 и 1,0·10 -3 при 25 °С Ks ( СаНРО 4 ) = С М (Са 2+ ) · С М (НРО 4 2- )= = 1·10 -3 · 0,8·10 -3 = 8·10 -7 моль 2 /л 2 при 37 °С Если учесть, что Ks при 37°С > Ks при 25 °С, то ПИ ( СаНРО 4 ) Ks ( СаНРО 4 ) 19

Следовательно, есть риск для образования осадка СаНРО 4 в плазме крови, и эта соль является опасной. Возможно в организме её раствор не является истинным, а является коллоидным. Отсюда ясно, что необходим строгий контроль за постоянством ПИ(СаНРО 4 ). Если появятся условия [Ca 2+ ], то надо [НРО 4 2- ] и наоборот. 20

Можно также показать, что другая соль – дигидрофосфат кальция Са(Н 2 РО 4 ) 2 – не является опасной, так как условий для образования её осадка в крови нет (мы видим высокий порог растворимости Ks (Са(Н 2 РО 4 ) 2 ) =1·10 -3 М 3 ). ПИ (Са(Н 2 РО 4 ) 2 ) = 4· М 3 « Ks (Са(Н 2 РО 4 ) 2 ) Нетрудно убедиться, что не только гидрофосфат кальция СаНРО 4 представляет опасность, но и оксалат кальция ( Ks=2,6·10 -9 ) 21

О БРАЗОВАНИЕ НЕОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА КОСТНОЙ ТКАНИ В костях, хрящах и зубах необходимо, чтобы фосфаты кальция задерживались, так как их ионы идут на минерализацию твердой ткани. Минерализация – это конечный этап образования костной ткани (происходит в клетках костной ткани остеобластах) Основным минералом здесь является гидроксиаппатит Са 5 (РО 4 ) 3 ОН. K s (Са 5 (РО 4 ) 3 ОН)=1,6 · (это очень низкий порог растворимости, который легко преодолеть и образовать осадок) 22

О БРАЗОВАНИЕ КОСТНОЙ ТКАНИ ( УРАВНЕНИЕ ) 5Са НРО ОН - Са 5 (РО 4 ) 3 ОН + 3Н 2 О Щелочность среды (рН = 8,3) и повышенная концентрация фосфат – ионов в остеобластах способствуют формированию гидроксифосфата кальция. Кристаллизация Са 5 (РО 4 ) 3 ОН происходит на белке коллагене Хондроитинсульфаты в комплексе с коллагеном связывают катионы кальция и фосфат – анионы. При увеличении концентрации ионов Са 2+ в плазме крови происходит отложение кальция в костной ткани, при уменьшении концентрации ионов Са 2+ в плазме наблюдается растворение минеральных компонентов костной ткани (костную ткань можно рассматривать как кальциевый буфер). 23 Остеобласты (рН = 8,3), минерализация Остеокласты, деминерализация

У КРЕПЛЕНИЕ ЗУБНОЙ ЭМАЛИ Из анионов костная ткань содержит также карбонат СО 3 2- и фторид F -. Фторид входит в состав зубной эмали в виде фторидфосфата кальция Са 5 (РО 4 ) 3 F. Замена OH - на F - повышает твердость и устойчивость зубной эмали к растворению. Повышенная концентрация ионов Ca 2+ в слюне является также фактором, защищающим зубы от разрушения. 24

О СОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА КАМНЕОБРАЗОВАНИЯ В организме человека ионы Са 2+ могут образовывать разные малорастворимые соединения, которые называют камнями. 25 Мочекаменная болезнь связана с образованием в мочевых органах камней различного состава вследствие нарушения обмена веществ.

О БРАЗОВАНИЕ УРАТНЫХ КАМНЕЙ При концентрации мочевой кислоты в моче образуются ее соли – ураты (рН мочи < 5) Диета направлена на ощелачивание мочи (молочно- растительная) Для растворения камней назначают цитраты калия или натрия Мочевая кислота и ее соли – ураты плохо растворимы в воде, поэтому при нарушении обмена веществ возможно ее отложение в суставах (подагра) 26 МОЧЕВАЯ КИСЛОТА

О БРАЗОВАНИЕ ФОСФАТНЫХ КАМНЕЙ Малорастворимые фосфаты кальция образуются в щелочной моче (рН мочи > 7) Витлокит Ca 3 (PO 4 ) 2 Гидроксиапатит Ca 5 (PO 4 ) 3 OH Для растворения камней используют Трилон Б и кислые минеральные воды. 27 Ca 5 (PO 4 ) 3 OH + 7Н + 3Н 2 РО Са 2+ + Н 2 О

О БРАЗОВАНИЕ ОКСАЛАТНЫХ КАМНЕЙ Малорастворимые оксалаты кальция образуются как в кислой, так и в щелочной моче. Вевеллит CaC 2 O 4 ·H 2 O Веделлит CaC 2 O 4 ·2H 2 O Для растворения камней используют Трилон Б и щелочные минеральные воды. 28 О БРАЗОВАНИЕ ОКСАЛАТНЫХ КАМНЕЙ

Л ЕЧЕНИЕ ПОЧЕЧНОКАМЕННОЙ БОЛЕЗНИ Принцип лечения – растворение камней за счет извлечения из них ионов кальция комплексообразователями: ЭДТА и ее солью (Трилон Б), лимонной кислотой и ее солями. 29 C 10 H 14 O 8 N 2 Na 2 ·2H 2 O Трилон Б В народной медицине для уменьшения отложения солей используют лимоны. Лимонная кислота

М ЕТОД АРГЕНТОМЕТРИИ ( ДВА ВАРИАНТА ) Метод Мора (прямое титрование) Определяют Cl -, Br -, Ag + Метод Фольгарда 1) Прямое титрование (определяют - SCN, Ag +, Hg 2 + ) 2) Обратное титрование, или титрование по избытку (определяют Cl -, Br -, I - ) 30

М ЕТОД М ОРА Основная реакция – осаждение анионов Cl - (Br - ) катионами Ag + : Cl - + Ag + AgCl 31 Осадитель, титрант Белый осадок Рабочие реактивы: AgNO 3 и NaCl Индикатор – K 2 CrO 4 ; в точке эквивалентности CrO Ag + Ag 2 CrO 4 Красный осадок

О ГРАНИЧЕНИЯ В МЕТОДЕ М ОРА рН растворов, где определяют ионы, должна быть в пределах 7 – 10. Кислая среда недопустима, т.к. Н + будут связывать хромат-ионы CrO 4 2- (или, точнее, бихромат-ионы Cr 2 O 7 2- ) в слабую кислоту. Индикатор убирается из раствора. Определению Сl - и Br - мешают катионы Fe 2+, Zn 2+, Al 3+, поскольку, гидролизуясь, они создают кислую среду. Мешает осаждению также NH 3, т. к. будет связывать Ag + в растворимый комплекс [ Ag(NН 3 ) 2 ] -, мешают Ba 2+,Pb 2+, дающие осадок с СrO 4 2¯ 32

М ЕТОД Ф ОЛЬГАРДА Вариант прямого титрования можно использовать для определения Ag + или – SCN. Основная реакция: Ag SCN Ag SCN 33 титрантРодонид серебра белого цвета Рабочие реактивы: AgNO 3 и KSCN (родонид калия) Индикатор: железоаммиачные квасцы NH 4 Fe(SO 4 ) 2

М ЕТОД Ф ОЛЬГАРДА ( ПРОДОЛЖЕНИЕ ) В точке эквивалентности: Fe 3+ + n – SCN [ Fe( SCN ) n ] 3-n (5) Для определения Cl - используют обратное титрование (титрование по остатку) с тем же индикатором - железоаммиачными квасцами NH 4 Fe(SO 4 ) 2 34 В растворе Красный цвет Cl - Ag + - SCN Cl - + Ag + AgCl Ag + избыток + – SCN AgSCN титрант реакция (5)

Р АСЧЕТЫ ПРИ ОБРАТНОМ ТИТРОВАНИИ m (Cl - ) = M ( 1 Cl - ) · n 1 (Ag + ) = M( 1 Cl - ) · C э (Ag + )· V л1 V 1 = V Σ (AgNO 3 ) – V 2 (AgNO 3 ) V 2 (AgNO 3 ) = 35 z z 1 z C э (KSCN) · V (KSCN) C э (AgNO 3 )

П РЕИМУЩЕСТВА МЕТОДА Ф ОЛЬГАРДА Точнее устанавливается точка эквивалентности. Осадительные реакции можно проводить и в кислой среде, и в нейтральной среде Катионы, подвергающиеся гидролизу, а также аммиак, определению не мешают. 36

В ЫВОД Будущему врачу необходимо понимание закономерностей образования и растворения малорастворимых солей для профилактики и лечения различных заболеваний, вызываемых нарушениями минерального обмена в организме человека 37

К ОНЕЦ ЛЕКЦИИ Спасибо за внимание 38