Неорганическая химия
Шрифт:
Окислительно-восстановительными реакциями называются химические процессы, сопровождающие–ся переносом электронов от одних молекул или ионов к другим.
При окислительно-восстановительных реакциях про–текают два взаимосвязанных процесса: окисление и вос–становление.
Окислением называется процесс потери электронов. Восстановлением – процесс присоединения элект–ронов.
Вещества, атомы или ионы которых отдают электро–ны, называются восстановителями. Вещества, атомы или ионы которых присоединяют электроны (или оття–гивают к себе общую пару электронов), называются окислителями.
В реакции цинка с CuSO4 Cu2 +
Си2+ + 2е – Си0 .
Атомы цинка отдают электроны:
Zn0 – Zn2 + 2e.
Соответственно, CuSO4 – окислитель, Zn – восста–новитель.
Важными процессами в животных организмах яв–ляются реакции ферментативного окисления веществ-субстратов: углеводов, жиров, аминокислот. В резуль–тате этих процессов организмы получают большое количество энергии. Приблизительно 90% всей по–требности взрослого мужчины в энергии покрывается за счет энергии, вырабатываемой в тканях при окисле–нии углеводов и жиров. Остальную часть энергии – ~10% дает окислительное расщепление аминокислот.
Биологическое окисление протекает по сложным механизмам при участии большого числа фермен–тов. В митохондриях окисление происходит в резуль–тате переноса электронов от органических субстратов. В качестве переносчиков электронов в дыхательную цепь митохондрий входят различные белки, содержа–щие разнообразные функциональные группы, которые предназначены для переноса электронов. По мере про–движения по цепи от одного интермедиата к другому электроны теряют свободную энергию. На каждую пару электронов, переданных по дыхательной цепи кислоро–ду, синтезируются 3 молекулы АТФ. Свободная энергия, высвобождающаяся при переносе 2 электронов на кислород, составляет 220 кДж/моль.
На синтез 1 молекулы АТФ в стандартных условиях расходуется 30,5 кДж. Отсюда ясно, что довольно значи–тельная часть свободной энергии, выделяющейся при переносе одной пары электронов, запасается в молеку–лах АТФ. Из этих данных становится понятной и роль многостадийной передачи электронов от исходного вос–становителя к кислороду. Большая энергия (220 кДж), выделяемая при переносе одной пары электронов к кис–лороду, разбивается на ряд порций, соответствующих отдельным стадиям окисления. На трех таких стадиях количество выделяющейся энергии примерно соот–ветствует энергии, необходимой для синтеза 1 моле–кулы АТФ.
Окислительно-восстановительные реакции лежат в основе методов оксидиметрии, которые применя–ются в клиническом анализе для определения в крови ионов Са, мочевой кислоты, ферментов каталазы и пе-роксидазы, сахара, а в санитарно-гигиеническом – для определения окисляемости воды, содержания актив–ного хлора в хлорной извести, остаточного хлора в хозяйственноопитьевой воде
30. Химическая связь и ее экспериментальные характеристики
Разработка современной модели атома и предска–зание на ее основе свойств индивидуальных атомов – очень важное достижение квантовой механики. Однако в земных условиях редко встречаются изолированные атомы. Окружающие нас тела неживой и живой природы состоят из разнообразных молекул.
А.
Валентностью называется способность атома при–соединять определенное число других атомов с обра–зованием молекулы.
Валентность обозначается черточками у символа эле–мента. Водород (Н) – одновалентный, кислород (0= ) – двухвалентный. Число валентных черточек определяет число химических связей, которые данный атом может образовывать с другими атомами.
Химической связью называется совокупность взаи–модействий между электронами и ядрами, приводя–щих к соединению атомов в молекулу.
Свойства химической связи изучают различными ме–тодами. С помощью химических методов определяют число связей атомов (валентность) и их реакционную способность.
С помощью физических методов определяют длину, прочность, ориентацию и полярность химических связей.
Длиной химической связи гс называется величина, измеряемая расстоянием между ядрами связываемых атомов.
В качестве единицы измерения длины химической свя–зи гс удобно использовать пикометр (пм): 1 пм = 10– 12 м.
Прочность химической связи Ес – величина, из–меряемая энтальпией Ес образования связи.
В качестве единицы измерения прочности хими–ческой связи Ес используется кДж/моль.
Ориентация химической связи ас – величина, из–меряемая углом между направлениями связей данно–го атома с соседними атомами молекулы. Угол ас на–зывается валентным.
Единица измерения валентного угла ас – градус.
Полярность химической связи с – величина, из–меряемая электрическим моментом данной связи.
Электрический момент для двух электрических за–рядов +q и q, равных по абсолютному значению и про–тивоположных по знаку, равен = qr, где r – расстояние между зарядами. Такие два заряда образуют электриче–ский диполь.
Химическая связь поляризуется, когда связываются 2 атома с разной электроотрицательностью (ОЭО). В результате на атоме с большим значением ОЭО возникает избыточный отрицательный заряд –, а на другом атоме с меньшим значением ОЭО – избы–точный положительный заряд +. Полярность связи рассчитывается по формуле:
с = rс.
В качестве единицы измерения полярности химиче–ской связи удобно использовать внесистемную еди–ницу Дебай (D) – 1 D = 3,3 х 10-30 Кл/м. Полярность О—Н связи в молекуле воды равна он = 1,5 D.
Изучение химической связи показало, что в большин–стве случаев длина, прочность, ориентация, поляр–ность одной и той же химической связи в разных соеди–нениях имеют приблизительно одинаковые значения. Отсюда следует, что взаимодействия, приводящие к образованию данной связи между атомами, имеют одинаковую природу в разных молекулах. Квантово-механические теории химической связи дают объясне–ние этому факту.