5 Ионные реакции осаждения, нейтрализации, гидролиза

Вид материала

Документы

Содержание Очистка природных вод 7.5. Промышленные способы получения энергии 7.6. Превращение энергии химической реакции Сложим уравнения реакций окисления и восстановления Вопросы для проверки знаний Химические аспекты экологических 8.3. Ферменты. Ферментативные реакции В третьих ссnccoh + h В четвертых Ф на расщепление вещества В 8.4. Состояние окружающей среды Группа газов

Подобный материал:

• Рекомендации к зачёту, 133.1kb.
• Написать краткие ионные и молекулярные уравнения реакций гидролиза карбоната натрия,, 4.27kb.
• Методический пакет учебного курса, 331.54kb.
• Молекулярно-динамическое моделирование осаждения металлического нанокластера на подложку, 66.11kb.
• Наносимые электрохимическими методами на поверхность детали в результате осаждения, 96.3kb.
• Для подготовки к экзамену по общей химии (2 семестр) Кинетика, 73.49kb.
• Программа коллоквиумов по курсу физической химии, 99.84kb.
• Оглавление, 334.79kb.
• Календарный план занятий по физической химии в весеннем семестре 2008/2009 уч года, 32.67kb.
• Отчет 86 с., 34 рис., 15 табл., 53 источника, 2 приложения. Ключевые слова : структура, 56.56kb.

Очистка природных вод

Ливневые стоки, сточные воды городов с очистных сооружений, отходы сельскохозяйственного производства попадают в реки. Речная вода подвергается специальной очистке (водоподготовке), прежде чем поступить в водопроводную сеть города (рис. 72).

Из реки вода проходит через решетку для очистки от крупного мусора и хлорируется для уничтожения болезнетворных бактерий. На некоторых станциях водоподготовки хлор заменяют озоном, который выполняет ту же функцию, но менее опасен в эксплуатации:

О₃ ® О₂ + О



Cl₂

Al₂(SO₄)₃

Смеситель

Отстойник

Фильтр: песок, гравий

Накопительный резервуар

В городской водопровод




Рис. 72. Схема водоподготовки речной воды


Достоинство озона по сравнению с хлором состоит в том, что он не дает хлорорганических продуктов, которые образуются при взаимодействии атомов хлора с примесями, содержащимися в речной воде.

После обработки хлором (или озоном) речная вода осветляется с помощью коагулянтов. Коагулянты - вещества, которые при растворении в воде подвергаются гидролизу и образуют нерастворимые в воде продукты гидролиза. Для этих целей, как правило, используется сернокислый алюминий:


Al₂(SO₄)₃(р-р)+6Н₂О(ж)=2Al(OH)₃(т)¯+3H₂SO₄(р-р)


Хлопья осаждающегося гидроксида алюминия захватывают частички примесей в речной воде и осветляют ее. Окончательное освобождение от механических примесей в воде осуществляют с помощью песчаного фильтра. Вода после гидролиза содержит незначительное количество серной (результат гидролиза) и соляной кислоты, если обеззараживание проводилось хлором. Чтобы повысить рН воды до значений 7-8 ее обрабатывают известью:


H₂SO₄ + Ca(OH)₂ = CaSO₄ + 2H₂O


Из накопительного резервуара вода поступает в городскую сеть водоснабжения.


7.5. Промышленные способы получения энергии

Промышленное производство энергии необходимо для обеспечения жизнедеятельности людей. Освещение помещений и улиц, поддержание комфортной температуры в жилых помещениях, энергоснабжение промышленных предприятий – все это обеспечивается электростанциями и станциями теплоснабжения. Железнодорожный, авиационный, автомобильный транспорт расходует природные источники топлива в громадных масштабах. Фактически человечество оказалось в условиях возрастающего расхода невозобновляемых природных ресурсов.

Ископаемое топливо образовалось биологическим путем в течение миллиардов лет. Большая часть его израсходована за последние 300 лет. По словам американского эколога Барри Коммонера добыча полезных ископаемых ничего общего не имеет с производством, т. к. о производстве в данном случае можно говорить лишь в том же смысле, в каком мальчик, забравшийся в кладовку, «производит» варенье из открытой банки. И тем не менее, основным источником энергии на Земле являются реакции горения природного газа, каменного угля, продуктов переработки нефти (мазута, дизельного топлива, керосина и бензина):


С + О₂ = СО₂

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

Мазут (С_х Н_у) + О₂ = хСО₂ + у/2Н₂О


Для получения электрической энергии используют нагретый пар высокого давления. Пар подается на турбину, соединенную с генератором. Комплекс турбина - генератор называется турбогенератором. Для получения пара высокого давления можно использовать любой источник тепла.

Применяются также газовые турбогенераторы. Они приводятся в движение газами СО₂ и Н₂О - продуктами горения природного газа, образующимися при высоким давлением и высокой температуре.

Примерно 40% общего энергопотребления в мире приходится на сжигание нефтепродуктов, еще столько же получают за счет сжигания природного газа и каменного угля. Остальное энергопотребление приходится на ядерное топливо и гидроэлектростанции.

В нефти и угле содержатся серо- и азотсодержащие органические соединения, а также сульфиды и оксиды металлов. Природный газ обычно содержит небольшую примесь серосодержащих органических соединений. Перед использованием природного газа, его очищают от этих примесей.

Содержание серы в нефти и угле может колебаться от 0,5 до 5%. Сера и азот, входящие в состав мазута и угля, сгорают с образованием оксидов:


Серосодержащие соединения S + O₂ = SO₂

Азотсодержащие соединения N + O₂ = 2NO


В условиях реакции горения при высокой температуре (1500—2200 ⁰С) образуется оксид азота из воздуха:


N₂ + O₂ = 2NO


Продолжительность горения бензина или дизельного топлива в двигателе внутреннего сгорания составляет доли секунды и не обеспечивает полного сгорания топлива до СО₂ и Н₂О. В результате продукты неполного сгорания выбрасываются в воздух. Это главным образом оксиды азота, серы, оксид углерода (II), альдегиды, органические кислоты, твердые углеродные частицы.

Химическая, нефтеперерабатывающая, металлургическая промышленность добавляет некоторое количество газообразных выбросов в окружающую среду. Основная доля загрязняющих выбросов газов в атмосферу приходится на автотранспорт и электростанции, работающие на природном топливе.


7.6. Превращение энергии химической реакции

в электрическую

Источниками электрической энергии служат гальванические элементы и аккумуляторы (от лат. accumulator - собиратель, накопитель). На каждый автомобиль устанавливается аккумулятор. Масштабы производства аккумуляторов сравнимы с производством автомобилей и других механических устройств, которые используют электрический ток для запуска двигателя. Аккумуляторы - химические источники электрического тока многократного действия.

Кроме аккумуляторов используются гальванические элементы. Их еще называют сухими элементами (в быту - батарейками). В батарейках используется не выливающийся (загущенный) электролит. Гальванические элементы - химические источники электрического тока, предназначенные для однократного (непрерывного или прерывистого) действия. После разряда они не пригодны для дальнейшего использования и выбрасываются. Их мировое производство достигает примерно 10 млрд. штук в год.

Для изготовления электрохимических источников тока применяют углерод (в виде графитовых стержней), такие металлы, как цинк, свинец, серебро, никель, оксиды и гидроксиды металлов, соли, серную кислоту и некоторые органические вещества, устойчивые к кислотам и щелочам.


**Действие марганцево-цинкового

гальванического элемента

Действие гальванического элемента основано на превращении скрытой (потенциальной) энергии химических связей участников реакции в движение электронов (электрический ток). Рассмотрим гетерогенную химическую реакцию:

2MnO₂(т) + 2NH₄Cl(р-р) + Zn =

2MnO(OH)(т) + 2NH₃(г) + ZnCl₂(р-р), DH_r <0


Реакция экзотермическая (DH_r <0), идет с разогреванием веществ. Это означает, что вещества передают выделившуюся энергию в форме тепла окружающей среде. Можно избежать рассеивания энергии в виде тепла. Часть энергии химической реакции удается превратить в энергию движения электронов, т.е. в электрическую энергию. Для этого исключают прямой контакт реагентов. Химическую реакцию проводят в гальваническом элементе (рис. 73).




Рис. 73. Сухой гальванический элемент. В качестве загустителя водного раствора электролита и превращения электролита в пасту может быть использована мука


По сути дела одновременно осуществляют две химические реакции: превращение пиролюзита MnO₂ в манганит MnO(OH) на катоде и цинка в ионы цинка на аноде. Вещества, расположенные у катода и анода, между собой не перемешиваются, так как они представляют собой густые пасты. Как в любом жидком электролите, в пастах происходит движение ионов, только с меньшей скоростью, чем в водных растворах. Этой скорости ионов достаточно для проведения электрохимических реакций.

Определим изменение степени окисления атомов химических элементов в веществах – участниках реакции:




Раздельное проведение реакций окисления на аноде и восстановления на катоде позволяет создать разность потенциалов на электродах (рис.74) и преобразовать энергию химической реакции в электрическую энергию гальванического элемента.

Чтобы батарейка не выделяла газообразный аммиак, который образуется в результате химической реакции в гальваническом элементе, ZnCl₂ связывает газообразный аммиак в комплексную соль:

4NH₃(г) + ZnCl₂(р-р) = Zn[(NH₃)₄]Cl₂(р-р)

Реакция окисления металлического цинка происходит на внутренней поверхности цинкового корпуса, выступающего в роли анода. Металлический цинк растворяется и переходит в виде ионов в раствор.



Рис. 74. Работа гальванического элемента. Превращение энергии связей реагирующих веществ в электрическую энергию.


В нерабочем состоянии, когда батарейка не подключена к электрической цепи, химическая реакция не происходит. Как только подключаем к батарейке маломощный электромотор от детского игрушечного автомобиля, тотчас скрытая в химических связях энергия начинает превращаться в работу, в механическое движение электромотора.

Однако энергию химической реакции невозможно полностью преобразовать в работу. На пути движения электронов встают ионы металла, расположенные в узлах кристаллической решетки металлического проводника. В результате столкновений электроны передают часть энергии ионам. Ионы начинают интенсивней двигаться относительно положения равновесия. Возрастание интенсивности движения ионов в проводнике приводит к повышению его температуры.

Следовательно, при движении электронов часть энергии химической реакции расходуется в виде тепла. Ту часть энергии химической реакции, которая никогда не превращается в работу механического движения (в данном случае электромотора), называют иногда связанным теплом.




Батарейка прекратит работу при завершении химической реакции. Это произойдет, когда израсходуется хотя бы один из реагентов, например, пиролюзит MnO₂ или растворится цинковая оболочка батарейки. Последний вариант нежелателен, так как в этом случае из батарейки электролит может вытечь, попасть на детали, которые окружают батарейку, и разрушить их.

Кроме приведенного марганцево-цинкового гальванического элемента существует множество модификаций сухих элементов, электролитом в которых служат не только соли, но и щелочи. Наиболее распространенные сухие элементы имеют разность потенциалов между электродами (электродвижущую силу) Е, равную 1,5 В.


**Действие свинцового аккумулятора

Для того чтобы гальванический элемент можно было перезаряжать, продукты химической реакции должны находиться вблизи электродов. Свинцовый аккумулятор обладает таким свойством. Его электроды представляют собой свинцовые пластины. Анод - пористый свинец, а катод - пористый свинец, содержащий в порах оксид свинца (IV) (рис.75). Оба электрода прочно установлены в плоской пластмассовой банке, содержащей электролит. Электролитом является серная кислота, имеющая плотность 1,25-1,30 г/см³ (35-40% раствор). Аккумулятор при работе разряжается.

На катоде идет реакция восстановления. Степень окисления свинца изменяется от +4 в PbO₂ до +2 в PbSO₄:


Pb⁺⁴O₂^-2(т) + HSO₄^-(р-р) + 3H⁺(р-р) + 2e^- = Pb⁺²SO₄^-2(т) + 2H₂O(ж)


На аноде идет реакция окисления. Степень окисления свинца изменяется от 0 в Pb до +2 в PbSO₄:


Pb(т) + HSO₄^-(р-р) = Pb⁺²SO₄^-2(т) + H⁺(р-р) + 2e^-




Рис. 75. Свинцовый аккумулятор.


Сложим уравнения реакций окисления и восстановления:

Pb⁺⁴O₂^-2(т) + HSO₄^-(р-р) + 3H⁺(р-р) + 2e^- + Pb(т) + HSO₄^-(р-р) =

Pb⁺²SO₄^-2(т) + 2H₂O(ж) + Pb⁺²SO₄^-2(т) + H⁺(р-р) + 2e^-

или



Оба электрода погружены в серную кислоту. В процессе разрядки электродные реакции протекают слева направо, в процессе зарядки - справа налево. При работе аккумулятора происходит изменение состава электродов. На обоих электродах образуется сернокислый свинец PbSO₄. Концентрация серной кислоты в растворе уменьшается. Об этом судят по уменьшению плотности электролита до 1,08-1,17г/см³ (12-24%).

Обычно каждая банка аккумулятора дает напряжение примерно 2В. Комплектуют аккумуляторную батарею из 6 банок, соединенных последовательно. Напряжение на концах аккумуляторной батареи 12В. Для зарядки подключают пластины аккумулятора к постоянному источнику электрической энергии. К отрицательному электроду подсоединяют отрицательный полюс, а к положительному - положительный полюс внешнего источника электрической энергии.

Делают это с таким расчетом, чтобы напряжение внешнего источника электрической энергии немного превышало напряжение аккумулятора, равное 12В. Внешний источник электрической энергии приводит к обращению реакции и превращению сульфата свинца в губчатый свинец на одном электроде и в оксид свинца - на другом.


Вопросы для проверки знаний

1. 
   Какая среда называется искусственной, и чем она отличается от естественной среды обитания живых систем?
   
2. Какие параметры характеризуют качество жизни человека с химической точки зрения?
   
3. Что такое загрязнители?
   
4. Что такое ПДК?
   
5. Какую роль в человеческом организме играют микроэлементы?
   
6. Для каких целей в промышленности производят водород?
   
7. Для каких промышленных целей производят аммиак?
   
8. Почему промышленное производство серной, азотной и соляной кислот является крупнотоннажным?
   
9. Какую роль играет бумага в жизни человека?
   
10. Существуют ли безотходные технологии?
    
11. Почему нельзя пользоваться речной водой без предварительной очистки?
    
12. Почему сточные воды перед сбрасыванием в реку очищаются?
    
13. Можно ли всю энергию химической реакции, протекающей в гальваническом элементе, превратить в работу?
    
14. Можно ли всю энергию химической реакции, протекающей в гальваническом элементе, превратить в теплоту?
    
15. В чем различие между гальваническим элементом и аккумулятором?
    

Упражнения

1. 
   Жидкая ртуть испаряется и создает опасную концентрацию паров в воздухе. Какие химические реакции позволяют исключить попадание паров ртути в воздух?
   
2. Для производства бумаги используется щелочь. Приведите примеры промышленного получения щелочи.
   
3. Напишите реакцию взаимодействия хлорида железа (III) с водой. Можно ли использовать хлорид железа в качестве коагулянта?
   
4. Выскажите предположение, почему не осуществляют массовое производство автомобилей, работающих на энергии аккумуляторов.
   
5. Почему на железнодорожных вокзалах и в речных портах для перевозки грузов со складов и ангаров к почтовым вагонам и судам используют автопогрузчики, работающие на энергии аккумуляторов?
   
6. На батарейках имеются надписи: в гальваническом элементе - 0% Hg, 0% Cd. Выскажите предположение, объясняющее необходимость такой надписи.
   

ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОБЛЕМ

Тема 8. Химические процессы в живых системах и окружающей среде

**8.1. Биосфера. Возникновение жизни

Биосфера  оболочка Земли, в которой осуществляется деятельность живых организмов. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы (примерно до высоты 1011 км, где еще могут существовать микробы), всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Атмосфера, гидросфера и литосфера связаны сложными биогеохимическими циклами миграции вещества и энергии. Таким образом, биосфера  это слой живых организмов, взаимодействующих между собой, с воздухом, водой и земной корой.

В соответствии с теорией, выдвинутой русским биохимиком А. И. Опариным (18941980), возникновение жизни  длительный процесс эволюции от неорганических веществ к органическим и далее к живым организмам. В 1924 г. им была опубликована книга «Происхождение жизни», в которой рассматриваются этапы этого процесса. Предположение Опарина и американского физика и химика Г.К. Юри (18931981) о том, что первичная атмосфера Земли имела восстановительные свойства и на определенном этапе своего развития должна была содержать пары воды, молекулярного водорода, аммиака, метана и циана (CN), послужило исходной точкой для прогнозирования появления органических соединений и жизни.

Синтез органических соединений из неорганических соединений в восстановительной среде был доказан в середине ХХ века. В1953 г было установлено, что в восстановительной газообразной среде при электрических разрядах образуются аминокислоты. В этой среде под действием нагревания, ультрафиолетового излучения и других источников энергии происходит образование таких сложных органических веществ, как пурины, пиримидины, моносахариды (1960 г.), белковоподобные вещества (1969 г.), аденозинтрифосфорная кислота (1970 г.), полипептиды. Вопрос о химической эволюции на Земле как первом этапе возникновения живых систем из сложных органических веществ, считается доказанным. Появление сложных органических веществ обеспечило переход к следующему этапу – биологической эволюции.

С момента образования Земли, возраст которой оценивается в 4,6 миллиарда лет, атмосфера Земли постепенно менялась. Появились водоемы, в которых органические вещества участвовали в разнообразных химических превращениях. Энергия солнечного излучения вызывала синтез и распад сложных органических молекул. Образовывались такие молекулы, которые обладали способностью к совместному сосуществованию в каплях-коацерватах (лат. coacervatio  собирание в кучу, накопление). Коацервация возможна даже в тех случаях, когда концентрация органических полимерных веществ в воде очень мала. Появление органических капель-коацерватов, нерастворимых в воде органических полимеров, послужило толчком к эволюционному совершенствованию процессов обмена веществ и возникновению простейших клеток (прокариот, эукариот).

Метаболические процессы, проходившие в первичных живых системах, сопровождались изменением состава атмосферы. Выделение кислорода в процессе фотосинтеза в одноклеточных организмах приводило к появлению и накоплению его в атмосфере:


6Н₂О + 6СО₂  С₆Н₁₂О₆ + 6О₂


Восстановительная атмосфера (Н₂О, Н₂, NH₃, СН₄ СN) превратилась в окислительную (О₂, N₂).

Период возникновения жизни завершился, и условия, которые способствовали этому примерно 34 миллиарда лет тому назад, перестали существовать. Наступил эволюционный этап развития живых систем в условиях окислительной среды. Чередование этапов эволюции и скачков качественного перехода к новому состоянию живых систем привел к той биосфере, которая существует в настоящее время. В биосфере сосредоточена большая часть природных ресурсов. Горючие ископаемые (каменный уголь, нефть, природный газ) и осадочные горные породы в своей основе созданы живыми существами планеты. Монопольное положение человека среди живых организмов особенно мощно проявилось в ХХ веке. Потребление природных ресурсов и накопление отходов человеческой деятельности стало оказывать опасное влияние на круговорот веществ в природе. Деятельность человека приобрела настолько большие масштабы, что поставила под угрозу существование его как вида. Постараемся пояснить это утверждение.


**8.2. Метаболизм

В 1775 г., выступая с докладом во Французской академии наук, Лавуазье сообщил о том, что воздух является смесью двух газов. Одна из этих частей, названная Лавуазье кислородом, соединяется с горящими и ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь, соединяясь с ним, а также необходима для жизни. Он был убежден (и, надо сказать, совершенно справедливо), что жизнь поддерживается процессом, сходным с процессом горения. Человек вдыхает воздух, богатый кислородом и бедный углекислым газом, а выдыхает воздух, бедный кислородом и значительно обогащенный углекислым газом.

В 1783 г. Кавендиш выяснил, что при сжигании «горючего воздуха» (так называл он открытый им в 1766 г. водород) в чистом кислороде образуется вода. Лавуазье по достоинству оценил эту работу и назвал «горючий воздух» Кавендиша водородом («образующим воду»). Для Лавуазье было очевидным, что пища и живая ткань представляют собой множество соединений углерода и водорода. Таким образом, при вдыхании воздуха кислород расходуется на образование не только углекислого газа из углерода, но и воды из водорода. В живых организмах непрерывно идут химические реакции. Поэтому живые организмы представляют собой своеобразные химические реакторы, обменивающиеся с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Живые организмы (животные, включая человека, растения и микробы) находятся в устойчивом состоянии до тех пор, пока они получают необходимые вещества и энергию из окружающей среды. Прекращение такого обмена означает прекращение жизни. Все виды пищи, независимо от их химического состава обеспечивают устойчивое состояние живой системы.


Метаболизм – это совокупность химических реакций, протекающих в живых клетках и обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности, роста и размножения.



Метаболизм включает два типа химических превращений вещества: синтез сложных соединений из более простых (анаболизм) и расщепление сложных соединений до более простых (катаболизм). В зависимости от химической формы углерода, усваиваемого живыми организмами, они делятся на две группы. Для первой группы живых организмов основным источником углерода служит СО₂, для второй  различные органические соединения. К первой группе относятся зеленые растения и фотосинтезирующие бактерии, ко второй  животные и грибы. У растений основным по преимуществу является анаболический процесс питания, у животных  катаболический. Поступающие в живой организм питательные вещества превращаются в нем, переносятся внутри организма, а отходы выделяются в окружающую среду. Вместе с питательными веществами поступает энергия в виде солнечного излучения  в случае зеленых растений, либо сами питательные вещества являются носителями энергии, скрытой в химических связях соединений, составляющих питательные вещества. Энергия, выделяющаяся в результате превращения питательных веществ, преобразуется в теплоту, мышечную работу, расходуется в процессах биосинтеза.

Главным катаболическим процессом в метаболизме является биологическое окисление в клетках углеводов, белков и жиров. Окисление углеводов и жиров сопровождается образованием СО₂ и Н₂О. Подавляющая часть белкового азота при окислении белка в организме млекопитающих переходит в мочевину:

О

Н₂NСNН₂

Главным анаболическим процессом в метаболизме является осуществляемый растениями фотосинтез. Фотосинтез  образование зелеными растениями и некоторыми бактериями органических веществ с использованием энергии солнечного света. В основе фотосинтеза лежат окислительно-восстановительные реакции, в которых электроны переносятся от Н₂О к СО₂ с образованием углеводов и выделением О₂. Фотосинтез  один из самых распространенных процессов на Земле, он обуславливает круговорот в природе углерода, кислорода и других элементов. В связи с тем, что углеводы составляют основную массу продуктов биосинтетической деятельности растений, химическое уравнение фотосинтеза обычно записывают в виде:


h

СО₂ +Н₂О  [CН₂О] + О₂

углеводный фрагмент


У высших животных анаболические процессы осуществляются за счет энергии, выделяемой в катаболическом процессе.

Реакции в живых организмах идут с участием катализаторов. Необычным в биохимических реакциях (включая фотохимические реакции в растениях) является то, что многие из них идут с большой скоростью при невысоких температурах. Катализаторами таких реакций служат специальные белки-ферменты. В катализируемой ферментом (ферментативной) реакции могут участвовать и другие важные вещества, называемые коферментами. Например, для действия фермента необходимо присутствие иона Mg²⁺ или другого металла или участие органической молекулы. Во многих реакциях роль кофермента выполняют витамины. Рассмотрим подробнее действие и роль ферментов в живых системах.

** 8.3. Ферменты. Ферментативные реакции

Для живых организмов, характерна сложная система взаимосвязанных химических реакций, поддерживающих на необходимом уровне концентрации веществ, обеспечивающих устойчивое состояние организма. Ниже приведены свойства ферментов, обеспечивающие это стабильное состояние.

Во-первых, они характеризуются высокой чувствительностью к температуре. Любой фермент проявляет наибольшее каталитическое действие при температуре 4050⁰С. Восходящая ветвь кривой, представленной на рис. 76, отражает рост скорости ферментативной реакции с увеличением температуры в соответствии с правилом Вант-Гоффа, когда скорость реакции возрастает в 24 раза при увеличении температуры на каждые 10 градусов.


V


2

		1				3

Т⁰С

40

0

20

60

80

90

Т⁰С



Рис. 76. Влияние температуры на скорость (V) ферментативной реакции. Кривая 12 отражает рост скорости реакции с увеличением температуры в соответствии с правилом Вант-Гоффа, кривая 3 отражает уменьшение скорости реакции с увеличением температуры, связанное с разрушением белка-фермента


Однако в ферментативный катализ вмешивается неустойчивость белка-фермента. При температурах выше 50⁰С он начинает разрушаться. Концентрация фермента уменьшается, что приводит к уменьшению скорости реакции. Для человека нормальная температура тела соответствует 3637⁰С. При температуре ниже нормальной уменьшаются скорости ферментативных реакций. Например, в воде при температуре 5⁰С человек погибает уже через 1015 минут, т. к. замедляются или полностью прекращаются основные ферментативные реакции. При повышенной температуре разрушаются белки-ферменты, они теряют свою каталитическую активность, скорость ферментативных реакции уменьшается или они полностью прекращаются и организм погибает.

По этим причинам так важен постоянный температурный режим тела человека. Мы одеваемся теплее зимой и стараемся быть в тени жарким летним днем. Переохлаждение, так же как и перегрев, одинаково опасны для нормального функционирования живого организма.

Во-вторых, ферменты чрезвычайно чувствительны к кислотности среды. Это связано со способностью фермента изменять состояние ионизации и каталитическую активность под действием Н⁺ или ОН^ ионов.

В третьих, ферменты проявляют избирательную каталитическую активность по отношению к одному соединению, и не проявляют таковую к другим химическим соединениям. Например, существует белок-фермент, который катализирует гидролиз полипептидов, приводящий к образованию аминокислот. Такой фермент атакует часть полипептидной цепи, точнее амидную группу:


Н О H O H O H O

 ∥  ∥ Фермент  ∥  ∥

ССNCCOH + H₂O  ССOH + H₂NCCOH

    

R H R R R


Белок-фермент, катализирующий гидролиз полипептидной цепи, не оказывает никакого влияния на гидролиз жиров или расщепление углеводов. У белка-фермента в полимерной цепи расположены активные участки, которые выполняют роль каталитических центров. Эти центры имеют определенную форму точно соответствующую форме определенного участка в структуре полипептида, подвергающегося гидролизу и расщеплению (рис. 77).

В четвертых, скорость ферментативной реакции необычайно высока по сравнению с реакцией в отсутствии фермента.


В₁ В₂ В₃










Ф Ф










Рис. 77. Модель избирательного каталитического действия фермента Ф на расщепление вещества В₁. Вещества В₂ и В₃ катализу не подвергаются, т.к. не подходят по своей структуре к каталитическому центру фермента


Например, разбавленный раствор пероксида водорода (~3%) устойчив в течение года, если хранится в темноте в присутствии стабилизатора (ничтожных количеств фосфорной кислоты) при комнатной температуре. При обработке открытой раны или пореза пероксидом водорода она разлагается буквально в считанные секунды по реакции:


пероксидаза

2 Н₂О₂(р-р)  2Н₂О(ж) + О₂(г)


Высокая скорость реакции разложения пероксида водорода на поверхности открытой раны обусловлена каталитическим действием фермента-пероксидазы, содержащимся в организме человека.


Использование лекарственных веществ позволяет уничтожать многие болезнетворные бактерии в человеческом организме. Например, было установлено, что некоторые из таких бактерий используют пара-аминобензойную кислоту в жизненно важной для них ферментативной реакции. Этим обстоятельством воспользовались ученые и синтезировали сульфамидный препарат (пара-аминобензолсульфамид), который блокирует активный центр и не позволяет ферменту участвовать в биохимическом процессе, важном для бактерий.





Н₂N– – SO₂NH₂ H₂N– –C(O)OH


пара-аминобензолсульфамид пара-аминобензойная кислота

(cульфамидный препарат) (вещество, необходимое бактериям)


В результате бактерии погибают. Причина блокировки обусловлена структурным сходством между аминобензойной кислотой и пара-аминобензолсульфамидом:


8.4. Состояние окружающей среды

Наша планета – это большой космический корабль с шестью с лишним миллиардами человек населения. С момента появления жизни на Земле в круговорот веществ на планете включились живые организмы. Они преобразовали поверхность суши, гидросферу и атмосферу. Этот процесс преобразования идет непрерывно и будет продолжаться, пока существует жизнь на Земле.

Все более активную роль в изменении биосферы играет деятельность человека. Масштабы этой деятельности становятся соизмеримыми с природными явлениями. Существует серьезная опасность нарушения устойчивого взаимодействия Человек–Природа. Ответственность за нарушение этого устойчивого состояния лежит на человеке.

Уместно привести четыре закона-афоризма экологии, сформулированные американским экологом Барри Коммонером:

1. Все взаимосвязано со всем.
   
2. Все должно куда-то деваться.
   
3. Природа знает лучше.
   
4. Ничто не дается даром или за все надо платить.
   

В них в краткой форме отражены взаимоотношения человека с окружающей средой. Человек нарушает установившиеся связи и отношения в естественной среде обитания. Он выбрасывает в окружающую среду промышленные и бытовые отходы в возрастающих количествах. Ему приходят в голову идеи преобразования природных ландшафтов, а за такие действия приходится расплачиваться здоровьем, потребляя питьевую воду низкого качества и вдыхая загрязненный воздух.

В состав атмосферы входят устойчивые, неустойчивые и сильно изменяющиеся газы (табл. 13).

Т а б л и ц а 13

Классификация газов, входящих в состав атмосферы

Группа газов	Соединение	Время жизни
Устойчивые	N2 O2 Ar и др. благородные газы	Более нескольких тысяч лет
Неустойчивые	СО2 Н2 СН4	Несколько лет (425 лет)
Сильно изменяющиеся	Н2О NO2 NO SO2 H2S	Несколько суток (210 дней)