Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Свойства растворов высокомолекулярных веществ (ВМВ)

Растворы ВМВ

Высокомолекулярные вещества (полимеры) – это вещества с молекулярной массой от десяти тысяч до нескольких миллионов единиц.

Размеры молекул ВМВ в вытянутом состоянии могут достигать 1000 нм. Температура кипения ВМВ значительно выше температуры разложения, поэтому они существуют, как правило, только в жидком или твердом состоянии.

По происхождению ВМВ делятся на:

1. Природные ВМВ или биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, а также биополимеры смешанного типа – гликопротеины, нуклеопротеины и др.) являются структурной основой всех живых организмов.

2.Синтетические (каучук, полиэтилен, синтетические смолы) и искусственные ВМВ получаются в результате химического синтеза. Методы синтеза ВМВ основаны на реакциях полимеризации, поликонденсации и сополимеризации.

3. Искусственные ВМВ изготавливают на основе природных ВМВ с заранее заданными свойствами.

Степенью полимеризации n называется число повторяющихся звеньев в макромолекуле ВМВ. Любой синтетический полимер состоит из макромолекул разной степени полимеризации и характеризуется полидисперсностью.

По строению полимерной цепи ВМВ бывают

· линейными,

· разветвленными,

· пространственными.

Например,

целлюлоза (растительный полисахарид) – имеет линейную структуру,

гликоген (животный полисахарид) – имеет разветвленную структуру,

фенопласты – имеет пространственную сетчатую структуру.

В животном организме присутствуют в основном плохорастворимые полимеры разветвленной и пространственной структур.

По способности к электролитической диссоциации ВМВ делятся на

· неэлектролиты

· полиэлектролиты.

Полиэлектролиты подразделяются на поликислоты, полиоснования и полиамфолиты.

Макромолекулы могут принимать различную форму в результате конформационных изменений: линейную, клубка, глобул.

Конформации и различные состояния объясняются стремлением к самопроизвольному уменьшению энергии Гиббса (∆G< 0), которое происходит при условии T·∆S > ∆H.

Таким образом, конформация представляет собой пространственную форму макромолекул, соответствующую максимуму энтропии.

Конформационными переходами можно объяснить многие процессы, происходящие в организме, например, регуляцию активности ферментов.

Гибкость как свойство молекулы обусловливает эластичность как свойство материала (например, эластичность волос, кожи и т.п.).

Макромолекулы ВМВ имеют уровни структурной организации. Для молекул белков известно 4 уровня структурной организации.

Первичная структура – это последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Вторичная структура – пространственная структура в виде α-спирали (фибриноген крови), либо β-структура складчатого листа (кератин волос).

Третичная структура – расположение вторичной структуры в пространстве. При этом образуются субъединицы белка или микроструктуры.

Четвертичная структура – объединение субъединиц в макроструктуры (гемоглобин крови).

Нативная, природно заданная структура белка способна нарушаться под действием различных факторов (резкие колебания температуры, рН, присутствия солей тяжелых металлов и др.). Денатурация белка – это нарушение первоначальных свойств белка, вызванное изменением пространственной структуры его макромолекулы и сопровождающееся изменением физико-химических и биологических свойств белка.

Белки в процессе денатурации:

1) теряют гидрофильные свойства,

2) нарушаются форма и размеры макромолекул,

3) увеличивается вязкость растворов,

4) уменьшается растворимость белков и степень набухания,

5) денатурированные белки быстрее перевариваются ферментами желудочно-кишечного тракта по сравнению с нативными.

Растворы ВМВ являются лиофильными коллоидными системами. Для них характерны свойства как общие с растворами низкомолекулярных веществ и коллоидными системами, так и специфические.

Растворы ВМВ с истинными растворами низкомолекулярных веществ имеют ряд общих свойств:

1) образуются самопроизвольно;

2) являются термодинамически устойчивыми и не требуют присутствия стабилизаторов;

3) в растворах ВМВ взвешенными частицами являются не мицеллы, а макромолекулы, способные диссоциировать на ионы;

4) в растворах ВМВ отсутствует четко выраженная поверхность раздела фаз, их можно разбавлять и концентрировать.

К специфическим свойствам растворов ВМВ относят:

1) высокую степень набухания полимера;

2) высокая вязкость раствора;

3) низкую нестабильную величину осмотического давления раствора.

Набухание ВМВ

ВМВ набухают и растворяются в низкомолекулярных жидкостях. Так как подвижность молекул растворителя намного больше подвижности макромолекул, то первой стадией взаимодействия является набухание – проникновение молекул растворителя в структуру ВМВ со значительным увеличением его массы и объема, но с сохранением формы; образуется гель. Если низкомолекулярная жидкость ограниченно растворима в ВМВ, то набухание будет ограниченным, оно не заканчивается образованием текучей системы. Растянутая сетка макромолекул, стремясь сократиться, препятствует увеличению содержания растворителя.

При неограниченной растворимости низкомолекулярной жидкости в полимере его пачки после набухания продолжают раздвигаться и макромолекулы постепенно диффундируют в растворитель, образуя раствор. Такое набухание называют неограниченным.

В синтетических полярных полимерах и белках набухание начинается с сольватации полярных групп. При этом выделяется наибольшее количество теплоты. Установлено, что, например, на 1 г крахмала выделяется 6,6 кал, на 1 г желатина – 5,7 кал. При образовании сольватных слоев поглощается около 20–40% растворителя от массы сухого полимера. Следующая стадия набухания – поглощение десятикратного объема растворителя – объясняется осмотическими явлениями. С термодинамической точки зрения процессы набухания ВМС и растворения низкомолекулярных веществ весьма сходны между собой.

На набухание влияют также такие физико-химические факторы, как температура, рН среды, электролиты и др.

Повышение температуры способствует более быстрому набуханию, так как усиливается движение частиц, что способствует разрыхлению внутренних структур. Для каждого высокомолекулярного вещества и растворителя должна существовать своя критическая температура, выше которой происходит их безграничное смешение.

Изменение рН среды в более кислую или щелочную сторону от изоэлектрической точки коллоида увеличивает степень набухания. Это объясняется появлением положительного и отрицательного заряда у коллоидных частиц и, следовательно, повышением степени гидратации.

Влияние анионов на процесс набухания оценивают с помощью лиотропного ряда Гоффмейстера:

SO₄^2- < C₆H₅O₇^3- < C₄H₄O₆^2- < C₂H₄O₂^-< Cl^- < NO₃^- < Br^- < I ^- < CNS^–

цитрат тартрат ацетат

Как видно из данного ряда, соли серной и уксусной кислот замедляют набухание, а роданид-анионы способствуют набуханию. Из катионов: K⁺и Na⁺способствуют, а ионы Ca²⁺ - препятствуют набуханию.

Набухание оценивается по степени набухания массы жидкости, поглощенной 1 г сухого полимера. Степень набухания определяют весовым и объемным методом. Весовым методом определяют массу сухого и набухшего полимера и по разности находят массу поглощенной жидкости. Объемным методом измеряют изменение объема тела при поглощении им жидкости, или объема жидкости, в котором происходит набухание. Степень набухания α вычисляют по уравнению:

или , где

m₀, V₀ – масса и объем полимера до набухания

m, V – масса и объем полимера после набухания

Набухание имеет большое значение в процессах жизнедеятельности растительных и животных организмов. Прорастанию семян всегда предшествует предварительное набухание. Растительные и животные ткани связывают большое количество воды (соединительная ткань) и содержат коллоиды не только в виде растворов, но и в студнеобразном состоянии (протоплазма клеток, хрусталик глаза и др.).

Чередование в зависимости от рН среды и концентрации электролитов процессов набухания и обезвоживание соединительной ткани влияет на распределение воды, а также ионов между соединительной тканью и клетками.

Набухание и обезвоживание коллоидов наблюдается при самых различных процессах: регенерации тканей, воспалении, образовании отеков, при проникновении кислых жидкостей в ткани, при ожоге кожи крапивой, при укусе насекомых и т.п. Во всех указанных случаях набухание зависит, главным образом, от изменения в тканях рН среды.

Вязкость растворов ВМВ

Растворы высокомолекулярных соединений отличаются высокой вязкостью (или внутренним трением), обусловленной силами сцепления между молекулами жидкости.

Количественно вязкость характеризуют коэффициентом вязкости η (этта), Па ∙ с.

Отношение вязкости раствора к вязкости чистого растворителя обозначают относительной вязкостью:

где, η, ρ, τ – вязкость, плотность, время истечения раствора;

η₀, ρ₀, τ₀ – вязкость, плотность, время истечения чистого растворителя.

! В сильно разбавленных растворах ρ ≈ 1г/см³, т.е. плотностью можно пренебречь.

Увеличение вязкости, связанное с изменением концентрации при растворении полимера, принято характеризовать удельной вязкостью:

η – вязкость раствора;

η₀ – вязкость чистого растворителя.

Для линейной (вытянутой) формы макромолекул удельную вязкость рассчитывают по уравнению Штаудингера:

η_уд. = К· М(X) · C(X)

М (Х) – относительная молекулярная масса полимера [а. е. м.];

C (X) – весовая концентрация полимера [г · м^-3];

К – константа, характеризующая особенности гомологического ряда полимера.

Величина η_уд/С получила название приведенной вязкости:

Предел η_уд/С при С→0 отражает гидродинамическое сопротивление движению молекул полимера и именуется характеристической вязкостью [η].

При вискозиметрическом методе определения молекулярного веса полимера вначале устанавливают η₀, η; затем рассчитывают η_уд и η_прив для растворов различной концентрации и строят график зависимости приведенной вязкости от концентрации. Эта зависимость представляет прямую, которая при продолжении до пересечения с осью ординат отсекает отрезок, равный [η].

Рис. Зависимость η_прив от С ВМВ для раствора высокомолекулярного соединения.

Уравнение Марка-Хаувинка устанавливает связь между характеристической вязкостью и молярной массой ВМВ.

[η] = К ∙ М^α, где

М – средняя молекулярная масса ВМВ;

К – коэффициент постоянный для растворов ВМВ одного гомологического ряда в данном растворителе;

α – коэффициент, характеризующий гибкость цепей макромолекул в растворе и их форму в зависимости от конформации.

Осмотическое давление растворов ВМВ

В растворах ВМВ осмотическое давление имеет ряд особенностей. Это связано с тем, что макромолекула ВМВ может рассматриваться как совокупность молекул меньшего размера.

Это учитывает уравнение Галлера:

π_осм = (С_ВМВ/М_ВМВ) ∙ RТ+βС²_ВМВ, где

С_ВМВ – весовая концентрация полимера, г/м³;

β – коэффициент, учитывающий форму, гибкость, размеры макромолекулы.

Если концентрация раствора невелика, то βС²_ВМВ → 0, тогда уравнение Галлера переходит в уравнение Вант-Гоффа.

Измеряя осмотическое давление растворов различных концентраций и строя график зависимости π_осм/ С_ВМВ от С_ВМВ, находят значение молярной массы полимера и коэффициента β.

Контрольные вопросы

ВМВ. Биополимеры. Белки. Биологическая роль белков и их суточная потребность.
Физико-химические характеристики макромолекул белков: молекулярная масса, размер, структура, гибкость.
Специфические свойства растворов ВМВ:

а) Набухание. Степень набухания, факторы, влияющие на набухание. Ограниченное и неограниченное набухание.

б) Вязкость. Удельная, приведенная и характеристическая вязкости.

в) Осмотическое давление.

Растворы белков. Агрегативная устойчивость белков. Понятие о высаливании, денатурации, коацервации.
Влияние рН среды на состав и свойства растворов белков. Изоэлектрическая точка белков и ее значение.

Типовые задачи

Задача 1. Определите молярную массу полиметилметакрилата по следующим данным вискозиметрического метода:

Концентрация раствора, кг/м³	1,0	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0
Приведённая вязкость раствора ВМС в бензоле	0,408	0,416	0,430	0,434	0,442	0,452

Константы: К = 4,7·10^{– 8}; α = 0,77.

Решение:

1. По приведенным данным строим график зависимости η_прив — С_{раствора}. Методом экстраполяции определяем значение характеристической вязкости ([η]).

В нашем случае [η] ≈ 0,4035.

2. Используя уравнение Марка-Хаувинка, находим молярную массу полимера:

[η] = К ∙ М^α

lg [η] = lg K + α∙lg M

α∙lg M = lg [η] – lg K

lg [η] – lg K lg 0,4035 – lg 4,7·10^{– 8}

lg M = ----------------- = ------------------------------- = 9,005

α 0,77

M = 10 ^9,005 = 1011579454 (кг/моль)

Ответ: М = 1011579454 (кг/моль)

Тестовые задания

Выберите правильный вариант ответа

01. НАБУХАНИЕ – ЭТО ПРОЦЕСС ПРОНИКНОВЕНИЯ

1) ВМВ в полимер

2) полимера в ВМВ

3) ВМВ в НМС

4) НМС в ВМВ

02. ПРОЦЕСС НАБУХАНИЯ ВМВ ЯВЛЯЕТСЯ

1) самопроизвольным, ΔG > 0

2) несамопроизвольным, ΔG > 0

3) самопроизвольным, ΔG < 0

4) несамопроизвольным, ΔG < 0

03. НАБУХАНИЕ БЕЛКОВ ПРОИСХОДИТ ПРИ: А) ВОЗНИКНОВЕНИИ ОТЕКОВ;

Б) СОКРАЩЕНИИ МЫШЦ; В) ПЕРЕВАРИВАНИИ ПИЩИ; Г) ТЕРМИЧЕСКОЙ КУЛИНАРНОЙ ОБРАБОТКЕ ПИЩИ

1) а, б, в

2) а, в, г

3) а, б, в, г

4) а, в

04. УВЕЛИЧЕНИЕ ВЯЗКОСТИ КРОВИ ПРОИСХОДИТ ПРИ: А) АТЕРОСКЛЕРОЗЕ;

Б) ВЕНОЗНЫХ ТРОМБОЗАХ; В) ПОВЫШЕНИИ КОНЦЕНТРАЦИИ БЕЛКА В ПЛАЗМЕ; Г) ОТЕКАХ; Д) СНИЖЕНИИ КОНЦЕНТРАЦИИ БЕЛКА В ПЛАЗМЕ КРОВИ

1) а, б, в

2) а, б, в, г

3) а, б, г

4) а, в, г

05. ПОЛИСТИРОЛ ЯВЛЯЕТСЯ

1) неорганическим полимером

2) олигомером

3) синтетическим полимером

4) природным полимером

06. КРАХМАЛ И ЦЕЛЛЮЛОЗА ЯВЛЯЮТСЯ

1) неорганическим полимером

2) олигомером

3) синтетическим полимером

4) природным полимером

07. В ИЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТЫ

1) обладают наибольшей устойчивостью

2) имеют наибольшую степень набухания

3) обладают наименьшей устойчивостью

4) обладают электрофоретической подвижностью

Установите соответствие

08.УРАВНЕНИЕ И ЕГО МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ВЫРАЖЕНИЕ

Уравнение	Формула
А) Галлера	1) η = КМС
Б) Штаудингера	2) π_осм = (С_ВМВ/М_ВМВ) ∙ RТ+βС²_ВМВ
В) Марка-Хаувинка	3) [η] = К ∙ М^α

Дополните высказывание

09. УВЕЛИЧЕНИЕ ОБЪЕМА И МАССЫ ПОЛИМЕРА ПРОИСХОДИТ В ПРОЦЕССЕ _____________.

10. КОЛЛИЧЕСТВЕННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ ПРОЦЕССА ОГРАНИЧЕННОГО НАБУХАНИЯ СЛУЖИТ ____________________.

11. УВЕЛИЧЕНИЕ ВЯЗКОСТИ, СВЯЗАННОЕ С ИЗМЕНЕНИЕМ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА ПРИ РАСТВОРЕНИИ ПОЛИМЕРА, ХАРАКТЕРИЗУЮТ _______________.

Контрольные задания

12. Рассчитайте среднюю молярную массу полимера, если характеристическая вязкость его равна 0,126 м³/кг, константа К = 5∙10 ^{– 5}; α = 0,67.

13. Определите молярную массу полимера по следующим данным:

Концентрация раствора, кг/м³	0,015	0,025	0,050
Приведённая вязкость раствора ВМС в бензоле	1,8	2,0	2,5

К = 4,21·10^{– 4}; α = 0,67

14. Время истечения из вискозиметра для 0,8%-го раствора полимера (С₅Н₅Сl-)_n равно 53 с, время истечения растворителя — 40 с. Рассчитайте относительную, удельную и приведённую вязкости.

Литература

1. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учеб. для вузов / Ю. А. Ершов, В.А. Попков, А.С. Берлянд и др.; Под ред. Ю.А. Ершова. – 5-е изд., стер. – М.: Высш.шк., 2005. – С. 526 – 545.

2. Общая и биоорганическая химия: учебник для студ. учрежд. высш. проф. обр./ Аверцева И.Н. и др. Под ред. В.А. Попкова, А.С. Берлянда-М.:Академия, 2010.-С.350-357.

3. Практикум по общей химии. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учеб. пособие для студентов медицинских спец. вузов / Ю.А. Ершов, А.М. Кононов, С.А. Пузаков и др.; Под ред. Ю.А. Ершова, В.А. Попкова. – М.: Высш. шк., 2008. – С. 227-231.

Биогенные элементы

Химия биогенных элементов

В начале 20 века советским академиком В.И. Вернадским на основе геохимии, биологии и биохимии была создана новая наука – биогеохимия.

Биогеохимия – наука, изучающая взаимосвязь элементарного химического состава земной коры и живых организмов, а также миграцию химических элементов и их круговорот в системе «живая материя – земля». Биогеохимияизучает химические процессы, происходящие в земной коре с участием живых организмов.

Часть земной оболочки, занятая растительными и животными организмами образует биосферу. В процессе деятельности живых организмов в биосфере образуются минералы и различные природные вещества. Известно около 90 химических элементов в составе земной коры. В составе живых организмов обнаружено около 70 химических элементов периодической системы.

Химические элементы, находящиеся в живом организме и обладающие выраженной биологической ролью – называются биогенными элементами.

Отбор биогенных элементов в процессе эволюции происходил под влиянием следующих факторов:

1. Распространенность элементов в земной коре.

2. Заряд атомного ядра. Биогенные элементы в основном легкие элементы.

3. Растворимость природных соединений данного элемента в воде.

4. Энергия гидратации иона.

5. Значения координационных чисел атомов.

В зависимости от массовой доли элемента (ω%) в организме элементы делят на следующие группы:

1) Макроэлементы с ω (х)>0,01% от массы организма - C, O, H, N, P S, Cl, Ca, Na, Mg, K, Fe.

2) Микроэлементы с ω (х) от 10^-3до 10^-5 % от массы организма – Cu, Mo, Co, Cr, F, Br, I и др.

3) Ультрамикроэлементы с ω (х) <10^-5 %от массы организма – Hg, Au, Ra и др.

Такие элементы, как C, O, H, N,P,S относятся к органогенам. Они входят в состав каждой клетки и в состав биополимеров – белков, нуклеиновых кислот, углеводов.

Эти 12 элементов составляют 99,99% массы живого субстрата и 99% живых тканей содержат только эти элементы.

10 металлов, жизненно необходимых для живого организма получили название «металлы жизни»: Ca, K, Na, Mg, Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co.

Различна биологическая роль этих групп элементов.

Макроэлементы в организме выполняют роль пластического материала, участвуют в построении тканей, поддержании осмотического давления, кислотно–основного равновесия (гомеостаза), рН среды.

Микроэлементы входят в структуру и активные центры ферментов, находятся в составе витаминов, гормонов, влияют на обмен белков, жиров, углеводов.

Биологическая роль ультрамикроэлементов изучена мало.

По расположению в периодической системе биогенные элементы относятся к s,p и d – семействам химических элементов. При этом, как правило:

S - элементы – образуют электролитную среду в крови и других биологических жидкостей(Na, Mg, K, Ca, Н);

Р - элементы – это органогены (С, S, N О);

D - элементы главным образом микроэлементы.

Установлена связь между положением химических элементов в периодической системе и их биологической ролью.

Элементы IА группы – влияют на деятельность сердечной мышцы и кровообращения.

Элементы IIА группы – оказывают влияние на процессы образования костей, действие гормона инсулина.

Элементы VА группы – участвуют в процессах окислительного распада веществ в организме.

Элементы VIА группы – способны к взаимному замещению в биологических соединениях.

Существует общее правило: в организме количественное содержание химического элемента убывает с увеличением его порядкового номера, при этом возрастает токсичность соединений элементо в.

Органы и среды человека по-разному концентрируют в себе химические элементы.

Водород и кислород – макроэлементы входят в состав Н₂О, которой в организме человека примерно 65%.

Углерод, водород, азот, фосфор, кислород – входят в состав белков примерно 80%, которых содержится в селезенке, легких, мышцах.

Углерод, водород, кислород – входят в состав углеводов, липидов, которые концентрируются в печени, сыворотки крови.

Кальций, магний и фосфор содержатся в костной ткани, твердых тканях зубов; Мо – в почках; Zn – в поджелудочной железе; I – в щитовидной железе; Sr – в костях; Mn, Cr, Br – в гипофизе; Ва – в сетчатке глаза.

Большинство микроэлементов концентрируются в печени – функциональном депо микроэлементов.

Биогенные элементы в организме находятся как в свободной ионизированной форме, так и в составе различных соединений.

Например, железо в кислой среде желудка содержится в виде свободных ионов Fe²⁺ и Fe³⁺; щелочной среде кишечника находится в виде Fe(OH)₃; в крови – в составе гемоглобина как комплексообразователь Fe²⁺с координационным числом 6.

Современная медицина широко исследует взаимосвязь между содержанием химических элементов в организме и развитием различных заболеваний. Оказалось, что особенно чутко организм реагирует на изменение концентраций микроэлементов. Так при развитии гипертонической болезни в крови и эритроцитах более, чем в 2 раза уменьшается содержание лития, при инфаркте миокарда в плазме крови снижается содержание ионов Zn²⁺.

Концентрация элемента в живом веществе прямо пропорциональна его содержанию в среде обитания с учетом растворимости соединений элемента. Согласно биогеохимической теории В.И. Вернадского существует «биогенная миграция атомов» по цепочке

воздух → почва → вода → пища → человек,

в результате которой практически все элементы, окружающие человека во внешней среде, в большей или меньшей степени проникают внутрь организма. В 1926 году академик В.И. Вернадский предложил выделить участки земной коры, отличающиеся накоплением одних элементов и обедненных другими элементами. Эти участки были названы – биохимическими провинциями. Таким образом, одни организмы попадают в условия избытка какого-либо элемента, а другие – недостатка. Это приводит к возникновению эндемических заболеваний характерных для какой-то определенной местности или региона. Например, у лиц, проживающих в областях удаленных от моря, где в воде и растениях наблюдается недостаток иода, развивается эндемическое заболевание щитовидной железы. При избытке фтора в питьевой воде возникает флюфоз – заболевание зубной эмали. Избыток свинца наблюдается на Алтае, меди – на южном Урале.

Таким образом, количественное определение содержания элементов в природных источниках, органах, тканях в норме и патологии имеет большое значение для прогнозирования, диагностики и лечения различных заболеваний.

Ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне:

Химический элемент	Суточное потребление, в мг
Взрослые	Дети
Калий	2000-5500
Натрий	1100-3300
Кальций	800-1200
Магний	300-400
Цинк
Железо	10-15
Марганец	2-5	1,3
Медь	1,5-3,0	1,0
Титан	0,85	0,06
Молибден	0,075-0,250	-
Хром	0,05-0,20	0,04
Кобальт	Около 0,2 витамин B₁₂	0,001
Хлор
РО₄^3-	800-1200
SO₄^2-		–
Йод	0,15	0,07
Селен	0,05-0, 07	–
Фтор	1,5-4,0	0, 6

Столько же химических элементов должно выводиться, поскольку их содержание в организме находится в относительном постоянстве. При недостаточном поступлении элемента в организм наносится существенный ущерб росту и развитию организма. Это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит элемент. При повышении дозы этого элемента ответная реакция организма возрастает и достигает нормы. Постоянство содержания необходимых элементов вероятнее всего определяется эффективными механизмами гомеостаза. Предположения ученых идут еще дальше. В живом организме не только присутствуют все элементы, но каждый из них выполняет какую-то функцию. Современное состояние знаний о биологической роли элементов можно характеризовать как поверхностное прикосновение к этой проблеме. Накоплено много фактических данных по содержанию элементов в различных компонентах биосферы, ответные реакции организма на их недостаток и избыток. Составлены карты биогеохимического районирования и биогеохимических провинций. Но нет общей теории рассматривающей функции, механизм воздействия и роль микроэлементов в биосфере.

Контрольные вопросы

1. Биогеохимия.

2. Биогенные элементы, их классификация, роль в организме. Органогены.

3. Факторы отбора биогенных элементов в процессе эволюции. Связь между положением химических элементов в периодической системе и их биологической ролью.

4. Топография микроэлементов. Формы нахождения биогенных элементов в организме.

5. Биогеохимические провинции. Эндемические заболевания.

Типовые задачи

Задача 1. Кровь состоит из жидкой части (плазмы) и взвешенных в ней кровяных клеток (эритроцитов, лейкоцитов, и кровяных пластинок - тромбоцитов). Клинический анализ показывает, что в 100 см³ крови содержится 180 мг калия и 6,5 мг кальция в ионной форме. Сколько ионов калия и кальция содержится в крови взрослого человека, если усредненный ее объем составляет 5 дм³?

Дано:	Решение:
V_крови = 100 см³	1. n(X) = m(X) / M(X) – в 100 см³ крови, а в 5 дм³ = 5000 см³
m (К⁺) = 180 мг = 0,180 г	n(X) = 50·m(X) / M(X)
m (Са²⁺) = 6,5 мг = 0,0065 г
_V_общ.кр. = 5 дм³	n(К⁺) = 50·0,180 / 39 = 0,23 моль
N (К⁺) =?	n(Са²⁺) = 50·0,0065 / 40 = 0,008 моль
N (Са²⁺) =?
	2. Постоянная Авогадро N_A = 6, 0221367·10²³ ед·моль^{— 1}
	N (Х)= n(X) · N_A
	N(К⁺) = n(К⁺)· N_A N(К⁺) = 0,23 · 6, 02·10²³= 1,38·10²³ N(Са²⁺) = n(Са²⁺)· N_A N(Са²⁺) = 0,008· 6, 02·10²³= 4,8·10²¹
Ответ: N(К⁺) = 1,38·10²³; N(Са²⁺)= 4,8·10²¹.

Задача 2. Из неорганических веществ плазмы большое значение имеют ионы натрия, кальция, калия, магния, хлора и др. Например, ионы кальция необходимы для свертывания крови, ионы магния – для углеводного обмена. В плазме крови соотношение числа моль ионов Na⁺, К⁺ и Са²⁺ строго постоянно и составляет 25: 1: 0,5. Сколько моль этих ионов содержится в крови здорового человека, если масса ионов натрия в ней составляет 10 г? (Ответ: Натрия 0,435 моль, Калия 0,0174 моль, Кальция 0,0087 моль)

Дано:	Решение:
m (Na⁺)= 10 г	1. n(Na⁺) = m(Na⁺) / M(Na⁺)
n (Na⁺): n (К⁺): n (Са²⁺) =25: 1: 0,5	n(Na⁺) = 10/23 = 0,435 моль
n (Na⁺) =? n(К⁺) =? n(Са²⁺) =?	2. n(Na⁺): n(К⁺) = 25: 1
n(К⁺) = n(Na⁺)/25 = 0,435/25 = 0,0174 моль
3. n (Na⁺): n (Са²⁺) = 25: 0,5
n (Са²⁺) = n (Na⁺) · 0,5/25 = 0,435· 0,5/25 = 0,0087 моль
Ответ: n(Na⁺) = 0,435 моль; n(К⁺) = 0,0174 моль; n (Са²⁺) = 0,0087 моль.

Тестовые задания

Выберите правильный вариант ответа

01. ЭЛЕМЕНТЫ, СОДЕРЖАНИЕ КОТОРЫХ В ОРГАНИЗМЕ 10^–3– 10^–5 %, ЭТО

1) макроэлементы

2) микроэлементы

3) ультрамикроэлементы

4) условнобиогенные

02. ЭЛЕМЕНТЫ ОРГАНОГЕННЫ

1) С, О, Н, S, Mg, Са

2) О, Н, Fe, S; Р; N

3) С, Н, Р, Na, Mg

4) О, Н, С, S, Р, N

03. ВЫБЕРИТЕ РЯД МИКРОЭЛЕМЕНТОВ

1) Mo, Sr, Co, Cu

2) Mg, I, As, Cu

3) F, Br, Sr, Na

4) Cl, Br, I, At

04. СОДЕРЖАНИЕ ВОДЫ В ОРГАНИЗМЕ ВЗРОСЛОГО ЧЕЛОВЕКА

1) 65-67%

2)74-76%

3) 80-85%

4) 55-60%

05. ОСНОВНАЯ РОЛЬ ИОНОВ КАЛИЯ И НАТРИЯ В ОРГАНИЗМЕ

1) входят в состав костной ткани

2) электролитные компоненты клеточной и внеклеточной жидкости

3) входят в состав коферментов

4) главные комплексообразователи с биолигандами

06. КОНЦЕНТРАЦИЯ ИОНОВ КАЛИЯ БОЛЬШЕ

1) в клетке

2) во внеклеточной жидкости

3) одинакова в клетке и во внеклеточной жидкости

07. ВЫБЕРИТЕ РЯД УЛЬТРАМИКРОЭЛЕМЕНТОВ

1) I, Hg, As, Cu

2) Hg, Au, As, Ra

3) Br, Sr, Со, F

4) F, CI, Br, I

08. ИОНЫ К⁺ НЕОБХОДИМЫ ДЛЯ: А) СОКРАЩЕНИЯ СЕРДЕЧНОЙ МЫШЦЫ; Б) ПРОВЕДЕНИЯ НЕРВНЫХ ИМПУЛЬСОВ; В) АКТИВАЦИИ ВНУТРИКЛЕТОЧНЫХ ФЕРМЕНТОВ; Г) ВОЗНИКНОВЕНИЯ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА

1) а, б, в

2) а, б, в, г

3) б, в

4) а, г

09. КОНЦЕНТРАЦИЯ ИОНОВ НАТРИЯ БОЛЬШЕ

1) в клетке

2) одинакова в клетке и во внеклеточной жидкости

3) во внеклеточной жидкости

10. СОДЕРЖАНИЕ Bе В ОРГАНИЗМЕ 10^-7 %, СЛЕДОВАТЕЛЬНО, ОН ЯВЛЯЕТСЯ

1) макроэлементом

2) микроэлементом

3) примесным элементом

4) ультрамикроэлементом

Дополните высказывание

11. В.И. ВЕРНАДСКИЙ ЯВЛЯЕТСЯ ОСНОВОПОЛОЖНИКОМ НАУКИ ___________.

12. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, НАХОДЯЩИЕСЯ В ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕ И ОБЛАДАЮЩИЕ ВЫРАЖЕННОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РОЛЬЮ НАЗЫВАЮТСЯ ______________.

Темы рефератов

1. S-элементы – металлы жизни. Натрий и калий, их биологическая роль, применение соединений в медицине.

2. Р-элементы V-А группы. Азот и фосфор их биологическая роль. Круговорот азота и фосфора в природе Соединения мышьяка, сурьмы и висмута.

3. Вода как важнейшее соединение водорода, ее физические и химические свойства. Аквакомплексы и кристаллогидраты. Дистиллированная и апирогенная вода, их получение и применения в фармации. Природные и минеральные воды.

4. Химические свойства кислородных соединений марганца. Биологическая роль соединений марганца. Их применения в медицине.

5. Соединения железа (II) и (III), их реакционная способность. Способность к комплексообразованию. Гемоглобин и железосодержащие ферменты.

6. Хром, его соединения с органическими структурами, их биологическая роль.

7. Цинк и его соединения с органическими структурами, их биологическая роль, препараты цинка.

8. Элементный состав патогенных биоминералов почечных и желчных камней.

9. Селен. Его биологическая роль. Селеновый статус Омской области.

10. Экологическое состояние водных объектов Омской области.

Литература

1. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учеб. для вузов /

Ю. А. Ершов, В.А. Попков, А.С. Берлянд и др.; Под ред. Ю.А. Ершова. – 5-е изд., стер. – М.: Высш.шк., 2005. – С. 204 – 222; 223 – 383.

2. Общая и биоорганическая химия: учебник для студ. учрежд. высш. проф. обр./ Аверцева И.Н. и др. Под ред. В.А. Попкова, А.С. Берлянда-М.:Академия,2010.-С.32-75.

⇐ Предыдущая 10 11 12 13 141516 17 18 19 Следующая ⇒

Воспользуйтесь поиском по сайту: