Водород и его соединения

Водород – s -элемент, в природных соединениях проявляет степень окисления +1, с элементами-органогенами образует только ковалентные связи. Ион Н⁺– это протон, размеры которого в 10⁴ раз меньше размера атома, поэтому положительно поляризованный атом водорода обладает сильным поляризующим действием. Н⁺– активный комплексообразователь, носитель кислотных свойств, атомы Н сильнополярных связей О-Н, N-Н образуют водородные связи.

 

Французский химик А. Лавуазье установил, что «горючий воздух», выделяющийся при взаимодействии кислот и металлов, входит в состав воды и может быть из нее получен. В 1787 Лавуазье пришел к выводу, что «горючий воздух» представляет собой простое вещество, и, следовательно, относится к числу химических элементов. Он дал ему название hydrogene (от греческого hydor — вода и gennao — рождаю) — «рождающий воду».

 

Изотопный состав: Н – протий (99,985%), Н – дейтерий (0,015%), Н – тритий (радиоактивен).

В ПСЭ водород занимает протяженную клетку над элементами II периода (исключая неон), т.к. имеет сходство, как со щелочными металлами, так и с галогенами. Водород в силу своего строения проявляет окислительно-восстановительную двойственность:

Н₂ + галогены водородогалогены,

(Н₂ – восстановитель (Н -2 е = 2Н⁺¹).

Н₂ + шелочные, щелочноземельные металлы гидриды (NaH, CaH₂),

(Н₂ – окислитель (Н + 2 е = 2Н^–).

Молекула водорода представляет собой пример простейшей молекулы, состоящей их двух атомов, связанных ковалентной связью. Вследствие большой прочности и высокой энергии диссоциации, равной
436 кДж/моль, распад молекул водорода на атомы происходит в заметной степени лишь при t ° = 2500^оС, поэтому реакционная способность водорода низкая. Практически все протекающие с его участием реакции требуют наличия катализатора и высокой температуры. Молекулярный водород – самый легкий газ, без вкуса и запаха.

В организме содержание водорода составляет 9,7%. Водород связан полярной ковалентной связью с другими биогенными элементами или присутствует в виде свободного Н⁺.

С точки зрения химической термодинамики водород в живых системах, содержащих воду, не может образовывать молекулярный водород или гидрид-ионы. Молекулярный водород при обычных условиях летуч и малоактивен, поэтому в обмене веществ не участвует. Гидрид-ион, наоборот, чрезвычайно активен, немедленно реагирует с водой, образуя молекулярный водород. Среди всех органогенов у водорода наименьшая относительная электроотрицательность (ОЭО = 2,1), поэтому в природных соединениях он всегда проявляет степень окисления +1. Окислительная способность катионов водорода в живых системах в нейтральной среде сильно понижена (j°= –0,42В), поэтому в организме он не проявляет окислительных свойств, но участвует во многих окислительно- восстановительных процессах, не меняя свою степень окисления, например:

 

 

пируват лактат

 

НАД⁺ + 2 е + 2Н⁺ ¾® НАД(Н) + Н⁺ (НАД, НАДФ – коферменты дегидрогеназ)

 

В организме водород входит в состав углеводов, белков, нуклеиновых кислот и др., образуя химические связи с углеродом, азотом, кислородом и серой.

По степени полярности ковалентные связи водорода с атомами элементов-органогенов располагаются в следующий ряд:

Н–С < Н–S < H–N < H–O

Увеличение полярности связи

 

Кислотные свойства природных соединений определяются полярностью этих связей и их поляризуемостью. Так, с учетом высокой поляризуемости связи S–H, способность к диссоциации наибольшая у S–H, наименьшая у С–Н.

Связи с углеродом и серой мало полярны, обусловливают образование гидрофобных участков в молекулах белков и липидов. Окисление связей С–Н является главным источником энергии живых организмов.

Связи водорода с кислородом и азотом сильно полярны и наиболее активны. Водород в виде протона быстро переходит от одних ионов и молекул к другим, образует водородные связи. Благодаря особенностям своего строения водород образует водородные связи, как в воде, так и в растворенных в ней веществах – сахарах, белках, нуклеиновых кислотах и т.п. Водородные связи между комплементарными парами азотистых оснований обеспечивают вторичную структуру ДНК и репликацию матричных РНК.

Концентрация ионов водорода (рН = –lg a (H⁺)) в водной среде определяет ее кислотность и оказывает влияние на состояние белков, в частности, ферментов. рН крови величина постоянная, равная 7,36–7,42, является важным диагностическим тестом. Большинство биологических жидкостей организма имеют рН в пределах 5,0–7,5, только желудочный сок имеет очень кислую среду, (рН = 0,9–1,5). Содержащиеся в желудочном соке катионы гидроксония Н₃О⁺ проявляют противомикробное действие, убивая занесенные в желудок с пищей микроорганизмы, а также катализируют переход неактивного пепсиногена в активный фермент пепсин. В кислой среде желудочного сока большинство белков денатурируются, что облегчает их гидролиз пепсином.

Основное количество атомов водорода заключено в воде, на долю которой приходится» 90% массы живой клетки. Все химические процессы в организме проходят в водной среде. Организм человека весом 70 кг, содержит» 45 л воды.

…Водород растворяется в воде очень слабо — около 0,02 объёма на объём воды, зато в одном объёме палладия растворяется до 850 объёмов водорода!

…При сгорании водорода в чистом кислороде развивается температура до 2800°C – такое пламя легко плавит кварц и большинство металлов. Но с помощью водорода можно достичь и более высокой температуры, если использовать его не как источник, а как переносчик и концентратор энергии.

…Водород как элемент доминирует во Вселенной. На его долю приходится около половины массы Солнца и других звезд, он присутствует в атмосфере ряда планет.

Вода

Вода – важнейшее соединение водорода.

Вода – вещество без вкуса, цвета и запаха. При атмосферном давлении 101,3 кПа температура кипения её равна 373,15 К, а температура замерзания – 273,15 К.

За счет двух неподеленных электронных пар на атоме кислорода и за счет двух атомов водорода молекула воды может образовывать водородные связи с четырьмя окружающими её молекулами воды (рис.3).

 

 

Тип гибридизации атомных орбиталей кислорода в молекуле Н₂О – sp ³, причем две орбитали заняты неподеленными электронными парами.

Строение молекулы воды угловое, она представляет собой диполь с валентным углом 104,3^о.

 

 

Рис. 3. Схема объединения молекул воды

 

 

Содержание воды в организме от массы человека: эмбрион (97%), новорожденный (77%), взрослые (18-55 лет) – у женщин в среднем 54%, у мужчин – 61%.

 

Потребность в воде взрослого человека составляет 35 г в день на 1 кг массы тела, а грудного ребенка – в 3-4 раза больше. Гибель организма наступает при потере 20% воды.

Функции воды:

· Универсальный растворитель органических и неорганических веществ

· Среда, в которой протекают реакции, осуществляется транспорт и обмен веществ

· Активный участник процессов жизнедеятельности

· Определяет физико-химическое состояние коллоидных систем

· Участвует в процессах терморегуляции

Благодаря своим уникальным свойствам вода является средой, растворителем и метаболитом (табл. 2).

В настоящее время установлено, что при растворении любых веществ изменяются структурно-информационные свойства самой воды, что существенным образом влияет на биологические и физиологические функции биосубстратов.

Таблица 2