Растворимость углекислого газа в воде и другие вопросы
Уважаемый Олег Мосин! Прочитал Вашу статью «Вода без воздуха (газов)» в www.o8ode.ru/article/answer/voda_bez_vozduha_gazov.htm. Разрешите задать Вам вопрос лично. Я биолог с некоторым знанием основ химии. Вопрос касается растворимости углекислого газа в воде. Сущности этого процесса. Часть растворенного газа взаимодействует с водой с образование угольной кислоты, которая диссоциирует на гидрокарбонат и ионы водорода. Зная константу диссоциации, содержание растворенного диоксида углерода, мы можем рассчитать показатель кислотности и содержание самой угольной кислоты – оно ничтожно.
Вопрос: что удерживает остальную часть диоксида углерода в воде, ведь он не находится газовой фазе, иначе бы сразу улетучился? Нигде не могу найти ответа на этот вопрос: что удерживает собственно диоксид в воде? Может он образует с молекулами воды водородные связи? Поскольку водородные связи могут образовываться между атомом водорода, связанным с атомом электроотрицательного элемента, и электроотрицательным элементом, имеющим свободную пару электронов (О,F,N)?
И еще один вопрос. При рН=3 реакция диссоциации смещается влево, угольная кислота разлагается на углекислый газ и воду. А растворенный диоксид? Все эти вопросы связаны с процессом дыхания у насекомых и взрывообразным выделением углекислого газа из жидкости трахеол. С этими вопросами напрямую связано действие карбоангидразы катализирующей процесс связывания диоксида с водой и образования гидрокарбоната. Но мне не известно, чтобы одна из многочисленных изоформ карбоангидразы катализировала обратный процесс. В случае с карбогемоглобином все ясно – эффект Бора. Но гидрокарбонат поступающий в альвеолы из плазмы крови, что индуцирует процесс связывания с протоном? Какова кинетика этого процесса?
Буду очень Вам признателен, если Вы внесете ясность в эти вопросы или уточните направление поиска ответов.
С уважением, Владимир.
Вообще, насколько я знаю, растворимость углекислого газа в воде выше для всех газов, она примерно в 70 раз выше растворимости кислорода и в 150 раз выше растворимости азота при коэффициенте адсорбции углекислого газа водой 12.8, что соответствует растворимости 87 мл газа в 100 мг воды. Конечное, можно было бы предположить, например, что СО2 каким-то образом встраивается внутрь замкнутых кластеров воды и удерживается в них, как это имеет место в ….. Но вряд ли такой процесс может иметь место. Растворимость газов в воде различна и зависит как от внешних факторов — температуры и давления, так и от природы самого газа и его способности вступать в химическую реакцию с водой (как это происходит в случае с углекислым газом, который растворяется в воде за счёт химической реакции с образованием угольной кислоты, в свою очередь диссоциирующей на ионы Н + и НСО — 3). Но с другой стороны только 1% СО2, находящегося в водном растворе, присутствует в нём в виде Н2СО3. На это несоответствие обратили внимание многие исследователи. Поэтому для удобства расчётов химических уравнений, рКа и рН принято считать, что весь СО2 реагирует с водой.
С точки зрения химической кинетики процесс растворения углекислого газа в воде достаточно сложен. Когда СО2 растворяется в воде, то устанавливается равновесие между угольной кислотой Н2СО3, бикарбонатом НСО3 — и карбонатом СО3 — .
Расчёт константы ионизации в данном случае проводится по нижеследующей схеме:
Константа первой стадии ионизации равна рКа1 = 4,4 x 10 -7 ,
Константа второй стадии ионизации равна рКа2= 5,6 x 10 -11 ,
Поскольку в растворе угольной кислоты обе стадии ионизации находятся в состоянии равновесия, можно скомбенировать первую и вторую константы ионизации рКа1 и рКа2, умножив их:
рКа1 x pКа2 = 4,4 x 10 -7 x 5,6 x 10 -11 = 2,46 x10 -17
Баланс между углекислым газом, бикарбонатом и карбонатом зависит от pH: здесь действует принцип Ле Шателье — наличие в растворе ионов водорода сдвигает щелочную реакцию среды и кислую сторону (рН до 5,5). И наоборот удаление протонов из системы смещает равновесие реакции влево, когда углекислый газ восполняется из карбоната и бикарбоната. Таким образом, при низком значении pH, в системе преобладает углекислый газ, и фактически ни бикарбоната, ни карбоната не образуется, тогда как при нейтральном значении pH, бикарбонат доминирует над СО2 и Н2CO3. И только при высоком pH, преобладает карбонат.
Карбоангидраза катализирует процесс гидратации СО2 и дегидратации СО2 (примерно в 100 раз).
Насчёт эффекта Бора, там если я не ошибаюсь, иной механизм — уменьшение значения рН вызывает уменьшение связывания кислорода с гемоглобином, в результате чего происходит выделение кислорода. Насколько я помню из институтского курса биохимии эффект Бора объясняется тем, что в молекуле гемоглобина имеются сайты связывания протонов в виде остатков гистидина и аспарагиновой кислоты. Как там всё происходит я точно не сказать не могу, но главная суть заключается в способности этих аминокислотных остатков взаимодействовать друг с другом в виде оксии дезокси-формы. В дезокси-форме остаток аспарагиновой кислоты способен формировать связь между протонированным остатком гистидина. Этот остаток гистидина имеет высокое значение pKa, поскольку связь гистидина с остатком аспарагиновой кислоты удерживает протон от диссоциации. Но в виде окси-форме образование такой связи невозможно и поэтому значение pKa для окси-формы гистидина возвращается к нормальному значению pKa. Поэтому, при рН крови 7,4 гистидин существует в оксигемоглобине в непротонированном виде. Высокие концентрации протонов способствуют образованию деокси-формы гистидина и как следствие этого освобождению кислорода. Освобождение СО2 в свою очередь уменьшает сродство гемоглобина с кислородом двумя путями. Во-первых, некоторое количество СО2 превращается в бикарбонат, освобождая протоны, ответственные за эффект Бора. Другая часть этого бикарбоната высвобождается эритроцитами, оставшаяся же часть бикарбоната взаимодействует непосредственно с гемоглобином, связываясь с N-группой аминокислотного остатка и формируя эфир неустойчивой карбаминовой кислоты уретан. В этом процессе снова происходит освобождение протонов, что в свою очередь приводит к высвобождению О2 и связыванию СО2. Таким образом происходит цикл дыхания.
Да сложный процесс. Я думал с раствлрением образуется определенная концентрация углльной кислоты. И подливая газировку можно удобрять со2 растения. Спасибо за подробный курс биохими!
Здравствуйте. Как я понял если вода жесткая то в ней меньше растворится газа? И если не трудно объясните пожалуйста почему одно пиво выдыхается быстро а другое при одних и тех же условиях, давление ,температура долго сохраняет газ?
Всё что господин ученый описал поясняется гораздо проще и быстрее.
Из заметки ученого следует, что при удалении протонов понижается ПШ. Это только рождает новые вопросы.
Источник
Что такое CO2
Что такое CO2
Что такое диоксид углерода
Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.
Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.
А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.
Свойства углекислого газа
Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.
Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).
Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.
CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.
Углекислый газ в природе: естественные источники
Углекислый газ в природе образуется из различных источников:
- Дыхание животных и растений.
Каждому школьнику известно, что растения поглощают углекислый газ CO2 из воздуха и используют его в процессах фотосинтеза. Некоторые хозяйки пытаются обилием комнатных растений искупить недостатки приточной вентиляции. Однако растения не только поглощают, но и выделяют углекислый газ в отсутствие света – это часть процесса дыхания. Поэтому джунгли в плохо проветриваемой спальне – не очень хорошая идея: ночью уровень CO2 будет расти еще больше. - Вулканическая деятельность.
Диоксид углерода входит в состав вулканических газов. В местностях с высокой вулканической активностью CO2 может выделяться прямо из земли – из трещин и разломов, называемых мофетами. Концентрация углекислого газа в долинах с мофетами столь высока, что многие мелкие животные, попав туда, умирают. - Разложение органических веществ.
Углекислый газ образуется при горении и гниении органики. Объемные природные выбросы диоксида углерода сопутствуют лесным пожарам.
Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.
Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.
Искусственные источники углекислого газа
Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:
- промышленные выбросы, связанные с процессами сгорания;
- автомобильный транспорт.
Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.
Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.
Углекислый газ в организме человека
CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.
Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.
Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.
Углекислый газ и мы: чем опасен СO2
Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.
Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед гипоксии – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.
Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.
Согласно выводам некоторых исследований, уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически снижается работоспособность, мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.
И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш эксперимент в школе показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.
Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.
Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от окислительного стресса, который разрушает клетки нашего организма.
Источник
