Ключевым моментом научного раскрытия жизнеобразующей функции воды является изучение ее роли в химических и более сложных биохимических процессах, составляющих основу жизни. В связи с этим возникает важная и ответственная задача изучения физико-химического механизма, определяющего ранее неизвестное фундаментальное качество воды — ее каталитические свойства. Такой подход впервые научно объясняет разнообразные чудесные влияния разных вод на жизненные процессы. Но что такое каталитические свойства воды, и почему они до сих пор не привлекали пристального внимания исследователей? Традиционно вода считалась всего лишь пассивной средой (чистой либо чем-то загрязненной), в которой варится «бульон жизни». Известно, что вода окружает макромолекулы и биологические ткани и формирует их пространственную структуру, за счет своей высокой полярности она вызывает диссоциацию на ионы растворенных в ней солей, вода растворяет многие органические соединения. В отношении же протекающих в ней биохимических реакций вода продолжает рассматриваться в качестве обычного растворителя, подобно многим другим органическим растворителям, которые в определенных случаях могут включаться в химические реакции как простые реагенты, но не как катализаторы, ускоряющие биохимические процессы.
Мы выдвигаем новое положение, согласно которому вода — активный участник, катализатор (ускоритель) биохимических процессов, причем каталитическая функция воды имеет действительно фундаментальный характер и принципиальным образом раскрывает роль воды в формировании биогеосферы нашей планеты на всех этапах ее развития. Явление катализа в химии широко известно, оно заключается в способности определенных соединений — катализаторов (ферментов — в живых организмах) — резко снижать энергетические барьеры и увеличивать скорости химических и биохимических реакций. Природой созданы удивительные соединения — ферменты, которые обеспечивают гигантское ускорение биохимических реакций — до 10 11 раз! Можно с уверенностью говорить о том, что не будь ферментов — не было бы и жизни в современной высокоорганизованной форме. Однако явление катализа оставалось малоизученным на уровне фундаментальных физико-химических процессов.
Катализ в водных системах является, как мы уже отмечали, частным случаем разработанной нами новой общей теории катализа. Эта теория, объясняющая механизмы каталитических реакций, в том числе и ферментативных биохимических реакций в воде, впервые рассматривает последовательный перенос двух элементарных частиц — электрона и протона [1].
В традиционной, общепринятой теории кислотно-основного катализа основополагающим элементарным процессом считается перенос протона [2]. Эти воззрения восходят к первым работам Ж. Н. Бренстеда (J. N. Bronsted) и К. Педерсена [3, 4], в которых установлен каталитический закон в виде простых выражений для кислоты:
и основания
где , — константы скорости реакции, — константа диссоциации кислоты, , —константы; индексы и относятся к кислоте, и — к основанию.
Уравнения (3.1а) и (3.16) обычно представляют в линейной логарифмической форме:
(3.2а)
Линейные зависимости (3.2а) и (3.26) получены для ряда систем и большого числа кислот и оснований, но эти зависимости не являются универсальными. В работах Р.П.Белла [5, 6], по-видимому, впервые было выдвинуто положение, согласно которому в основе кислотно-основного катализа лежит перенос протона, причем широко распространено мнение, что «разрыв ковалентной связи происходит намного легче, если одна из участвующих в реакции молекул находится в протонированном состоянии» [2]. В рамках общего кислотно-основного катализа трактуется и биологический ферментативный катализ, чрезвычайно высокая эффективность которого объясняется большой концентрацией кислот и оснований в активном центре фермента и правильной ориентацией реагирующих групп [2].
Принципиально иной подход к механизму кислотно-основного катализа развит в наших работах [1, 7—11], где показано, что в основе каталитической, как и всякой другой химической реакции, лежит перенос (возбуждение) электрона, а перенос протона или водородная связь облегчают, катализируют перенос электрона. Мы полагаем, что перенос протона, или протонирование молекулы, сам по себе не вызывает разрыва химической связи, а действительный разрыв связи наступает только в результате последующего переноса (возбуждения) электрона, приводящего к образованию химически активных радикальных частиц. Перенос протона (или водородная связь) и перенос электрона в электронновозбужденном состоянии совместно определяют фундаментальный электронно-протонный эффект, суть которого заключается в огромном снижении энергии электронновозбужденных состояний молекулярных комплексов (ассоциатов) вплоть до термических значений в результате взаимосвязи движений (переносов) электрона и протона.
Подробнее об этом читайте в моих книгах, в частности, в книге «Вода — родник жизни».
Источник
Вода в нашей жизни
Продолжение. Начало см. в № 3, 4, 5/2009
§ 3. ОБРАЗОВАНИЕ КРИСТАЛЛОГИДРАТОВ. КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ
Цель. Познакомить учащихся со строением кристаллогидратов, с каталитическими свойствами воды, отметить их практическое значение.
Форма занятия. Рассказ, индивидуальная, групповая работа, демонстрационный эксперимент, домашний эксперимент.
Оборудование и реактивы. Пробирки, спиртовка; образцы кристаллогидратов (сульфата меди(II), алюмокалиевых квасцов, хлорида кобальта(II)), порошки алюминия, магния, цинка, кристаллический йод.
Кристаллогидраты.
Вода – катализатор.
Химический эксперимент и анализ его результатов.
Учитель. Многие вещества выделяются из водных растворов в виде кристаллов, содержащих так называемую кристаллизационную воду, причем на каждую формульную единицу растворенного вещества приходится определенное число молекул воды. Предположение о существовании водных гидратов высказал Д.И.Менделеев в 1887 г. в разработанной им гидратной (химической) теории растворов.
Гидраты – это, как правило, нестойкие соединения, во многих случаях разлагающиеся уже при выпаривании растворов. Однако некоторые из них настолько прочны, что при выделении растворенного вещества из раствора вода входит в состав кристаллов (схема 1).
Что представляет собой и как образуется кристаллическое вещество синего цвета?
При растворении в воде сульфата меди(II) происходит его диссоциация на ионы. Образующиеся ионы взаимодействуют с молекулами воды. При выпаривании раствора образуется кристаллогидрат сульфата меди(II) – СuSO4•5Н2О (схема 2).
После объяснения теоретического материала учителем его ассистент – ученик у демонстрационного стола подтверждает сказанное несложным экспериментом по растворению безводного сульфата меди(II) и выпариванием раствора. Прокаленный сульфат меди(II) лаборанту следует заранее приготовить и поместить в герметичную склянку.
Очень эффектно выглядят кристаллы медного купороса, выращенные на шелковой нитке. К ней привязывается маленький кристаллик – затравка, далее нить помещается на 2–3 недели в пересыщенный раствор медного купороса. Если взять шерстяную нитку, то появится целое ожерелье кристаллов, но их форма будет далека от идеальной, т.к. каждый волосок нити послужит центром кристаллизации.
Опыт по выращиванию кристаллов медного купороса и алюмокалиевых квасцов поручается школьникам за две недели до занятия. Они оформляют коллекцию полученных кристаллов и демонстрируют ее в классе.
Учитель. Эти красивые вещества, в кристаллы которых входят молекулы воды, называютсякристаллогидратами, а содержащаяся в них вода –кристаллизационной. Она может испаряться при нагревании или при длительном солнечном освещении. По этой причине выращенные кристаллогидраты следует покрыть бесцветным лаком, например маникюрным или мебельным. Хороший эффект достигается при распылении лака для волос из баллончика.
Состав кристаллогидратов принято изображать формулами, показывающими, какое количество кристаллизационной воды содержит кристаллогидрат на одну формульную единицу соли. Например:
MgSO4 • 7H2O – горькая (английская) соль.
Прочность связи между веществом и кристаллизационной водой в кристаллогидратах различна. Так, прозрачные кристаллы соды (Na2CO3 • 10H2O) легко выветриваются, теряя кристаллизационную воду при обычной температуре. Они становятся тусклыми и постепенно рассыпаются в порошок. Для обезвоживания других кристаллогидратов требуется довольно сильное нагревание.
Ученикам несложно подсчитать, сколько денег будет затрачено на покупку воды, которая входит в состав одной упаковки кристаллической соды. (Массовая доля воды в кристаллической соде более 60 %.)
Некоторые прокаленные соли, присоединяя воду, изменяют цвет, а при выпаривании избытка воды образуют окрашенные кристаллогидраты. Такие соли используются в химии как своеобразные индикаторы на присутствие паров воды в газовых смесях, например в воздухе.
Внесите в сухую термостойкую пробирку на кончике лопаточки кристаллогидрат хлорида кобальта(II), закрепите ее в лапке штатива и нагревайте в пламени спиртовки, наблюдая за изменением цвета кристаллов. Затем охладите пробирку – оставьте ее в открытом виде на столе, через некоторое время цвет кристаллов станет прежним.
Ученики записывают в тетради соответствующие уравнения реакций, учитывая, что конечный продукт является тетрагидратом.
Учитель. В настоящее время накоплено очень много экспериментальных фактов, доказывающих, что вода достаточно активно влияет на физические свойства многих веществ. Выступая в роли катализатора, она увеличивает скорость ряда химических реакций. Природные химические превращения, как правило, осуществляются в присутствии некоторого количества воды, которая есть в атмосфере.
Исследования показали, что даже тщательно высушенные вещества содержат ничтожно малое количество влаги, которое может существенно отразиться на их свойствах. Получение абсолютно сухих веществ является непростой задачей. Специальными опытами было установлено, что после высушивания брома в течение 9 лет температура его кипения оказалась на 59 °С выше той, которая указана в справочниках, а температура кипения ртути, высушенной в тех же условиях, повысилась почти на 100 °С. Установлено также, чтопосле длительного высушивания реагентов:гремучий газ не взрывается при высокой температуре, оксид углерода(II) не горит в кислороде, безводная серная кислота не взаимодействует со щелочными металлами, а последние, в свою очередь, не реагируют с хлором.
В хорошо высушенном кислороде натрий и калий не горят, а уголь, сера и фосфор начинают воспламеняться при более высокой температуре по сравнению с их горением в неосушенном воздухе. Данные факты указывают на то, что влага, содержащаяся в воздухе, играет роль катализатора.
Демонстрационный эксперимент «Взаимодействие алюминия с йодом, катализируемое водой»
Смешать 0,2 г алюминиевой пудры с 2 г йода, измельченного в ступке до порошкообразного состояния. На дно стеклянной банки емкостью 0,5 л высыпается смесь в виде небольшой горки, в ее вершине нужно сделать углубление, используя обычную пробирку. Банку следует закрыть полиэтиленовой крышкой с отверстием, в которое вставляется пипетка с водой.
Для проведения опыта выдавите несколько капель воды из пипетки и наблюдайте энергичную реакцию йода с алюминием. Поскольку она идет с выделением тепла, часть йода в виде красивых красно-фиолетовых паров испаряется, что хорошо видно на фоне белого экрана.
П р и м е ч а н и е. Вместо алюминия можно использовать порошок магния (0,3 г магния и 2,5 г йода) или цинка (0,6 г цинковой пыли и 2,5 г йода). Следует также учесть, что если порошковый алюминий и цинк хранились достаточно долго, на их крупинках образовалась гидроксидная пленка и опыт может не получиться. В этом случае рекомендуется заново растереть данные порошки в ступке.
Источник
Расщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано
Если найти дешёвый и простой способ электролиза/фотолиза воды, то мы получим невероятно богатый и чистый источник энергии — водородное топливо. Сгорая в кислороде, водород не образует никаких побочных выделений, кроме воды. Теоретически, электролиз — очень простой процесс: достаточно пропустить электрический ток через воду, и она разделяется на водород и кислород. Но сейчас все разработанные техпроцессы требуют такого большого количества энергии, что электролиз становится невыгодным.
Теперь учёные решили часть головоломки. Исследователи из Технион-Израильского технологического института разработали метод проведения второго из двух шагов окислительно-восстановительной реакции — восстановления — в видимом (солнечном) свете с энергетической эффективностью 100%, значительно превзойдя предыдущий рекорд 58,5%.
Осталось усовершенствовать полуреакцию окисления.
Столь высокой эффективности удалось добиться благодаря тому, что в процессе используется только энергия света. Катализаторами (фотокатализаторами) выступают наностержни длиной 50 нм. Они абсорбируют фотоны от источника освещения — и выдают электроны.
В полуреакции окисления производятся четыре отдельных атома водорода и молекула О2 (которая не нужна). В полуреакции восстановления четыре атома водорода спариваются в две молекулы H2, производя полезную форму водорода — газ H2,
Эффективность 100% означает, что все фотоны, поступившие в систему, участвуют в генерации электронов.
На такой эффективности каждый наностержень генерирует около 100 молекул H2 в секунду.
Сейчас учёные работают над оптимизацией техпроцесса, который пока что требует щелочной среды с невероятно высоким pH. Такой уровень никак не приемлем для реальных условий эксплуатации.
К тому же, наностержни подвержены коррозии, что тоже не слишком хорошо.
Тем не менее, сегодня человечество стало на шажок ближе к получению неиссякаемого источника чистой энергии в виде водородного топлива.
Научная работа опубликована в журнале Nano Letters (зеркало).
