Растворимость углекислого газа в воде и другие вопросы
Растворимость углекислого газа в воде и другие вопросы
Почетаемый Олег Мосин! Прочел 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 неким познанием основ химии. Вопрос касается растворимости углекислого газа в воде. Сути этого процесса. Часть растворенного газа ведет взаимодействие с водой с образование угольной кислоты, которая диссоциирует на гидрокарбонат и ионы водорода. Зная константу диссоциации, содержание растворенного диоксида углерода, мы можем высчитать показатель кислотности и содержание самой угольной кислоты – оно ничтожно.
Вопрос: что держит остальную часть диоксида углерода в воде, ведь он не находится газовой фазе, по другому бы сходу испарился? Нигде не могу отыскать ответа на этот вопрос: что держит фактически диоксид в воде? Может он образует с молекулами воды водородные связи? Так как водородные связи могут создаваться меж атомом водорода, связанным с атомом электроотрицательного элемента, и электроотрицательным элементом, имеющим свободную пару электронов (О,F,N)?
И очередной вопрос. При рН=3 реакция диссоциации сдвигается на лево, 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 воды трахеол. С этими вопросами впрямую связано действие карбоангидразы катализирующей процесс связывания диоксида с водой и образования гидрокарбоната. Но мне не понятно, чтоб одна из бессчетных изоформ карбоангидразы катализировала оборотный 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 благодарен, если Вы внесете ясность в эти вопросы либо уточните направление поиска ответов.
С почтением, Владимир.
_________________
Здрасти, Владимир.
Вообщем, как я знаю, растворимость углекислого газа в воде выше для всех газов, она приблизительно 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 представить, к примеру, что СО2 каким-то образом встраивается вовнутрь замкнутых кластеров воды и удерживается в их, как это имеет место в ….. Но навряд ли таковой процесс может иметь место. Растворимость газов в воде различна и зависит как от наружных причин — температуры и давления, так и от природы самого газа и его возможности вступать в хим реакцию с водой (как это происходит в случае с углекислым газом, который растворяется в воде за счёт хим реакции с образованием угольной кислоты, в свою очередь диссоциирующей на ионы Н+ и НСО-3). Но с другой стороны только 1% СО2, находящегося в аква растворе, находится в нём в виде Н2СО3. На это несоответствие направили внимание многие исследователи. Потому для удобства расчётов хим уравнений, рКа и рН принято считать, что весь СО2 реагирует с водой.
Исходя из убеждений хим кинетики процесс растворения углекислого газа в воде довольно сложен. Когда СО2 растворяется в воде, то устанавливается равновесие меж угольной кислотой Н2СО3, бикарбонатом НСО3- и карбонатом СО3-.
H2O + CO2 -* H2CO3 — H+ + HCO3- — H+ + CO32-
Расчёт константы ионизации в этом случае проводится по нижеследующей схеме:
1) H2CO3 — H+ + HCO3-
2) HCO3- — H+ + CO32-
Константа первой стадии ионизации равна рКа1 = 4,4 x 10-7,
Константа 2-ой стадии ионизации равна рКа2= 5,6 x 10-11,
Так как 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 меж углекислым газом, бикарбонатом и карбонатом находится в зависимости от pH: тут действует принцип Ле Шателье — наличие в растворе ионов водорода сдвигает щелочную реакцию среды и кислую сторону (рН до 5,5). И напротив удаление протонов из системы сдвигает равновесие реакции на лево, когда углекислый газ восполняется из карбоната и бикарбоната. Таким макаром, при низком значении pH, в системе преобладает углекислый газ, и практически ни бикарбоната, ни карбоната не появляется, тогда как при нейтральном значении pH, бикарбонат доминирует над СО2 и Н2CO3. И только при высочайшем pH, преобладает карбонат.
Карбоангидраза катализирует процесс гидратации СО2 и дегидратации СО2 (приблизительно в 100 раз).
Насчёт эффекта Бора, там если я не ошибаюсь, другой механизм — уменьшение значения рН вызывает уменьшение связывания кислорода с гемоглобином, в итоге чего происходит выделение кислорода. Как я помню из университетского курса биохимии эффект Бора разъясняется тем, что в молекуле гемоглобина имеются веб-сайты связывания протонов в виде остатков гистидина и аспарагиновой кислоты. Как там всё происходит я точно не сказать не могу, но основная сущность заключается в возможности этих аминокислотных остатков вести взаимодействие вместе в виде оксии дезокси-формы. В дезокси-форме остаток аспарагиновой кислоты способен сформировывать связь меж протонированным остатком гистидина. Этот остаток гистидина имеет высочайшее значение pKa, так как связь гистидина с остатком аспарагиновой кислоты держит протон от диссоциации. Но в виде окси-форме образование таковой связи нереально и потому значение pKa для окси-формы гистидина ворачивается к нормальному значению pKa. Потому, при рН крови 7,4 гистидин существует в оксигемоглобине в непротонированном виде. Высочайшие концентрации протонов содействуют образованию деокси-формы гистидина и как следствие этого освобождению кислорода. Освобождение СО2 в свою очередь уменьшает сродство гемоглобина с кислородом 2-мя способами. Во-1-х, некое количество СО2 преобразуется в бикарбонат, освобождая протоны, ответственные за эффект Бора. Другая часть этого бикарбоната высвобождается эритроцитами, оставшаяся же часть бикарбоната ведет взаимодействие конкретно с гемоглобином, связываясь с N-группой аминокислотного остатка и формируя эфир неуравновешенной карбаминовой кислоты уретан. В этом процессе опять происходит освобождение протонов, что в свою очередь приводит к высвобождению О2 и связыванию СО2. Таким макаром происходит цикл дыхания.
С почтением,
О. В. Мосин