Файл: Общая химия методичка.pdf

151 

слорода  к  гемоглобину  образуется  низкоспиновый  октаэдрический  ком-

плекс, железо в котором находится в плоскости порфиринового кольца (КЧ 

железа  =  6).  Хотя  связывание  молекулярного  кислорода  гемоглобином  и 

миоглобином сопровождается ослаблением связи O=O в молекулярном ки-

слороде  из-за  размещения  π-дативных  электронов  железа  на  разрыхляю-

щих орбиталях О

2

, этот процесс сам по себе не сопряжен с необратимым 

переносом электрона, поэтому его обычно не причисляют к ферментатив-

ным  окислительно-восстановительным  реакциям.  Однако,  разрыхление 

связи O=O не может не активировать окислительные реакции. 

Связь кислорода с железом в макроциклическом комплексе молеку-

лы  гемоглобина  не очень  прочная и поэтому  кислород  в  организме  легко 

реагирует с восстановителями. Связывание гемоглобина молекулами угар-

ного  газа  (СО)  является  аналогичным  примером  разрушения  одного  био-

комплекса - оксигемоглобина за счет формирования в 300 раз более проч-

ного другого биокомплекса – карбоксигемоглобина: 

HbO

2

 + CO → HbCO + O

2

. 

Недостаток железа в организме приводит к железодефицитной анемии. 

Из  других  значимых  в  биологическом  отношении  комплексных  со-

единений следует выделить витамин В

12

, участвующий в кроветоворении, 

синтезе ДНК и РНК, синтезе миелина и т.д.  

К 

числу 

ферментов, 

катализирующих 

окислительно-

восстановительные  реакции,  относятся  гемсодержащие  ферменты  -  цито-

хромы. Атомы железа в цитохромах, так же как в гемоглобине и миогло-

бине,  координируют  пять  атомов  азота  (порфирина  и  гистидина),  шестое 

координационное  место  занимает  атом  серы  аминокислоты  -  метионина. 

Известно 50 видов ферментов этого типа, несколько различающихся по со-

ставу органической его части. Железо в цитохромах играет роль перенос-

чика электронов - оно принимает электроны от восстановителя и передает 

их окислителю. Окислителем может быть и кислород, но он не участвует в 

координации железа, входящего в состав цитохромов, поскольку железо в 

152 

цитохроме  имеет  полностью  насыщенную  координационную  сферу.  Так, 

цитохромы содержатся в дахательной цепи митохондрий, являясь перенос-

чиками  электронов;  участвуют  в  обезвреживании  токсических  веществ  в 

печени, превращая гидрофобные токсины в гидрофильные, способные по-

ступать в желчь и затем с калом покидать организм. 

6.  ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ 

И ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ 

6.1. Поверхностная энергия Гиббса и поверхностное натяжение. 

           Сорбция. Абсорбция. Адсорбция 

    Частицы,  находящиеся  на  поверхности  каждой  фазы,  образуют  особую 

поверхностную  фазу,  свойства  которой  существенно  отличаются  от 

свойств внутренних областей фазы. Частицы, расположенные на поверхно-

сти,  взаимодействуют  как  с  однородными  частицами,  так  и  с  частицами 

другого рода (рис. 6.1). 

Рис. 6.1. Поверхностный слой вещества в конденсированном состоянии

    Следствием  этого  явления  является  то, что  средняя  энергия g

s

  частицы, 

находящейся  на  поверхности  раздела  фаз,  отличается  от  средней  энергии 

такой же частицы в объеме фазы g

v

.. Важной характеристикой поверхност-

ной  фазы  является  поверхностная  энергия  G

s

  –  разность  средней  энергии 

частицы, находящейся на поверхности, и частицы, находящейся в объеме 

фазы, умноженная на число частиц на поверхности N: 

G

s

=N(g

s

-g

v

) 

      Под поверхностной энергией понимается энергия Гиббса (Gs) - обра-

153 

зования  поверхности.  Она  равна  произведению  удельной  поверхностной 

энергии σ на площадь поверхности раздела фаз S: 

G

s

=σ×S 

Удельная поверхностная энергия (Дж/м

2

) равна работе, необходимой 

для образования единицы площади свободной поверхности. Удельная по-

верхностная энергия определяется природой того или иного вещества. Чем 

выше  энергия  взаимодействия  между  частицами  вещества,  тем  выше 

удельная  поверхностная  энергия.  С  увеличением  температуры  удельная 

поверхностная  энергия  уменьшается.  Вблизи  критической  температуры 

поверхностное натяжение равно нулю. 

Термин поверхностная энергия применяется к границе раздела газ  - 

твердое  тело.  Для  границы  раздела  конденсированных  фаз  (жидкость  − 

жидкость,  жидкость  −  твердое  вещество)  применяют  термин  межфазная 

энергия. Для границы раздела фаз жидкость − газ (пар) обычно используют 

термин  удельная  поверхностная  энергия,  называемая  поверхностным  на-

тяжением. 

Поверхностное  натяжение  σ  −  важнейшая  термодинамическая  ха-

рактеристика  поверхности  раздела  фаз,  определяемая  как  работа  обрати-

мого изотермического образования единицы площади этой поверхности. В 

случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно 

также  рассматривать  как  работу,  необходимую  для  увеличения  единицы 

длины контура свободной поверхности: 

G

s

=σ×ΔL 

где ΔL – увеличение длины контура свободной поверхности, м; 

σ – поверхностное натяжение, н/м. 

Благодаря  поверхностному  натяжению  жидкость  при  отсутствии 

внешних  силовых  воздействий  принимает  форму  шара,  отвечающую  ми-

нимальной  величине  поверхности  и,  следовательно,  наименьшему  значе-

нию  свободной  поверхностной  энергии.  Одним  из  путей  понижения  сво-

бодной поверхностной энергии является сорбция. 

154 

Сорбция (от лат. sorbeo – поглощаю) − поглощение твѐрдым телом 

или жидкостью вещества из окружающей среды. Поглощающее тело назы-

вается сорбентом, поглощаемое им вещество − сорбатом (или сорбтивом). 

Различают поглощение вещества всей массой жидкого сорбента  – это аб-

сорбция; поверхностным слоем твѐрдого или жидкого сорбента − это  ад-

сорбция.  

     Абсорбция − поглощение веществ из газовой смеси жидкостями. В тех-

нике абсорбция обычно пользуется для извлечения из газовой смеси како-

го-либо компонента. Абсорбция улучшается с повышением давления и по-

нижением температуры. 

    Адсорбция − процесс концентрирования вещества из объема фаз на гра-

нице их раздела.  

     Адсорбент  –  вещество,  способное  адсорбировать  другое  вещество.  Ад-

сорбтив – вещество, которое может адсорбироваться. Адсорбат – адсорби-

рованное вещество. 

Процесс  адсорбции  является  избирательным  и  обратимым.  Адсорб-

ция  из растворов на твердом теле (имеющая поверхность раздела) бывает 

двух видов: 

1.  Молекулярная – адсорбция из растворов молекул слабых электроли-

тов. 

2.  Ионная – это адсорбция из растворов ионов. 

Десорбция  −  удаление  адсорбированного  вещества  с  поверхности  ад-

сорбента.  Десорбция  обратна  адсорбции  и  происходит  при  уменьшении 

концентрации адсорбируемого вещества в среде, окружающей адсорбент. 

6.2.  Адсорбция.   Уравнение Ленгмюра  

Адсорбция происходит на границе раздела следующих фаз: 



твѐрдое тело – газ; 



твѐрдое тело – раствор; 

155 



раствор – газ. 

Адсорбция на границе раздела твердое тело – газ. 

Адсорбцию газов углем открыли К. Шееле в 1773 г. и Ф. Фонтана в 1777 г. 

В  1915  г.  Н.Д.  Зелинский  разработал  способ  получения  активированного 

угля,  который  был  использован  в  противогазах.  Адсорбция  газов  поверх-

ностью твердого тела растет с увеличением парциального давления газа и с 

уменьшением температуры. Адсорбция, отнесенная к единице массы, воз-

растает с увеличением площади поверхности адсорбента. 

Адсорбция  зависит  от  природы  адсорбента  и  адсорбата.  Наиболее 

распространенные  адсорбенты  -  активированные  угли:  хорошо  адсорби-

руют малополярные газы (О

2

, SO

2

, NH

3

, углеводороды), но не адсорбируют 

высокополярные  пары  (H

2

O)  и  газы  с  низкой  температурой  конденсации 

(Н

2

, N

2

, CO). Гидрофильный адсорбент силикагель (пористое тело на осно-

ве  кремневой  кислоты)  хорошо  сорбирует  пары  воды  и  другие  полярные 

газы. Другие адсорбенты − цеолиты, алюмосиликатные пористые вещества 

−  обладают  избирательной  адсорбционной  способностью  (молекулярные 

сита). По адсорбируемости на металлах газы можно расположить в ряд: 

О

2

 > C

2

H

4

 > CO > H

2

 > CO

2

 > N

2

Наибольшей  адсорбционной  способностью  обладают  d-элементы 

IV−VIII  групп,  а  наименьшей  способностью  −  тяжелые  р-металлы  и  d-

металлы с заполненными d-подуровнями. 

Адсорбция  на  границе  раздела  твердое  тело  –  жидкость. 

При адсорбции на границе раздела твердое тело − жидкость величина из-

бытка  адсорбируемого  вещества  становится  функцией  молярной  концен-

трации раствора (рис. 6.2). 

Рис. 6.2. Изотерма адсорбции из растворов