معلومة

S2018_Lecture04_Reading - علم الأحياء


التفاعلات الكيميائية المميزة

تفاعلات كيميائية تحدث عندما تترابط ذرتان أو أكثر معًا لتكوين جزيئات أو عندما تتفكك الذرات المترابطة. المواد التي "تدخل" في تفاعل كيميائي تسمى المتفاعلات (وفقًا للاتفاقية ، يتم سردها عادةً على الجانب الأيسر من معادلة كيميائية) ، والمواد التي تم العثور عليها "تخرج" من التفاعل تُعرف باسم منتجات (وفقًا للاتفاقية ، توجد هذه عادةً في الجانب الأيمن من المعادلة الكيميائية). من اليمين الى اليسار؛ من أعلى إلى أسفل ، قطريًا من اليمين إلى اليسار ، حول سهم دائري ، وما إلى ذلك) باستخدام السهم لتوجيه نفسك.

في التفاعلات الكيميائية ، يجب أن تكون الذرات والعناصر الموجودة في المادة (المواد) المتفاعلة موجودة أيضًا في المنتج (المنتجات). وبالمثل ، لا يمكن أن يكون هناك أي شيء موجود في المنتجات التي لم تكن موجودة في المواد المتفاعلة. وذلك لأن التفاعلات الكيميائية تخضع لقانون حفظ الكتلة ، والذي ينص على أنه لا يمكن إنشاء المادة أو تدميرها في تفاعل كيميائي. هذا يعني أنه عند فحص تفاعل كيميائي ، يجب أن تحاول حساب كل ما يحدث والتأكد من أنه يمكنك العثور عليه جميعًا في الأشياء التي تخرج!

مثلما يمكنك التعبير عن الحسابات الرياضية في معادلات مثل 2 + 7 = 9 ، يمكنك استخدام المعادلات الكيميائية لإظهار كيف تصبح المواد المتفاعلة نواتج. حسب الاصطلاح ، تُقرأ المعادلات الكيميائية عادةً أو تُكتب من اليسار إلى اليمين. يتم فصل المواد المتفاعلة الموجودة على اليسار عن المنتجات الموجودة على اليمين بسهم أحادي الرأس أو مزدوج الرأس يشير إلى الاتجاه الذي يسير فيه التفاعل الكيميائي. على سبيل المثال ، يمكن كتابة التفاعل الكيميائي الذي تنتج فيه ذرة واحدة من النيتروجين وثلاث ذرات من الهيدروجين الأمونيا على النحو التالي:

[N + 3H → NH_3. ]

في المقابل ، سيتم كتابة انهيار الأمونيا في مكوناتها على النحو التالي:

[NH3 → N + 3H. ]

لاحظ أنه في كلا الاتجاهين ، ستجد 1 N و 3 Hs في كلا طرفي المعادلة.

انعكاس

بينما يمكن أن تستمر جميع التفاعلات الكيميائية تقنيًا في كلا الاتجاهين ، تميل بعض التفاعلات إلى تفضيل اتجاه واحد على الآخر. اعتمادًا على الدرجة التي يتقدم بها التفاعل تلقائيًا في كلا الاتجاهين أو في اتجاه واحد ، يمكن إعطاء اسم مختلف لوصف انعكاسية التفاعلات. بعض التفاعلات الكيميائية ، مثل تلك الموضحة أعلاه ، تستمر في الغالب في اتجاه واحد مع حدوث الاتجاه "العكسي" على مثل هذه المقاييس الزمنية الطويلة أو مع احتمال ضئيل لدرجة أننا ، لأغراض عملية ، نتجاهل التفاعل "العكسي". هذه التفاعلات أحادية الاتجاه تسمى أيضًا لا رجعة فيه ردود الفعل وتصور بسهم أحادي الرأس (أحادي الاتجاه). على نقيض ذلك، تفريغ تفاعلات هي تلك التي يمكنها المضي قدمًا في أي اتجاه. عادة ما يتم تصوير التفاعلات العكسية بواسطة معادلة كيميائية ذات سهم مزدوج الرأس يشير إلى كل من المواد المتفاعلة والنواتج. في الممارسة العملية ، ستجد سلسلة متصلة من التفاعلات الكيميائية ؛ يتقدم البعض في اتجاه واحد تقريبًا ولا ينعكس أبدًا ، بينما يغير البعض الآخر الاتجاه بسهولة اعتمادًا على عوامل مختلفة مثل التركيزات النسبية للمواد المتفاعلة والمنتجات. هذه المصطلحات هي مجرد طرق لوصف التفاعلات بنقاط توازن مختلفة.

يستخدم من المفردات

ربما تكون قد أدركت أن المصطلحين "المواد المتفاعلة" و "النواتج" متناسبان مع اتجاه التفاعل. إذا كان لديك رد فعل قابل للعكس ، فإن نواتج تشغيل التفاعل في اتجاه واحد تصبح متفاعلات معاكسة. يمكنك تسمية نفس المركب بمصطلحين مختلفين. يمكن أن يكون مربكا بعض الشيء. إذن ، ما الذي يجب على المرء أن يفعله في مثل هذه الحالات؟ الإجابة هي أنه إذا كنت تريد استخدام المصطلحين "المتفاعلات" و "النواتج" ، فيجب أن تكون واضحًا بشأن اتجاه التفاعل الذي تشير إليه - حتى عند مناقشة التفاعلات العكسية. إن اختيار المصطلحات ، "المواد المتفاعلة" أو "المنتجات" التي تستخدمها سوف ينقل للآخرين اتجاه التفاعل الذي تفكر فيه.

دعونا نلقي نظرة على مثال على رد فعل عكسي في علم الأحياء ونناقش امتدادًا مهمًا لهذه الأفكار الأساسية التي تنشأ في نظام بيولوجي. في دم الإنسان ، أيونات الهيدروجين الزائدة (H+) يرتبط بأيونات البيكربونات (HCO3-) ، وتشكيل حالة توازن مع حمض الكربونيك (H2كو3). يمكن عكس هذا التفاعل بسهولة. إذا تمت إضافة حمض الكربونيك إلى هذا النظام ، فسيتم تحويل جزء منه إلى بيكربونات وأيونات الهيدروجين حيث يسعى النظام الكيميائي إلى تحقيق التوازن.

[HCO_3 ^ - + H ^ + rightleftharpoons H_2CO_3 ]

يفحص المثال أعلاه الأنظمة الكيميائية "المثالية" كما قد تحدث في أنبوب الاختبار. ومع ذلك ، في النظم البيولوجية ، نادرًا ما يتم الوصول إلى التوازن لتفاعل واحد كما قد يكون في أنبوب الاختبار. في الأنظمة البيولوجية ، لا تحدث التفاعلات بمعزل عن غيرها. بدلاً من ذلك ، فإن تركيزات المواد المتفاعلة و / أو المنتجات تتغير باستمرار ، وغالبًا ما يكون ناتج تفاعل واحد مادة متفاعلة لتفاعل آخر. تشكل هذه التفاعلات المرتبطة ما يعرف بالمسارات البيوكيميائية. المثال المباشر أدناه يوضح هذه النقطة. في حين أن التفاعل بين البيكربونات / البروتون وحمض الكربونيك قابل للانعكاس بدرجة كبيرة ، فقد اتضح أنه ، من الناحية الفسيولوجية ، عادة ما يتم "سحب" هذا التفاعل نحو تكوين حمض الكربونيك. لماذا ا؟ كما هو موضح أدناه ، يصبح حمض الكربونيك مادة متفاعلة لتفاعل كيميائي حيوي آخر - تحويل حمض الكربونيك إلى ثاني أكسيد الكربون2 و ح2O. هذا التحويل يقلل من تركيز H.2كو3, وبالتالي سحب التفاعل بين البيكربونات و H+ إلى اليمين. علاوة على ذلك ، هناك تفاعل ثالث أحادي الاتجاه ، وهو إزالة ثاني أكسيد الكربون2 و ح2O من النظام ، تسحب رد الفعل أيضًا إلى اليمين. هذه الأنواع من ردود الفعل هي مساهمات مهمة في الحفاظ على H.+ استتباب دمائنا.

[HCO_3 ^ - + H ^ + rightleftharpoons H_2CO_3 rightleftharpoons CO_2 + H_20 rightarrow waste ]

يرتبط التفاعل الذي ينطوي على تخليق حمض الكربونيك في الواقع بتكسيره إلى (CO_2 ) و (H_2O ). ثم يتم إزالة هذه المنتجات من النظام / الجسم عند الزفير. يؤدي تكسير حمض الكربونيك وعمل زفير المنتجات معًا إلى سحب التفاعل الأول إلى اليمين.

ردود الفعل التوليفية

العديد من الجزيئات الكبيرة مصنوعة من وحدات فرعية أصغر ، أو كتل بناء ، تسمى المونومرات. ترتبط مونومرات تساهميًا لتكوين جزيئات أكبر تُعرف بالبوليمرات. في كثير من الأحيان ، ينتج عن تخليق البوليمرات من المونومرات أيضًا جزيئات الماء كمنتجات للتفاعل. يُعرف هذا النوع من التفاعل باسم التوليف الجفاف أو تركيز تفاعل.

شكل 1. في تفاعل تخليق التجفاف الموضح أعلاه ، تم ربط جزيئين من الجلوكوز معًا لتكوين المالتوز ثنائي السكاريد. في هذه العملية ، يتم تكوين جزيء ماء.

الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

في تفاعل تخليق الجفاف (الشكل 1) ، يتحد هيدروجين أحد المونومر مع مجموعة الهيدروكسيل لمونومر آخر ، مما يؤدي إلى إطلاق جزيء من الماء. في الوقت نفسه ، تشترك المونومرات في الإلكترونات وتشكل روابط تساهمية. مع انضمام المونومرات الإضافية ، تشكل هذه السلسلة من المونومرات المتكررة بوليمرًا. يمكن أن تتحد أنواع مختلفة من المونومرات في العديد من التكوينات ، مما يؤدي إلى ظهور مجموعة متنوعة من الجزيئات الكبيرة. يمكن حتى لنوع واحد من المونومر أن يتحد بطرق متنوعة لتشكيل عدة بوليمرات مختلفة ؛ على سبيل المثال ، مونومرات الجلوكوز هي مكونات النشا والجليكوجين والسليلوز.

في مثال مونومر الكربوهيدرات أعلاه ، يتكون البوليمر عن طريق تفاعل الجفاف ؛ يستخدم هذا النوع من التفاعل أيضًا لإضافة الأحماض الأمينية إلى سلسلة الببتيد المتنامية والنيوكليوتيدات إلى الحمض النووي أو بوليمر الحمض النووي الريبي المتنامي. قم بزيارة الوحدات الخاصة بالأحماض الأمينية والدهون والأحماض النووية لمعرفة ما إذا كان بإمكانك تحديد جزيئات الماء التي تتم إزالتها عند إضافة مونومر إلى البوليمر النامي.

الشكل 2. هذا يصور ، باستخدام الكلمات ، (مزينة بمجموعات وظيفية ملونة باللون الأحمر) تخليق عام للجفاف / تفاعل تكثيف.

الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

تفاعلات التحلل المائي

تنقسم البوليمرات إلى مونومرات في تفاعل يعرف باسم التحلل المائي. يتضمن تفاعل التحلل المائي جزيء ماء كمفاعل (الشكل 3). خلال هذه التفاعلات ، يمكن تقسيم البوليمر إلى مكونين: منتج واحد يحمل أيون الهيدروجين (H+) من الماء ، بينما يحمل المنتج الثاني هيدروكسيد الماء المتبقي (OH).

الشكل 3. في تفاعل التحلل المائي الموضح هنا ، يتم تكسير المالتوز ثنائي السكاريد لتشكيل اثنين من مونومرات الجلوكوز مع إضافة جزيء ماء. لاحظ أن هذا التفاعل هو عكس تفاعل التوليف الموضح في الشكل 1 أعلاه.

الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

الشكل 4. هذا يصور باستخدام الكلمات (المزينة بمجموعات وظيفية ملونة باللون الأحمر) تفاعل التحلل المائي العام.

الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

يتم تحفيز تخليق التجفاف وتفاعلات التحلل المائي أو "تسريعها" بواسطة إنزيمات معينة. لاحظ أن كلاً من تخليق التجفاف وتفاعلات التحلل المائي تتضمن تكوين وكسر الروابط بين المواد المتفاعلة - إعادة تنظيم الروابط بين الذرات في المواد المتفاعلة. في الأنظمة البيولوجية (بما في ذلك أجسامنا) ، يتم تحلل الطعام على شكل بوليمرات جزيئية إلى جزيئات أصغر بواسطة الماء عبر تفاعلات محفزة بالإنزيم في الجهاز الهضمي. هذا يسمح بامتصاص العناصر الغذائية الأصغر وإعادة استخدامها لمجموعة متنوعة من الأغراض. في الخلية ، يمكن إعادة تجميع المونومرات المشتقة من الطعام في بوليمرات أكبر تخدم وظائف جديدة.

روابط مفيدة:

قم بزيارة هذا الموقع لمشاهدة التمثيلات المرئية لتخليق الجفاف والتحلل المائي.
يتم عرض مثال على التحلل المائي مع عمل الإنزيم في هذا الفيديو الذي مدته 3 دقائق بعنوان: التحلل المائي للسكروز بواسطة Sucrase.

تبادل / تحويل ردود الفعل

سنواجه أيضًا ردود فعل تسمى تفاعلات التبادل. في هذه الأنواع من التفاعلات ، تنتقل "أجزاء" من الجزيئات فيما بينها - تتكسر الروابط لتحرير جزء من الجزيء وتتكون الروابط بين الجزء المحرر وجزيء آخر. عادة ما تكون هذه التفاعلات المحفزة بالإنزيم عبارة عن عمليات كيميائية متعددة الخطوات معقدة بشكل معقول.

الشكل 5. تفاعل التبادل الذي يمكن أن يحدث فيه كل من التوليف والتحلل المائي ، يتم تشكيل وكسر الروابط الكيميائية ، باستخدام تشبيه الكلمة.

التوازن الكيميائي - الجزء الأول: التفاعلات الأمامية والعكسية

يعد فهم مفهوم التوازن الكيميائي أمرًا بالغ الأهمية لمتابعة العديد من المناقشات التي أجريناها في BIS2A وفي الواقع عبر علم الأحياء والعلوم. من الصعب وصف مفهوم التوازن الكيميائي تمامًا دون الرجوع إلى طاقة النظام ، ولكن من أجل البساطة ، دعونا نحاول على أي حال ونحتفظ بمناقشة الطاقة لفصل آخر. بدلاً من ذلك ، دعونا نبدأ في تطوير فهمنا للتوازن من خلال النظر في رد الفعل القابل للانعكاس أدناه:

التفاعل الافتراضي رقم 1: تفاعل افتراضي يتضمن المركبات A و B و D. إذا قرأنا هذا من اليسار إلى اليمين ، فسنقول إن A و B يجتمعان معًا لتشكيل مركب أكبر: D. قراءة رد الفعل من اليمين إلى اليسار ، يمكننا القول أن المركب D ينقسم إلى مركبات أصغر: A و B.

نحتاج أولاً إلى تحديد المقصود بـ "رد الفعل القابل للعكس". مصطلح "قابل للعكس" يعني ببساطة أن رد الفعل يمكن أن يستمر في كلا الاتجاهين. أي أن الأشياء الموجودة على الجانب الأيسر من معادلة التفاعل يمكن أن تتفاعل معًا لتصبح الأشياء الموجودة على يمين المعادلة ، ويمكن أيضًا أن تتفاعل الأشياء الموجودة على يمين المعادلة معًا لتصبح الأشياء الموجودة على الجانب الأيسر من المعادلة معادلة. تسمى التفاعلات التي تستمر في اتجاه واحد فقط ردود الفعل التي لا رجعة فيها.

لبدء مناقشتنا للتوازن ، نبدأ بالنظر في رد الفعل الذي نفترض أنه قابل للعكس بسهولة. في هذه الحالة ، يكون رد الفعل الموضح أعلاه: التكوين الخيالي للمركب D من المركبين A و B. نظرًا لأنه رد فعل قابل للعكس ، يمكننا أيضًا تسميته تحلل D إلى A و B. تجربة نشاهد فيها التفاعل يبدأ من نقطة البداية حيث يوجد A و B فقط.

المثال 1: رد فعل متوازن يسار

رد الفعل الافتراضي # 1: دورة زمنية
تركيزر = 0ر = 1ر = 5ر = 10ر = 15ر = 20ر = 25ر = 30ر = 35ر = 40
[أ]100908070656260606060
[ب]100908070656260606060
[C]0102030453840404040

في الوقت t = 0 (قبل بدء التفاعل) ، يحتوي التفاعل على 100 وحدة تركيز للمركبين A و B وصفر وحدة من المركب D. نسمح الآن للتفاعل بالاستمرار ومراقبة التركيزات الفردية للمركبات الثلاثة بمرور الوقت (t = 1 و 5 و 10 و 15 و 20 و 25 و 30 و 35 و 40 وحدة زمنية). عندما يتفاعل A و B ، يتشكل D. في الواقع ، يمكن للمرء أن يرى D تتشكل من t = 0 على طول الطريق إلى t = 25. لكن بعد ذلك الوقت ، تتوقف تركيزات A و B و D عن التغير. بمجرد أن يصل التفاعل إلى النقطة التي تتوقف فيها تركيزات المكونات عن التغير ، نقول إن التفاعل قد وصل إلى التوازن. لاحظ أن تركيزات A و B و D ليست متساوية عند التوازن. في الواقع ، يبدو التفاعل متوازنًا بحيث يكون هناك المزيد من A و B أكثر من D.

ملحوظة

**** تحذير سوء فهم الطالب الشائع ****

يقع العديد من الطلاب ضحية للاعتقاد الخاطئ بأن تركيزات المواد المتفاعلة ونواتج التفاعل يجب أن تكون متساوية عند التوازن. بالنظر إلى أن مصطلح التوازن يشبه إلى حد كبير كلمة "متساوٍ" ، فهذا ليس مفاجئًا. ولكن كما حاولت التجربة أعلاه توضيح ذلك ، هذا ليس صحيحًا!

المثال الثاني: رد فعل متوازن

يمكننا فحص تفاعل افتراضي ثانٍ ، وهو تركيب المركب J من المركبين E و F.

رد الفعل الافتراضي # 2: تفاعل افتراضي يتضمن المركبات E و F و J. إذا قرأنا هذا من اليسار إلى اليمين ، فسنقول إن E و F يجتمعان معًا لتكوين مركب أكبر: J. بقراءة التفاعل من اليمين إلى اليسار ، يمكننا أن نقول ذلك المركب يتحلل J إلى مركبات أصغر: E و F.

تبدو بنية التفاعل الافتراضي رقم 2 متطابقة مع بنية التفاعل الافتراضي رقم 1 ، والتي اعتبرناها أعلاه - شيئان يجتمعان معًا لصنع شيء أكبر. نحتاج فقط إلى افتراض ، في هذه الحالة ، أن E و F و J لها خصائص مختلفة عن A و B و D. فلنتخيل تجربة مماثلة للتجربة الموضحة أعلاه وفحص هذه البيانات:

رد الفعل الافتراضي # 2: دورة زمنية


في هذه الحالة ، يصل التفاعل أيضًا إلى التوازن. هذه المرة ، يحدث التوازن عند حوالي t = 30. بعد هذه النقطة ، لا تتغير تركيزات E و F و J. لاحظ مرة أخرى أن تركيزات E و F و J ليست متساوية عند التوازن. على عكس التفاعل الافتراضي # 1 (تفاعل ABD) ، هذه المرة تركيز J ، الشيء الموجود على الجانب الأيمن من الأسهم ، يكون بتركيز أعلى من E و F. نقول أنه بالنسبة لهذا التفاعل ، يكمن التوازن إلى اليمين.

يجب توضيح أربع نقاط أخرى في هذا المنعطف.

النقطة 1: ما إذا كان التوازن للتفاعل يقع إلى اليسار أو اليمين سيكون دالة لخصائص مكونات التفاعل والظروف البيئية التي يحدث فيها التفاعل (على سبيل المثال ، درجة الحرارة ، الضغط ، إلخ).

النقطة 2: يمكننا أيضًا التحدث عن التوازن باستخدام مفاهيم الطاقة ، وسنفعل ذلك قريبًا ، ولكن ليس بعد.

النقطة 3: بينما يبدو أن التفاعلات الافتراضية رقم 1 ورقم 2 تصل إلى نقطة حيث "توقف" التفاعل ، يجب أن تتخيل أن التفاعلات ما زالت تحدث حتى بعد الوصول إلى التوازن. عند التوازن ، تحدث التفاعلات "الأمامية" و "العكسية" بنفس المعدل. هذا هو ، في المثال رقم 2 ، عند التوازن J يتشكل من E و F بنفس المعدل الذي يتفكك فيه إلى E و F. وهذا يفسر كيف أن تركيزات المركبات لا تتغير على الرغم من حقيقة أن التفاعلات لا يزال يحدث.

النقطة 4: من هذا الوصف للتوازن ، يمكننا تحديد شيء نسميه ثابت التوازن. عادةً ما يتم تمثيل الثابت بحرف كبير K ويمكن كتابته كـ Kمكافئ. من حيث التركيزات ، Kمكافئ هو ناتج رياضي لتركيزات ناتج التفاعل (مادة على اليمين) مقسومًا على الناتج الرياضي لتركيزات المادة المتفاعلة (المادة على اليسار). على سبيل المثال ، K.مكافئ ، 1 = [D] / [A] [B] و K.مكافئ ، 2 = [J] / [E] [F]. الأقواس المربعة "[]" تشير إلى "تركيز" كل ما هو داخل القوس.

ما هو دور الكيمياء الحمضية / الأساسية في Bis2A؟

لقد تعلمنا أن سلوك المجموعات الوظيفية الكيميائية يعتمد بشكل كبير على تكوين وترتيب وخصائص الذرات المكونة لها. كما سنرى ، يمكن تغيير بعض خصائص المجموعات الوظيفية البيولوجية الرئيسية اعتمادًا على الرقم الهيدروجيني (تركيز أيون الهيدروجين) للمحلول الذي يستحمون فيه.

على سبيل المثال ، يمكن أن توجد بعض المجموعات الوظيفية في جزيئات الأحماض الأمينية التي تتكون منها البروتينات في حالات كيميائية مختلفة اعتمادًا على الرقم الهيدروجيني. سوف نتعلم أن الحالة الكيميائية لهذه المجموعات الوظيفية في سياق البروتين يمكن أن يكون لها تأثير عميق على شكل البروتين أو قدرته على تنفيذ التفاعلات الكيميائية. بينما ننتقل خلال الدورة ، سنرى أمثلة عديدة لهذا النوع من الكيمياء في سياقات مختلفة.

الرقم الهيدروجيني يتم تعريفه رسميًا على أنه:

[pH = - log_ {10} [H ^ +] ]

في المعادلة أعلاه ، تشير الأقواس المربعة المحيطة بـ (H ^ + ) إلى التركيز. إذا لزم الأمر ، جرب مراجعة الرياضيات على wiki logarithm أو kahn logarithm. انظر أيضًا: قاموس التركيز أو تركيز الويكي.

تتولد أيونات الهيدروجين تلقائيًا في الماء النقي عن طريق تفكك (تأين) نسبة صغيرة من جزيئات الماء إلى أعداد متساوية من الهيدروجين (H+) الأيونات والهيدروكسيد (OH-) الأيونات. بينما يتم الاحتفاظ بأيونات الهيدروكسيد في محلول من خلال روابطها الهيدروجينية مع جزيئات الماء الأخرى ، فإن أيونات الهيدروجين ، التي تتكون من بروتونات عارية ، تنجذب على الفور إلى جزيئات الماء غير المتأينة ، مكونة أيونات الهيدرونيوم (H30+).

ومع ذلك ، وفقًا للاتفاقية ، يشير العلماء إلى أيونات الهيدروجين وتركيزها كما لو كانت حرة في هذه الحالة في الماء السائل. هذا مثال آخر على الاختصار الذي غالبًا ما نأخذه - من الأسهل كتابة H.+ بدلا من H.3ا+. نحتاج فقط إلى إدراك أن هذا الاختصار يتم اتباعه ؛ خلاف ذلك سوف يترتب على الارتباك.

شكل 1: ينفصل الماء تلقائيًا إلى مجموعة البروتون والهيدروكسيل. سوف يتحد البروتون مع جزيء الماء مكونًا أيون الهيدرونيوم.
الإسناد: مارك T. Facciotti

ال الرقم الهيدروجيني من المحلول هو قياس تركيز أيونات الهيدروجين في محلول (أو عدد أيونات الهيدرونيوم). عدد أيونات الهيدروجين هو مقياس مباشر لمدى حمضية المحلول أو مدى قوته.

ال مقياس درجة الحموضة هو لوغاريتمي ويتراوح من 0 إلى 14 (الشكل 2). نحدد الرقم الهيدروجيني = 7.0 على أنه محايد. أي شيء يحتوي على درجة حموضة أقل من 7.0 يسمى حمضي وأي رقم هيدروجيني تم الإبلاغ عنه أعلى من 7.0 يسمى قلوي أو أساسي. تعتبر الحدود القصوى في الأس الهيدروجيني في أي من الاتجاهين من 7.0 عادة غير مضيافة للحياة ، على الرغم من وجود أمثلة على عكس ذلك. تتراوح مستويات الأس الهيدروجيني في جسم الإنسان عادة بين 6.8 و 7.4 ، باستثناء المعدة حيث يكون الرقم الهيدروجيني أكثر حمضية ، وعادة ما يكون بين 1 و 2.

الشكل 2: يتراوح مقياس الأس الهيدروجيني من الحمضي إلى الأساسي بمركبات أو مواد بيولوجية مختلفة موجودة عند هذا الرقم الهيدروجيني المعين. الإسناد: مارك T. Facciotti

للحصول على معلومات إضافية:

شاهد هذا الفيديو للحصول على شرح بديل للأس الهيدروجيني ومقياسه اللوغاريتمي.

تركيز أيونات الهيدروجين المنفصلة عن الماء النقي هو 1 × 10-7 مولات H.+ أيونات لكل لتر من الماء.

يُعرَّف 1 مول (مول) من مادة (يمكن أن تكون ذرات أو جزيئات أو أيونات ، إلخ) بأنها تساوي 6.02 × 1023 جزيئات المادة. إذن ، 1 مول من الماء يساوي 6.02 × 1023 جزيئات الماء. يتم حساب الأس الهيدروجيني على أنه سالب لوغاريتم الأساس 10 لوحدة التركيز هذه. السجل10 من 1 × 10-7 هو -7.0 ، وسالب هذا الرقم ينتج عنه درجة حموضة 7.0 ، والتي تُعرف أيضًا باسم pH متعادل.

تنتج قراءات الأس الهيدروجيني غير المحايدة من إذابة الأحماض أو القواعد في الماء. ينتج عن التركيزات العالية من أيونات الهيدروجين عدد منخفض من الأس الهيدروجيني ، بينما تؤدي المستويات المنخفضة من أيونات الهيدروجين إلى ارتفاع درجة الحموضة.

هذه العلاقة العكسية بين الأس الهيدروجيني وتركيز البروتونات تربك العديد من الطلاب - خذ الوقت الكافي لإقناع نفسك أنك "تفهمها".

ان حامض هي مادة تزيد من تركيز أيونات الهيدروجين (H+) في محلول ، عادة عن طريق فصل إحدى ذرات الهيدروجين. على سبيل المثال ، تعلمنا أن مجموعة الكربوكسيل الوظيفية عبارة عن حمض. يمكن أن تنفصل ذرة الهيدروجين عن ذرة الأكسجين مما ينتج عنه بروتون حر ومجموعة وظيفية سالبة الشحنة. أ يتمركز يوفر أيونات الهيدروكسيد (OH) أو أيونات سالبة الشحنة تتحد مع أيونات الهيدروجين ، مما يقلل بشكل فعال من الهيدروجين+ التركيز في المحلول وبالتالي رفع درجة الحموضة. في الحالات التي تطلق فيها القاعدة أيونات الهيدروكسيد ، ترتبط هذه الأيونات بتحرر أيونات الهيدروجين ، وتولد جزيئات ماء جديدة. على سبيل المثال ، تعلمنا أن المجموعة الوظيفية الأمينية هي قاعدة. ستقبل ذرة النيتروجين أيونات الهيدروجين في المحلول ، وبالتالي تقلل من عدد أيونات الهيدروجين التي ترفع الرقم الهيدروجيني للمحلول.

الشكل 3: تعمل مجموعة حمض الكربوكسيل كحمض عن طريق إطلاق بروتون في محلول. هذا يزيد من عدد البروتونات في المحلول وبالتالي يقلل الرقم الهيدروجيني. تعمل المجموعة الأمينية كقاعدة بقبول أيونات الهيدروجين من المحلول ، وتقليل عدد أيونات الهيدروجين في المحاليل ، وبالتالي زيادة الرقم الهيدروجيني.
الإسناد: إيرين إيسلون

موارد الأس الهيدروجيني الإضافية

فيما يلي بعض الروابط الإضافية حول الأس الهيدروجيني و pKa للمساعدة في تعلم المادة. لاحظ أن هناك وحدة إضافية مخصصة لـ pKa.

PKa

pKأ يتم تعريفه على أنه السجل السلبي10 من ثابت تفكك حمض ، كأ. لذلك ، فإن pKأ هو مقياس كمي لمدى سهولة أو سهولة تخلي الحمض عن البروتون [H+] في المحلول وبالتالي مقياس "قوة" الحمض. تحتوي الأحماض القوية على pKa صغير ، بينما تحتوي الأحماض الضعيفة على pKa أكبر.

الحمض الأكثر شيوعًا الذي سنتحدث عنه في BIS2A هو المجموعة الوظيفية لحمض الكربوكسيل. وعادة ما تكون هذه الأحماض ضعيف الأحماض ، مما يعني أنها تنفصل جزئيًا فقط (إلى H+ الكاتيونات و RCOO- الأنيونات) في محلول محايد. HCL (كلوريد الهيدروجين) شائع قوي حمض ، مما يعني أنه سينفصل تمامًا في H+ و Cl-.

لاحظ أن الاختلاف الرئيسي في الشكل أدناه بين حمض أو قاعدة قوية وحمض أو قاعدة ضعيفة هو السهم الفردي (القوي) مقابل السهم المزدوج (الضعيف). في حالة السهم الفردي ، يمكنك تفسير ذلك من خلال تخيل أن جميع المواد المتفاعلة تقريبًا قد تم تحويلها إلى منتجات. علاوة على ذلك ، يصعب على التفاعل أن ينعكس إلى الوراء إلى الحالة التي ترتبط فيها البروتونات مرة أخرى بالجزيء الذي كان مرتبطًا به من قبل. في حالة وجود حمض ضعيف أو قاعدة ، يمكن تفسير السهم على الوجهين من خلال تصوير تفاعل يكون فيه:

  1. كلا الشكلين من حمض متقارن أو قاعدة (هذا ما نسميه الجزيء الذي "يحمل" البروتون - أي CH3OOH و CH3OO-، على التوالي في الشكل) موجودة في نفس الوقت و
  2. يمكن أن تتغير نسبة هاتين الكميتين بسهولة عن طريق تحريك التفاعل في أي من الاتجاهين.

شكل 1. مثال على الأحماض القوية والقواعد القوية في حالات البروتونات ونزع البروتونات. تظهر قيمة pKa الخاصة بهم على اليسار. فاكيوتي

تلعب الكهربية دورًا في قوة الحمض. إذا أخذنا في الاعتبار مجموعة الهيدروكسيل كمثال ، فإن القدرة الكهربية الأكبر للذرة أو الذرات (المشار إليها R) المرتبطة بمجموعة الهيدروكسيل في حمض R-O-H ينتج عنها رابطة H-O أضعف ، وبالتالي فهي أكثر تأينًا. هذا يعني أن سحب الإلكترونات بعيدًا عن ذرة الهيدروجين يزداد عندما ترتبط ذرة الأكسجين بذرة الهيدروجين أيضًا بذرة كهربية أخرى. مثال على ذلك هو HOCL. يقوم Cl الكهربية باستقطاب رابطة H-O ، مما يضعفها ويسهل تأين الهيدروجين. إذا قارنا هذا بحمض ضعيف حيث يرتبط الأكسجين بذرة كربون (كما في الأحماض الكربوكسيلية) فإن الأكسجين مرتبط بذرة الهيدروجين والكربون. في هذه الحالة ، لا يرتبط الأكسجين بذرة كهربية أخرى. وبالتالي فإن رابطة HO لا تتزعزع بشكل أكبر ويعتبر الحمض حمضًا ضعيفًا (لا يتخلى عن البروتون بسهولة مثل الحمض القوي).

الشكل 2. يمكن تحديد قوة الحمض من خلال الكهربية للذرة التي يرتبط بها الأكسجين. على سبيل المثال ، حمض الخليك الضعيف ، الأكسجين مرتبط بالكربون ، ذرة ذات كهرسلبية منخفضة. في الحمض القوي ، حمض هيبوكلوروس ، ترتبط ذرة الأكسجين بذرة كلوريد كهربية أكثر.
الإسناد: إيرين إيسلون

في Bis2A ، سيُطلب منك ربط الأس الهيدروجيني و pKa ببعضهما البعض عند مناقشة حالة بروتونات حمض أو قاعدة ، على سبيل المثال ، في الأحماض الأمينية. كيف يمكننا استخدام المعلومات الواردة في هذه الوحدة للإجابة على السؤال: هل ستتم بروتون المجموعات الوظيفية الموجودة على الأحماض الأمينية الغلوتامات أو نزع البروتونات عند درجة حموضة 2 ، عند درجة حموضة 8 ، عند درجة حموضة 11؟

من أجل البدء في الإجابة على هذا السؤال ، نحتاج إلى إنشاء علاقة بين pH و pKa. يتم تمثيل العلاقة بين pKa و pH رياضيًا بواسطة معادلة Henderson-Hasselbach الموضحة أدناه ، حيث تمثل [A-] الشكل المنقوع للحمض و [HA] يمثل الشكل البروتوني للحمض.

الشكل 3. معادلة هندرسون-هاسلباخ

يتم الحصول على حل لهذه المعادلة عن طريق ضبط الرقم الهيدروجيني = pKa. في هذه الحالة ، السجل ([A-] / [HA]) = 0 ، و [A-] / [HA] = 1. وهذا يعني أنه عندما يكون الرقم الهيدروجيني مساويًا لـ pKa ، فهناك كميات متساوية من الأشكال البروتونية والمنزوعة من الحمض. على سبيل المثال ، إذا كان pKa للحمض 4.75 ، عند الرقم الهيدروجيني 4.75 ، سيوجد هذا الحمض في صورة 50٪ بروتونات و 50٪ منزوع الدهن. هذا يعني أيضًا أنه مع ارتفاع الأس الهيدروجيني ، سيتم تحويل المزيد من الحمض إلى الحالة المنبثقة ، وفي مرحلة ما سيكون الرقم الهيدروجيني مرتفعًا جدًا بحيث أن غالبية الحمض سيكون موجودًا في الحالة المنبثقة.

الشكل 4. يصور هذا الرسم البياني حالة بروتون حمض الأسيتيك مع تغير الأس الهيدروجيني. عند درجة حموضة أقل من pKa ، يتحول الحمض إلى بروتونات. عند درجة حموضة أعلى من pKa ، يتم إزالة الحمض من البروتين. إذا كان الرقم الهيدروجيني يساوي pKa ، فإن الحمض هو 50٪ بروتونات و 50٪ منزوع البوتاسيوم. الإسناد: آيفي خوسيه

في BIS2A ، سننظر في حالة البروتونات وحالة نزع البروتون من الأحماض الأمينية. تحتوي الأحماض الأمينية على مجموعات وظيفية متعددة يمكن أن تكون أحماض أو قواعد. لذلك يمكن أن تكون حالة البروتونات / نزع البروتونات أكثر تعقيدًا. يوجد أدناه العلاقة بين pH و pKa للحمض الأميني Glutamic Acid. في هذا الرسم البياني يمكننا طرح السؤال الذي طرحناه سابقًا: هل ستتم بروتون المجموعات الوظيفية الموجودة على الأحماض الأمينية الغلوتامات أو نزع البروتونات عند درجة حموضة 2 ، عند درجة حموضة 8 ، عند درجة حموضة 11؟

الشكل 5. يصور هذا الرسم البياني حالة البروتون للغلوتامات مع تغير الأس الهيدروجيني. عند درجة حموضة أقل من pKa لكل مجموعة وظيفية على الحمض الأميني ، يتم تكوين المجموعة الوظيفية بالبروتونات. عند درجة حموضة أعلى من pKa للمجموعة الوظيفية ، يتم فصله. إذا كان الرقم الهيدروجيني يساوي pKa ، فإن المجموعة الوظيفية تكون بروتونية بنسبة 50 ٪ و 50 ٪ منزوعة البروتونات.
الإسناد: آيفي خوسيه

ملاحظة: مناقشة محتملة

  1. ما هي التكلفة الإجمالية للجلوتامات المجانية عند درجة حموضة 5؟
  2. ما هي التكلفة الإجمالية للجلوتامات المجانية عند درجة حموضة 10؟