Ðåêîìåíäîâàíî Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèì îòäåëîì âûñøåãî îáðàçîâàíèÿ â êà÷åñòâå ó÷åáíèêà äëÿ ñòóäåíòîâ âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé,

îáó÷àþùèõñÿ ïî åñòåñòâåííîíàó÷íûì íàïðàâëåíèÿì

Ðåêîìåíäîâàíî Ìèíèñòåðñòâîì îáðàçîâàíèÿ è íàóêè Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè â êà÷åñòâå ó÷åáíèêà äëÿ ñòóäåíòîâ âûñøèõ ó÷åáíûõ

çàâåäåíèé, îáó÷àþùèõñÿ ïî ìåäèöèíñêèì, áèîëîãè÷åñêèì, àãðîíîìè÷åñêèì, âåòåðèíàðíûì, ýêîëîãè÷åñêèì ñïåöèàëüíîñòÿì

ÎÁÙÀß ÕÈÌÈßÁèîôèçè÷åñêàÿ õèìèÿ

Õèìèÿ áèîãåííûõ ýëåìåíòîâ

Êíèãà 1

Ìîñêâà Þðàéò 2016

УЧЕБНИК ДЛЯ ВУЗОВ

Под редакцией Þ. À. Åðøîâà

10�е издание, исправленное и дополненное

Þ. À. Åðøîâ, Â. À. Ïîïêîâ, À. Ñ. Áåðëÿíä

Êíèãà äîñòóïíà â ýëåêòðîííîé áèáëèîòå÷íîé ñèñòåìåbiblio-online.ru

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.Правовую поддержку издательства обеспечивает юридическая компания «Дельфи».

УДК 54(075.8)ББК 24.1я73ББ О28

Авторы:Ершов Юрий Алексеевич — доктор химических наук, профессор кафе-

дры медико-технических информационных технологий факультета биомеди-цинской техники Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана, заслуженный деятель науки Российской Федерации;

Попков Владимир Андреевич — профессор, доктор педагогических наук, доктор фармацевтических наук, заведующий кафедрой общей химии лечеб-ного факультета Первого московского государственного медицинского уни-верситета имени И. М. Сеченова, заслуженный деятель науки Российской Федерации;

Берлянд Александр Семенович — доктор фармацевтических наук, канди-дат химических наук, профессор.

Рецензент:Кузьменко Н. Е. — доктор химических наук, профессор Московского госу-

дарственного университета имени М. В. Ломоносова.

О28 Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов.

В 2 кн. Книга 1 : учебник для вузов / Ю. А. Ершов, В. А. Попков, А. С. Берлянд ; под ред. Ю. А. Ершова. — 10-е изд. — М. : Издательство Юрайт, 2016. — 215 с. — Серия : Бакалавр. Академический курс.

ISBN 978-5-9916-8659-4 (кн. 1)ISBN 978-5-9916-8661-7

Данный учебник состоит из двух частей и представляет собой единый обучающий комплекс с изданиями «Практикум по общей химии» (под редак-цией В. А. Попкова, А. В. Бабкова) и «Сборник задач и упражнений по общей химии» (авторы С. А. Пузаков, В. А. Попков, А. А. Филиппова).

В учебнике изложены теоретические основы и освещены вопросы приме-нения химических и физико-химических методов к анализу явлений в биоло-гических системах различного уровня — от молекулярного до экологического. Особое внимание уделено количественной стороне рассматриваемых законо-мерностей. Иллюстрации и примеры носят медико-биологический характер.

Соответствует актуальным требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования.

Для студентов медицинских, биологических, агрономических, ветеринарных и экологических специальностей вузов.

УДК 54(075.8)ББК 24.1я73

© Ершов Ю. А., Попков В. А., Берлянд А. С., 2011© Ершов Ю. А., Попков В. А., Берлянд А. С., 2013, с изменениями© ООО «Издательство Юрайт», 2016

ISBN 978-5-9916-8659-4 (кн. 1)ISBN 978-5-9916-8661-7

Îãëàâëåíèå

Предисловие ..........................................................................5Введение................................................................................9

Часть 1 ВВЕДЕНИЕ В БИОЭНЕРГЕТИКУ.

РАСТВОРЫ. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВАГлава 1. Элементы химической термодинамики и биоэнергетики ...................................................................14

1.1. Взаимосвязь между процессами обмена веществ и энергии в организме .......................................................................................................15

1.2. Первое начало термодинамики .................................................................161.3. Закон Гесса .......................................................................................................201.4. Второе начало термодинамики. Свободная энергия Гиббса ...........251.5. Химическое равновесие ...............................................................................36

Глава 2. Учение о растворах ..................................................462.1. Основные понятия .........................................................................................462.2. Концентрация растворов и способы ее выражения............................522.3. Процесс растворения ....................................................................................542.4. Термодинамика процесса растворения ...................................................552.5. Растворимость .................................................................................................582.6. Диффузия в растворах ..................................................................................652.7. Коллигативные свойства разбавленных растворов ............................702.8. Распределение вещества между двумя несмешивающимися

жидкостями ......................................................................................................81Глава 3. Ионные равновесия и обменные реакции в растворах ..........................................................................83

3.1. Отклонение свойств разбавленных растворов солей, кислот и оснований от законов Рауля и Вант-Гоффа ......................................83

3.2. Теория электролитической диссоциации ..............................................843.3. Теория кислот и оснований ........................................................................993.4. Диссоциация воды ...................................................................................... 1053.5. Обменные реакции в растворах .............................................................. 1113.6. Кислотно-основные буферные системы растворы .......................... 1123.7. Реакции нейтрализации ............................................................................ 123

3

3.8. Реакции гидролиза ...................................................................................... 1243.9. Роль гидролиза бноорганических соединений в процассах

жизнедеятельности ..................................................................................... 1303.10. Реакция осаждения и растворенияи ................................................... 1333.11. Окислительно-восстановительные реакции ................................... 1353.12. Биологическое значение окислительно-

восстановительных процессов ............................................................. 142Глава 4. Строение атомов, химическая связь и строение молекул ............................................................. 145

4.1. История развития представлений о строении атомов ................... 1464.2. Квантово-механическая модель атома ................................................. 1494.3. Строение электронных оболочек атомов ............................................ 1534.4. Периодическая система элементов и периодический эакон

Д. И. Менделеева ......................................................................................... 1574.5. Химическая связь и ее экспериментальные характеристики ...... 1684.6. Метод валентных связей (ВС) ............................................................... 1714.7. Метод молекулярных орбиталей (МО) .............................................. 1834.8. Комплексные соединения ........................................................................ 195

Список литературы ............................................................. 208Предметный указатель........................................................ 209

ПРЕДИСЛОВИЕ

Отличительная черта современной медицины — активное внедрение до-стижений химии в теорию и практику исследований функций живого орга-низма. В связи с этим особую роль приобретают знания основ общей и био-физической химии, а также свойств биогенных элементов, которые служат фундаментом при последующем изучении биологической химии, фармако-логии, физиологии, гистологии, санитарии и гигиены, анестезиологии, пат-физиологии, профессиональных болезней, урологии, внутренних болезней, физиотерапии. Естественно, что уже само название учебника определяет его медико-биологическую направленность, отраженную в соответствую-щей Примерной программе по химии 2012 г. Эта Программа определяет порядок изложения дисциплины в учебнике. Необходимым дополнением к учебнику является практикум и сборник задач и упражнений по общей химии. Разделы органической химии, отраженные в Примерной програм-ме по химии, в данный учебник не входят.

Большое внимание в учебнике уделено количественной стороне рас-сматриваемых закономерностей, с тем чтобы студенты при изучении кур-са получали представление о порядке величин и характере их изменений в зависимости от условий. С этой целью приведены графики и таблицы. Иллюстрации и примеры, насколько это возможно, носят медико-биоло-гический характер. В конце глав даны задачи и вопросы для закрепления материала при самоподготовке.

Цель гл. 1 — определение границ применимости методов термодинами-ки к живому организму на основе системных знаний по этому разделу фи-зической химии. В этой главе рассматриваются принципы биоэнергетики.

Главы 2 и 3 отражают необходимость знаний свойств растворов неэ-лектролитов и электролитов в связи с широким применением их в практи-ческой медицине (растворимость лекарств, изотоничность, буферные си-стемы и т.д.). Систематизация этих знаний проводится на основе строгих термодинамических положений гл. 1.

В гл. 4 изложены принципы, на основе которых химические свойства вещества можно прогнозировать, исходя из строения атомов и молекул.

В гл. 5–8 даны сведения о химии биогенных элементов и основам био-неорганической химии. Систематизация этих сведений проводится на ос-нове термодинамики, теории строения молекул, учения о растворах, рас-смотренных в предыдущих главах.

В гл. 9 изложены методы количественного описания и прогнозирова-ния во времени кинетики протекания химических превращений в различ-ных условиях, в частности, физиологических.

Глава 10 посвящена физической химии поверхностных явлений. В гл. 11 изложены электрохимические явления и процессы и их

закономерности. В гл. 12 рассмотрены свойства дисперсных систем, к которым относят-

ся многие жидкости и ткани организма.

5

В гл. 13 рассмотрены физико-химические свойства высокомолекуляр-ных соединений, в частности, биополимеров.

Во всех разделах используются представления об атомно-молекуляр-ном строении вещества. При этом предполагается, что эти знания извест-ны в пределах программы средней школы. Для более глубокого понимания закономерностей, лежащих в основе химических превращений, необходи-мо использовать квантово-химические представления, изложенные в гл. 4.

Особое внимание в учебнике уделено формированию у студентов про-фессиональных компетенций по химии. В результате изучения курса сту-дент должен:

знать• формулировки основных понятий и явлений Общей химии (таких

как: открытая, закрытая и изолированная система, внутренняя энергия, рас-твор и его компоненты, кислота и основание Бренстеда, степень и констан-та ионизации, биосфера, биогеохимия, макроэлемент, микроэлемент, орга-ноген, биогенные элементы, синергизм ионов, антагонизм ионов и др.);

• квантово-механическую модель атома; • периодический закон и периодическую систему элементов

Д. И. Менде леева; • методы валентных связей и молекулярных орбиталей;• строение комплексных соединений;• общие свойства s-элементов, d-элементов, р-элементов и зависимость

химических свойств их соединений от свойств атомов;• методы измерения скорости реакции и факторы, влияющие на ско-

рость реакции;• особенности строения и состава поверхностного слоя, строение мо-

лекул поверхностно-активных веществ; • механизм электрической проводимости растворов электролитов,

способы ее выражения и факторы, влияющие на ее величину; • механизм возникновения электродных потенциалов; • устройство гальванических элементов и электродов ( водородный,

каломельный, стеклянный, серебряно-хлоридный, хингидронный, ионо селективный);

• общие свойства дисперсных систем и их классификацию; • природу и общие свойства коллоидных систем, методы их получе-

ния и очистки;• основные свойства аэрозолей, суспензий, эмульсий, коллоидных

ПАВ;• классификацию различных высокомолекулярных соединений (ВМС)

по типу мономерных звеньев, пространственной структуре, элементному составу;

• свойства полимерных материалов на основе химической природы и конформационных характеристик макромолекул, а также свойства рас-творов ВМС и студней;

уметь• формулировать и применять 1-е и 2-е начала термодинамики к раз-

личным физическим и химическим процессам, протекающим в организме;

6

• объяснять взаимосвязь между термодинамическими функциями;• объяснять процесс растворения и его термодинамику, зависимость

растворимости веществ от различных факторов; • применять для расчета свойств растворов электролитов законы ос-

моса Вант-Гоффа; • прогнозировать направление и смещение равновесия обменных

и окислительно-восстановительных реакций;• строить электронную оболочку атомов элементов и описывать стро-

ение атомов с помощью электронных формул, энергетических диаграмм и атомных орбиталей;

• на основе строения атома прогнозировать их свойства;• классифицировать химические элементы: по жизненной необходи-

мости, топографии и биологической роли в организме; • объяснять механизм реакции и характеризовать экспериментальные

методы изучения протекания реакций во времени; • по строению молекул различать поверхностно-активные, неактив-

ные и инактивные вещества;• строить изотермы поверхностного натяжения веществ и адсорбции

веществ; • вычислять электрическую проводимость раствора (удельную, мо-

лярную), электронные потенциалы по уравнению Нернста и Петерса, ЭДС гальванических элементов;

• различать дисперсные системы по степени дисперсности и агрегат-ному состоянию фаз;

• получать коллоидные растворы диспергационными и конденсаци-онными методами;

• прогнозировать на основе 1-го и 2-го начал термодинамики набуха-ние и растворение ВМС и влияние различных факторов на эти процессы;

• характеризовать коллигативные свойства растворов биополимеров и роль этих свойств в жизнедеятельности;

• прогнозировать влияние различных факторов на нарушение устой-чивости растворов ВМС;

владеть• навыками расчетов, связанных со строением вещества и химически-

ми явлениями; • навыками прогнозирования отдельных физико-химических свойств

биогенных соединений на основе строения их молекул;• навыками прогнозирования с помощью 2-го начала термодинамики

направления самопроизвольного протекания процессов в организме и глу-бину химических превращений в зависимости от условий;

• навыками прогнозирования с помощью закона действующих масс и принципа Ле-Шателье смещения физических и химических равновесий при изменении внешних условий;

• навыками построения молекул различных соединений биогенных элементов на основе положений методов валентных связей и молекуляр-ных орбиталей;

• навыками прогнозирования токсичности действия ионов некоторых элементов, взаимозамещаемости ионов в организме;

7

• навыками прогнозирования токсичности действия s-элементов, d-элементов, р-элементов на основании их физико-химических свойств;

• навыками описания протекания химических превращений во вре-мени с помощью кинетических кривых и кинетических уравнений;

• навыками прогнозирования влияния на скорость реакции концен-трации реагентов, температуры, катализаторов;

• навыками классифицирования хроматографического анализа ве-ществ по доминирующему механизму, агрегатному состоянию фаз, техни-ке эксперимента;

• навыками прогнозирования влияния различных факторов (чис-ла ионов, скорости их движения и т.д.) на электрическую проводимость растворов;

• навыками определения рН с помощью стеклянного электрода;• навыками прогнозирования молекулярно-кинетических и оптиче-

ских свойств коллоидных растворов, коагуляции коллоидных растворов под действием различных факторов, совместного коагулирующего дей-ствия электролитов, получения устойчивых лиофобных золей с помощью коллоидной защиты.

Химическая номенклатура и терминология соответствуют правилам ИЮПАК и применяются как наиболее близкие к требованиям фармако-пеи последнего издания.

Авторы благодарят рецензента Н. Е. Кузьменко за внимательное изу-чение рукописи и полезные замечания.

9

10

11

12

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23