кислотности. При небольшом повышении содержания протонов кость начинает растворяться, отдавая вначале катионы кальция:
Ca5(PO4)3OH + 2H+ |
Ca4H(PO4)3 + Ca2+ +H2O |
А при большей кислотности среды происходит ее полный распад: |
|
Ca5(PO4)3OH + 7H+ |
3H2PO4– + 5Ca2+ +H2O |
Важную роль в организме играют гетерогенные равновесия между ионами Са2+, РО43 , ОН и костной тканью, основу которой составляет гидроксиапатит Са10(РО4)6(ОН)2. Для нормального функционирования организма вреден как недостаток кальция, так и его избыток.
При недостатке ионов Са2+ возможно размягчение костной ткани, повышение хрупкости костей и другие негативные явления.
При избытке ионов Са2+ в организме самопроизвольно происходит смещение гетерогенного равновесия в сторону образования осадка, что может сопровождаться окостенением скелета, артритом и другими физиологическими отклонениями.
Распространенным заболеванием является кариес зубов. Эта патология также связана со смещением гетерогенного равновесия. Кариес зубов начинается с образования на поверхности зуба поврежденного участка эмали. Под действием кислот, вырабатываемых бактериями, происходит частичное растворение гидроксиапатита, который входит в
состав зубной эмали: |
|
|
|
|
|
Са10(РО4)6(ОН)2 + 14Н+ |
|
|
|
|
10Са2+ + 6Н2РО4 + 2Н2О. |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
В качестве средства, |
корректирующего нарушение гетерогенного |
||||
равновесия и повышающего сопротивляемость зубов к кариесу, используют фторид натрия NaF. Применение NaF способствует осаж-
дению фторапатита, тем |
|
самым |
ускоряя процесс |
реминерализации |
||
(образование кристаллов): |
|
|
|
|
|
|
10Ca2+ + 6PO43 + 2F |
|
|
|
Са10(РО4)6F2 . |
гидроксид-ионы в |
|
|
|
|
||||
|
|
|
||||
Кроме того, фторид-ионы |
легко замещают |
|||||
гидроксиапатите, образуя менее растворимый (и более твердый) защитный слой фторапатита:
Са10(РО4)6(ОН)2 + F |
|
|
|
Са10(РО4)6F2 + 2ОH . |
|
|
|
||
|
|
|
||
Следует отметить, |
|
что предельно допустимой концентрацией |
||
фторид-ионов в питьевой воде является 1 мг/л. Превышение этой концентрации может привести к другому заболеванию фторозу.
Особенности процесса камнеобразования. В организме человека ионы Ca2+ могут образовывать разные малорастворимые соединения, которые называются камнями. Камнеобразование – сложный физикохимический процесс, в основе которого лежит не только образование малорастворимых соединений, но и нарушение коллоидного равновесия в тканях организма. Формирование камней происходит из коллоидных частиц в результате процесса коагуляции.
231
Почечнокаменная болезнь связана с образованием в мочевых органах камней различного состава. При повышенной концентрации мочевой кислоты образуются ее малорастворимые соли – ураты кальция. Их образованию способствует кислая среда мочи (рН<5). В щелочной моче (рН>7) могут образовываться малорастворимые фосфаты кальция. Малорастворимые оксалаты кальция могут встречаться как в кислой, так и в щелочной моче. Размеры камней варьируют от очень мелких (песок) до величины крупного яйца.
Основным принципом лечения почечнокаменной болезни является растворение камней за счет извлечения из них ионов кальция комплексообразователями: этилендиаминтетрауксусной кислотой и ее солью трилоном Б, а также лимонной кислотой и ее солями. Больным с уратными камнями назначают молочно-растительную диету, поскольку она ощелачивает мочу, что препятствует росту уратных камней. С целью их растворения назначают цитраты калия и натрия. При фосфатных камнях рекомендуют кислые минеральные воды и трилон Б для их растворения. При наличии камней из оксалата кальция используют щелочные минеральные воды и трилон Б. В начальной стадии болезни полезны отвары и настои лекарственных растений, которые содержат вещества, играющие защитную роль, так как препятствуют слипанию ультрамикрокристаллов будущих камней.
Желчнокаменная болезнь связана с образованием холестериновых камней, билирубината кальция, а также карбоната кальция. Отложение карбоната кальция может происходить на стенках кровеносных сосудов, вызывая кальциноз.
Будущему врачу необходимо понимание закономерностей образования и растворения малорастворимых солей для профилактики и лечения различных заболеваний, вызываемых нарушениями минерального обмена в организме человека.
В основе растворения вещества в растворителе лежат межмолекулярные взаимодействия между ними с образованием сольватов, т.е. ассоциатов из молекул вещества и растворителя. Чем сильнее эти межмолекулярные взаимодействия, тем вещество лиофильнее и тем лучше оно растворяется в данном растворителе.
По растворимости в растворителе различают вещества с неограниченной растворимостью, которые смешиваются с растворителем в любых соотношениях, образуя истинные растворы, и вещества с ограниченной растворимостью в данном растворителе. В растворах веществ с ограниченной растворимостью при данных условиях существует определенная область значений их концентраций, в которой они существуют как единая гомогенная система, истинный раствор. При других условиях (концентрация, температура, давление) данная система
232
может стать гетерогенной, т.е. содержащей границу раздела фаз между растворителем и растворенным веществом.
При контакте малорастворимого сильного электролита с растворителем очень незначительная его часть полностью диссоциирует на ионы. В возникающей системе, состоящей из водного раствора малорастворимого сильного электролита и его осадка, устанавливается гетерогенное равновесие между ионами данного электролита в водной фазе и его кристаллами.
Рассмотрим гетерогенное равновесие между кристаллическим осадком малорастворимой соли BaSO4 и его насыщенным водным раствором, содержащим ионы Ba2+(р) и SO42– (р):
растворение
BaSO4 |
Ba2+(р) + SO42– (р) |
|
|
|
|
кристаллизация Полученный раствор с осадком представляет собой равновесную
гетерогенную систему. Применим к этой системе закон действующих масс, имея в виду, что концентрация твердого вещества постоянна и учитывается величиной константы скорости растворения, тогда выражение для константы гетерогенного равновесия, называемой константой растворимости, для раствора данной соли запишется:
KS ПР kраств [Ba2+] [SO42 ]
kкрист
Полученное выражение показывает, что константа растворимости при постоянной температуре постоянна и определяется только произведением концентраций ионов малорастворимого электролита в насыщенном растворе, которое также называется произведением растворимости и обозначается Кпр или ПР.
В общем случае для малорастворимого электролита KtnAnm константа растворимости Ks определяется стехеометрическим произведением концентраций ионов, посылаемых в раствор данным
электролитом:
KtnAnm nKtm+ + mAnn–
осадок раствор
KS [Ktm+]n [Ann ]m
Величина Ks характеризует растворимость электролита при данной температуре и зависит от природы малорастворимого электролита и растворителя. Значения констант растворимости приводятся в справочниках физико-химических величин.
233
Если в растворе малорастворимого сильного электролита стехиометрическое произведение концентраций ионов равно произведению растворимости малорастворимого электролита, то можно говорить об образовании насыщенного раствора данного электролита.
KS [Ktm+]n [Ann ]m
Насыщенный раствор – термодинамически устойчивая равновесная система, в которой скорость растворения вещества равна скорости его выделения из раствора.
Насыщенный раствор содержит максимально возможное при данных условиях количество растворенного вещества. Количественно растворимость веществ выражается или молярной концентрацией их насыщенных раствор. Если растворимость вещества уменьшается с повышением температуры, то для получения пересыщенного раствора необходимо нагреть его насыщенный раствор.
Выпадение осадка продолжается до тех пор, пока раствор не станет насыщенным. В некоторых случаях кристаллизация малорастворимого электролита, ограничивается только выпадением микрокристаллов, которые стабилизируются, и при этом образуется лиофобный коллоидный ультрамикрогетерогенный раствор.
Условия растворение осадка Осадок малорастворимого сильного электролита растворяется, если в
растворе над осадком этого малорастворимого электролита создать условия, при которых стехиометрическое произведение концентраций ионов станет меньше его произведения растворимости, т.е. ненасыщенный раствор.
CnKtm+ CmAnn < KS
Для растворения какого-либо осадка необходимо связать один из посылаемых им в раствор ионов другим ионом, который образовал бы с ним малодиссоциирующее соединение.
Растворение и комплексообразование. Иногда осадки солей растворяются с образованием прочных комплексных ионов. Так, хлорид серебра легко растворяется в NH4OH, потому что ионы Ag+, посылаемые осадком в раствор связываются молекулами аммиака в комплексные ионы:
AgCl + 2NH3 → [Ag(NH3)2]+ + Cl-
Понижение концентрации ионов Ag+ приводит к нарушению равновесия между раствором и твердой фазой, т.е. приводит к растворению осадка.
Малорастворимые соли сильных кислот (сульфаты щелочноземельных металлов BaSO4, CaSO4, SrSO4, AgCl и др.) в кислых средах не растворяются, так как при этом малодиссоциированные соединения не образуются.
Обменные реакции
234