Активная реакция. Активная реакция и окислительно-восстановительный потенциал. Что делать, если вы обнаружили у своих рыб ацидоз

Активная реакция крови, обусловленная концентрацией в ней водородных (Н") и гидроксильных (ОН") ионов, имеет чрезвычайно важное биологическое значение, так как процессы обмена протекают нормально только при определенной реакции.

Кровь имеет слабо щелочную реакцию. Показатель активной реакции (рН) артериальной крови равен 7,4; рН венозной крови вследствие большего содержания в ней углекислоты равен 7,35. Внутри клеток рН несколько ниже и равен 7 - 7,2, что зависит от метаболизма клеток и образования в них кислых продуктов обмена.

Активная реакция крови удерживается в организме на относительно постоянном уровне, что объясняется буферными свойствами плазмы и эритроцитов, а также деятельностью выделительных органов.

Буферные свойства присущи растворам, содержащим слабую (т. е. малодиссоциированную) кислоту и ее соль, образованную сильным основанием. Прибавление к подобному раствору сильной кислоты или щелочи не вызывает такого большого сдвига в сторону кислотности или щелочности, как в том случае, если прибавить то же количество кислоты или щелочи к воде. Это объясняется тем, что прибавленная сильная кислота вытесняет слабую кислоту из ее соединений с основаниями. В растворе при этом образуется слабая кислота и соль сильной кислоты. Буферный раствор, таким образом, препятствует сдвигу активной реакции. При добавлении к буферному раствору сильной щелочи образуется соль слабой кислоты и вода, вследствие чего возможный сдвиг активной реакции в щелочную сторону уменьшается.

Буферные свойства крови обусловлены тем, что в ней содержатся следующие вещества, образующие так называемые буферные системы: 1) угольная кислота - двууглекислый натрий (карбонатная буферная система)-, 2) одноосновный - двухосновный фосфорнокислый натрий (фосфатная буферная система), 3) белки плазмы (буферная система белков плазмы)-, белки, будучи амфолитами, способны отщеплять как водородные, так и гидроксильные ионы в зависимости от реакции среды; 4) гемоглобин - калийная соль гемоглобина (буферная система гемоглобина). Буферные свойства красящего вещества крови - гемоглобина - обусловлены тем, что он, будучи кислотой более слабой, чем H 2 CO 3 , отдает ей ионы калия, а сам, присоединяя Н"-ионы, становится очень слабо диссоциирующей кислотой. Примерно 75% буферной способности крови обусловлено гемоглобином. Карбонатная и фосфатная буферные системы имеют для сохранения постоянства активной реакции крови меньшее значение.

Буферные системы имеются также в тканях, благодаря чему рН тканей способен сохраняться на относительно постоянном уровне. Главными буферами тканей являются белки и фосфаты. Вследствие наличия буферных систем образующиеся в клетках в ходе процессов обмена веществ углекислота, молочная, фосфорная и другие кислоты, переходя из тканей в кровь, не вызывают обычно значительных изменений ее активной реакции.

Характерным свойством буферных систем крови является более легкий сдвиг реакции в щелочную, чем в кислую сторону. Так, для сдвига реакции плазмы крови в щелочную сторону приходится прибавлять к ней в 40-70 раз больше едкого натра, чем к чистой воде. Для того же чтобы вызвать сдвиг ее реакции в кислую сторону, к ней необходимо добавить в 327 раз больше соляной кислоты, чем к воде. Щелочные соли слабых кислот, содержащиеся в крови, образуют так называемый щелочной резерв крови. Величину последнего можно определить по тому количеству кубических сантиметров углекислоты, которое может быть связано 100 мл крови при давлении углекислоты, равном 40 мм рт. ст., т. е. приблизительно соответствующем обычному давлению углекислоты в альвеолярном воздухе.

Так как в крови имеется определенное и довольно постоянное отношение между кислотными и щелочными эквивалентами, то принято говорить о кислотно-щелочном равновесии крови.

Посредством экспериментов над теплокровными животными, а также клиническими наблюдениями установлены крайние, совместимые с жизнью пределы изменений рН крови. По-видимому, такими крайними пределами являются величины 7,0-7,8. Смещение рН за эти пределы влечет за собой тяжелые нарушения и может привести к смерти. Длительное смещение рН у человека даже на 0,1-0,2 по сравнению с нормой может оказаться гибельным для организма.

Несмотря на наличие буферных систем и хорошую защищенность организма от возможных изменений активной реакции крови, сдвиги в сторону повышения ее кислотности или щелочности все же иногда наблюдаются при некоторых условиях как физиологических, так в особенности патологических. Сдвиг активной реакции в кислую сторону называется ацидозом, сдвиг в щелочную сторону - алкалозом.

Различают компенсированный и некомпенсированный ацидоз и компенсированный и некомпенсированный алкалоз. При некомпенсированном ацидозе или алкалозе наблюдается действительный сдвиг активной реакции в кислую или щелочную сторону. Это происходит вследствие исчерпания регуляторных приспособлений организма, т. е. тогда, когда буферные свойства крови оказываются недостаточными для того, чтобы воспрепятствовать изменению реакции. При компенсированном ацидозе или алкалозе, которые наблюдаются чаще, чем некомпенсированные, не происходит сдвига активной реакции, но уменьшается буферная способность крови и тканей. Понижение буферности крови и тканей создает реальную опасность перехода компенсированных форм ацидоза или алкалоза в некомпенсированные.

Ацидоз может возникнуть, например, вследствие увеличения содержания в крови углекислоты или вследствие уменьшения щелочного резерва. Первый вид ацидоза -газовый ацидоз наблюдается при затрудненном выделении углекислоты из легких, например при легочных заболеваниях. Второй вид ацидоза негазовый, он встречается при образовании в организме избыточного количества кислот, например при диабете, при почечных болезнях. Алкалоз также может быть газовым (усиленное выделение CO 3) и негазовым (увеличение резервной щелочности).

Изменения щелочного резерва крови и незначительные изменения ее активной реакции всегда происходят в капиллярах большого и малого круга кровообращения. Так, поступление большого количества углекислоты в кровь тканевых капилляров вызывает закисление венозной крови на 0,01-0,04 рН по сравнению с артериальной кровью. Противоположный сдвиг активной реакции крови в щелочную сторону происходит в легочных капиллярах в результате перехода углекислого газа в альвеолярный воздух.

В сохранении постоянства реакции крови имеет большое значение деятельность дыхательного аппарата, обеспечивающего удаление избытка углекислоты путем усиления вентиляции легких. Важная роль в поддержании реакции крови на постоянном уровне принадлежит также почкам и желудочно-кишечному тракту, выделяющим из организма избыток как кислот, так и щелочей.

При сдвиге активной реакции в кислую сторону, почки выделяют с мочой увеличенные количества кислого одноосновного фосфата натрия, а при сдвиге в щелочную сторону происходит выделение с мочой значительных количеств щелочных солей: двухосновного фосфорнокислого и двууглекислого натрия. В первом случае моча становится резко кислой, а во втором - щелочной (рН мочи в нормальных условиях равен 4,7- 6,5, а при нарушениях кислотно-щелочного равновесия может достигать 4,5 и 8,5).

Выделение относительно небольшого количества молочной кислоты осуществляется также потовыми железами.

Из курса химии каждый из нас помнит формулы хотя бы нескольких молекул. Даже если вы не знаете самих принципов химии, то наверняка у вас в памяти отложилась одна символическая запись - Н2О, обозначающая, что молекула воды состоит из двух атомов водорода, соединенных с атомом кислорода. Но такая молекула является химически неактивной, то есть не может вступать в реакции с другими веществами. Этот процесс возможен лишь при распаде молекул на ионы.

Не все, но определенная часть молекул воды диссоциирует на положительно заряженный катион Н+ и анион с отрицательным зарядом ОН-. Такое разделение и соединение в полную молекулу происходит постоянно, одна часть молекул распадается на ионы, а другая в это время соединяется воедино. В химически чистой воде при комнатной температуре 1/10 000 000 часть от общего числа молекул постоянно находится в диссоциированном состоянии.

Доля диссоциированных молекул может увеличиваться или уменьшаться. Колебания температуры на это явление не воздействуют, по крайней мере в пределах комнатной температуры число молекул остается прежним. Зато добавки других веществ, растворяемых в воде, сильно влияют на количество частиц.

Воздействие, оказанное на степень диссоциации, может быть троякое:

1. Растворенное вещество не изменяет долю диссоциированных молекул. Например, вы можете растворить в воде кухонную соль (NaCl), которая продиссоциирует на ионы Na+ и С1-. Доля ионов Н+ и ОН-, составляющих воду, при этом не изменится.
2. Растворенное вещество увеличивает концентрацию ионов Н+. Например, молекулы фосфорной кислоты Н2РО3 также продиссоциируют на два иона Н+ и один РО3-. А значит, количество ионов Н+ в растворе воды и фосфорной кислоты станет больше, в то время как число ионов ОН- не изменится.
3. Растворенное вещество увеличивает концентрацию ионов ОН-. Например, молекулы едкого натрия (NaOH) образуют ионы Na+ и ОН-. В этом случае концентрация ионов Н+ не изменится, а ионов ОН- в растворе станет больше.

На этом можно окончить насыщенный сложными терминами пролог и сделать основные выводы. Избыток Н+ придает воде кислотные свойства, а избыток ОН- - щелочные. Там, где доля диссоциированных молекул не изменилась, вода имеет нейтральные свойства. В целом, подобная характеристика воды называется активной реакцией.

Чтобы оценить активную реакцию в цифрах, применяют так называемый водородный показатель. Он равен антилогарифму ионов Н+ в растворе, то есть для химически чистой воды antilog (1/10 000 000) = 7. Для тех, кто не очень дружит с математикой и не знает, что такое антилогарифм, обращаю внимание на количество нолей в доле диссоциированных молекул воды - оно совпадает с величиной водородного показателя. Сокращенно величину водородного показателя нейтральной воды записывают как рН 7. Сокращение рН означает pondus hydrogenii, что переводится с латинского языка как "водородный показатель".

В самом общем смысле при рН 7 вода обладает нейтральными свойствами, при рН 7 - щелочная. Для более точного указания свойств воду называют:

• рН 1-3 - сильнокислой;
• рН 3-5 - кислой;
• рН 5-7 - слабокислой;
• рН 7 - нейтральной;
• рН 7-9 - слабощелочной;
• рН 9-11 - щелочной;
• рН 11-14 - сильнощелочной.

В приведенном выше примере список различных веществ, изменяющих водородный показатель, далеко не исчерпан. Все они, независимо от химического состава, оказывают влияние на эту величину. Понижают ее (или, иными словами, подкисляют воду) кислоты и их соли. Повышению водородного показателя способствует наличие в воде щелочей или щелочных солей. Часть веществ не изменяет величину водородного показателя - это нейтральные вещества.

В аквариумной практике давно применяются несколько веществ, способных повлиять на активную реакцию. Например, снижение величины рН производят с помощью кислого отвара торфа. Такое же действие имеет растворенный в воде углекислый газ. При разведении аквариумных рыбок нередко используют и ортофосфорную кислоту. Повышение величины водородного показателя производят с помощью раствора питьевой соды (Nа2НСОз). Как вы понимаете, подкислить или подщелочить воду можно любым веществом, обладающим соответствующими свойствами, но для использования в аквариуме оно не должно быть ядовитым. Поэтому приведенный список применяемых в аквариумистике веществ можно считать исчерпанным.

Нередко, говоря о водородном показателе воды, аквариумисты употребляют термины "кислотность" или "щелочность". При этом они применяют их так, будто увеличение кислотности - это то же самое, что снижение водородного показателя, и наоборот. На самом же деле это ошибка. Кислотностью называют количество кислотных остатков в воде и измеряют в мг/л, а это значит, что одна и та же кислотность может соответствовать различным значениям водородного показателя, смотря какой именно силой обладает этот кислотный остаток. Например, в одной пробе в одинаковой концентрации растворена угольная кислота, а в другой - соляная. Так как кислотные свойства соляной кислоты в сотни раз сильнее, чем угольной, то водородный показатель в растворе соляной кислоты будет намного ниже, а кислотность растворов станет при этом одинаковой. То же самое можно сказать и о щелочности. Эти термины в аквариумной практике лучше не использовать вообще.

И. Шереметьев

Активная реакция среды . Обусловлена присутствием в воде ионов Н + и ОН - . Как известно, часть молекул воды диссоциирует на эти ионы, причем произведение их концентраций есть величина постоянная, численно равная при 25°С 10 -14 г-ионов в 1 дм 3 воды.

Рисунок 6 - Схема круговорота вещества в океане (по )

В случае, когда концентрации ионов Н + и ОН - равны (каждый из них содержится в количестве 10 -7 г-ионов/дм 3) вода нейтральная . С увеличением содержания ионов Н + и ОН - более 10 -7 г-ионов/дм 3 вода будет соответственно кислой или щелочной .

Обычно в качестве показателя активной реакции берется не концентрация Н + , а ее десятичный логарифм с обратным знаком. Эта величина называется водородным показателем и обозначается символом рН . Если рН меньше 7 - вода кислая, больше 7 - щелочная, для нейтральной воды рН равен 7.

Активная реакция природных вод довольно устойчива, т.к. они благодаря присутствию карбонатов представляют собой сильно забуфференную систему. В случае отсутствия карбонатов рН воды может снижаться. Во время интенсивного фотосинтеза рН может подниматься до 10 и более вследствие почти полного исчезновения из воды углекислоты.

В морских водах рН обычно равен 8,1-8, Природные воды с рН от 3,4 до 6,5 называются кислыми , с рН от 6,5 до 7,5 - нейтральными , с рН от 7,5 до 10 и выше - щелочными .

В одном и том же водоеме рН в течение суток может колебаться на 2 единицы и более: ночью рН понижается в результате подкисления воды выделяющимся в процессе дыхания углекислым газом, днем повышается за счет потребления углекислого газа фотосинтезирующими растениями. В грунтах озер и болот рН обычно несколько ниже 7, в океанических осадках он часто бывает несколько сдвинут в щелочную сторону.

По отношению к различным концентрациям водородных и гидроксильных ионов гидробионты подразделяются на:

эвриионных , выдерживающих большие изменения рН;

стеноионных , обитающих в водах с колебанием рН в незначительных пределах. Среди стеноионных выделяются ацидофильные (предпочитают кислые воды), алкалифильные (обитают в щелочных водах).

Экологическое действие рН связано с изменением проницаемости наружных мембран клеток, влиянием на водно-солевой обмен, границы распространения и характер жизнедеятельности гидробионтов.

Окислительно-восстановительный потенциал. Характеризует условия протекания в среде окислительных и восстановительных процессов.

В результате взаимодействия двух веществ может происходить окислительно-восстановительная реакция, приводящая к возникновению между ними разности электрических потенциалов - Еh , или редоксипотенциала . Величина Еh измеряется обычно милливольтами (мВ ). Он тем выше, чем больше отношение концентрации компонентов, способных к окислению, к концентрации компонентов, могущих восстанавливаться.

Концентрация окисленной формы водорода (Н +) характеризуется величиной рН, концентрация восстановленной формы водорода выражается показателем rH (или rH 2 ), представляющим собой логарифм величины давления молекулярного водорода, взятый с обратным знаком. Чем меньше величина rH, тем выше восстановительная способность среды. Таким образом, окислительно-восстановительные свойства среды могут характеризоваться как величиной редоксипотенциала Eh, так и условными единицами rH, указывающими концентрацию молекулярного водорода, способную создать данные окислительно-восстановительные условия. Чем выше редоксипотенциал, тем выше окислительная способность среды и тем выше величина r, т.е. ниже концентрация молекулярного водорода, необходимая для создания окислительно-восстановительных условий.

Связь между Eh, rH и рН выражается зависимостью:

Eh=0,029 (rH-2pH).

Вода морских и пресных водоемов, содержащая значительное количество кислорода, имеет положительный Eh=300-350 мВ, т.е. является средой окисленной, и в ней величина rH=35-40. В придонных слоях воды содержание кислорода снижается, Eh становится отрицательным, rH падает до 15-12.

Величина редоксипотенциала влияет на скорость окисления сероводорода серными бактериями, на поведение гидробионтов.

Те или иные свойства воды в разных участках водоемов, водотоков проявляются в неодинаковой степени. Проникновение света, движение воды, температурный режим, кислородный баланс и др. показывают, что в различных участках водоемов свойства воды проявляются не в равной мере.

Концентрация водородных ионов в среде (почве, воде); рН. При рН 7 среда нейтральная, ниже 7 - кислая, выше 7 - щелочная. Активная реакция среды - один из основных абиотических факторов. Изменяя проницаемость наружных мембран клеток, рН влияет на водно-солевой обмен организмов. Различают стеноионные виды , обитающие в водах с колебаниями рН, например, в пределах 5-6, и эвриионные виды , выдерживающие большие изменения этого фактора. С возрастом устойчивость организмов к сдвигу рН повышается (так, молодые особи рачка Gammarus pulex в воде с рН 6-6,2 погибают через 1,5-2 суток, а более крупные - через 5). От рН воды зависит устойчивость гидробионтов к токсическим веществам.

Экологический энциклопедический словарь. - Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии . И.И. Дедю . 1989 .

Смотреть что такое "АКТИВНАЯ РЕАКЦИЯ СРЕДЫ" в других словарях:

РЕАКЦИЯ СРЕДЫ - РЕАКЦИЯ СРЕДЫ, термин, употребляемый в химии и характеризующийся соотношением водородных и гидроксильных ионов. Р. с. является кислой, если в растворе преобладают водородные ионы; раствор обнаруживает в атом случае свойства к^гы. В случае… …

См. в ст. Активная реакция среды. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989 … Экологический словарь

ФЕРМЕНТЫ - (син. энзимы; франц. диастазы), биол. агенты, катализирующие большинство хим. реакций, лежащих в основе жизнедеятельности клетки и организма. Ряд характерных свойств термолябильность, специфичность действия, высокая каталитическая эффективность,… … Большая медицинская энциклопедия

- (от лат. fermentum – закваска) энзимы, специфические белковые катализаторы, присутствующие во всех живых клетках. Почти все биохимические реакции, протекающие в любом организме и в своём закономерном сочетании составляющие его Обмен… …

ОБЛИТЕРАЦИЯ - (лат. obliteratio уничтожение), термин, употребляемый для обозначений закрытия, уничтожения той или иной полости или просвета посредством разрастания^ ткани, идущего со стороны стенок данного полостного образования. Указанное разрастание чаще… … Большая медицинская энциклопедия

ЛЮМИНИСЦЕНЦИЯ - (от лат. lumen свет), «холодное свечение», обусловленное не повышением t° (тепловое или температурное излучение), но различными иными причинами. В зависимости от способа возбуждения свечения различают несколько видов Л. Таковы: 1) … Большая медицинская энциклопедия

УГЛЕКИСЛОТА - встречается в воде водоема в нескольких видах: свободная, бикарбонатная и монокарбонатная. Количество свободной У. является показателем загрязнения воды органическими веществами; увеличение ее до 30 мл/л вредно для рыб (вызывает у них учащенное… … Прудовое рыбоводство

Жидкая ткань, циркулирующая в кровеносной системе человека и животных; обеспечивает жизнедеятельность клеток и тканей и выполнение ими различных физиологических функций. Одна из основных функций К. транспорт газов (O2 от органов… … Большая советская энциклопедия

Густой, труднопроходимый широколиственно темнохвойный многоярусный заболоченный или переувлажненный лес. Термин обычно применяется к европейским лесам (например, Беловежская пуща, Налибокская пуща). рН СРЕДЫ, см. Активная реакция среды.… … Экологический словарь

Виды, выдерживающие большие изменения рН среды (например, личинки комара Chironomus, способные выдерживать колебания рН от 2 до 10, рачки Cyclops languidus и Chydorus ovalis, коловратки Anuraea cochlearis и др.). Ср. Стеноионные виды. См. также… … Экологический словарь

Под активной реакцией среды понимают концентрацию водородных ионов. В числе различных физико-химических защитных констант организма таких, как изотермия, изотония и другие постоянство концентрации водородных ионов – изогидрия – имеет особо важное значение для биологических процессов организма. Физико-химическое состояние белков, каталитическая функция ферментов, активность солевых ионов зависят от концентрации ионов водорода.

Ионное произведение воды. Водородный показатель

Точные измерения показывают, что чистая дистиллированная во­да в незначительной степени электропроводна. Следовательно, вода в некоторой степени диссоцирована, что можно представить уравнением:

Для обратимых процессов константа диссоциаций (К) выражается уравнением:

где [Н + и - концентрации ионов Н + и ОН - при установившемся равновесии диссоциированных и недиссоциированных: молекул воды. Выражается эта концентрация в г-ионах на литр (г-ион/л), 1 г-ион Н + = I г, I г-ион ОН - = 17 г. [Н 2 О] - равновесная концентрация недиссоцированных молекул воды, моль/л.

Принимая во внимание, что из 555 млн. молекул воды диссоцирует только одна, можно допустить, что концентрация недиссоцированных молекул воды практически равна общей концентрации воды.

Концентрация воды определяется количеством г-молей воды в I л.Таким образом, зная значения К и , из уравнения I можно определить величину произведения |Н + ] и :

|Н + ] . [ OH - ] = К . [ H 2 O ] = 1,8 . 10 -16 . 55,56 = 1 . 10 -14 , т.е.

|Н + ] . [ OH - ] = 10 -14 (2)

Произведение концентрации ионов водорода и ионов гидроксида для воды при постоянной температуре есть величина постоянная и называется ионным произведением воды.

Таким образом, связанные между собой концентрации гидроксид-ионов и ионов водорода являются величинами сопряженными. Следова­тельно, если добавлением кислоты увеличить концентрацию ионов водорода, то одновременно во столько же раз уменьшится концентрация гидроксид-ионов. Следовательно, по концентрации ионов водорода можно судить о характере среды:

|Н + ] = [ OH - ] = 10 -7 - среда нейтральная;

|Н + ] > [ OH - ] > 10 -7 - среда кислая;

|Н + ] < [ OH - ] < 10 -7 - среда щелочная.

Следует отметить, что характеризовать кислотностъ и щелочность раствора числами с отрицательными показателями степени очень неудобно. Поэтому степень кислотности растворов принято выражать не концентрацией ионов Н+, а ее десятичным логарифмом, взятым с обратным знаком. Эту величину называют водородным показателем и обозначают через рН:

рН = - lg |Н + ] (3)

Следовательно, диапазон концентраций ионов водорода, выраженных через рН, будет представлен рядом натуральных чисел по схеме:

Рис. 1.2. Диапазон концентраций ионов водорода и значений

При переводе с Н + в рН следует пользоваться таблицами логарифмов.

Методы определения рН среды

Кислотность среды оценивают рН-метрией. Один из способов определения рН основан на способности некоторых веществ, называемых индикаторами, изменять свою окраску в зависимости от рН среды. Каждый индикатор характеризуется определенным интервалом перехода окраски. Так, фенолфталеин меняет свою окраску от бесцветной до красной в пределах рН 8,2-10,0, а метилоранж – в пределах 3,1-4,4.

Методы определения рН среды, основанные на изменении окраски индикаторов, называют колориметрическими . В настоящее время чаще все­го используют универсальные индикаторы. Это смесь обычных индикато­ров, изменяющая окраску в пределах рН от 2,0 до 10.

При определении рН раствора универсальным индикатором каплю ин­дикатора вносят в исследуемый раствор. Появившуюся окраску сравнивают с прилагаемым к индикатору спектром цветов, соответствующих определенным значениям рН. Точность измерения pН среды колориметрическим методом ± 0,1. В качестве индикатора может служить и бума­га, пропитанная индикатором (бумажные индикаторы).

Другим более точным методом определения рН является электрометрический метод, для определения концентраций водородных ионов в растворе злектрометрическим методом используются гальванические элементы, составленные из двух электродов – электрода сравнения с устойчивым и известным потенциалом и индикаторного (электрода измерения), потенциал которого зависит от концентрации ионов Н + в растворе. В качестве электродов сравнения часто применяют водородный, хингидронный, сурьмяный и стеклянный электроды. Стеклянный электрод хорошо работает в агрессивных средах, потенциал его быстро устанавливается.

Электродвижущая сила гальванического элемента может измеряться либо включением в цепь вольтметра, либо компенсационным методом. На практике пользуются только вторым из указанных методов. Сущность его состо­ит в том, что э.д.с. исследуемого гальванического элемента уравно­вешивается разностью потенциалов, которая получается на части рео­хорда компенсационной установки, питаемой двухвольтовым аккумулятором. Оба элемента присоединяются друг к другу одноименными полюсами.