Растворимость углекислого газа в воде и другие вопросы

Уважаемый Олег Мосин! Прочитал Вашу статью «Вода без воздуха (газов)» в www.o8ode.ru/article/answer/voda_bez_vozduha_gazov.htm. Разрешите задать Вам вопрос лично. Я биолог с некоторым знанием основ химии. Вопрос касается растворимости углекислого газа в воде. Сущности этого процесса. Часть растворенного газа взаимодействует с водой с образование угольной кислоты, которая диссоциирует на гидрокарбонат и ионы водорода. Зная константу диссоциации, содержание растворенного диоксида углерода, мы можем рассчитать показатель кислотности и содержание самой угольной кислоты – оно ничтожно.

Вопрос: что удерживает остальную часть диоксида углерода в воде, ведь он не находится газовой фазе, иначе бы сразу улетучился? Нигде не могу найти ответа на этот вопрос: что удерживает собственно диоксид в воде? Может он образует с молекулами воды водородные связи? Поскольку водородные связи могут образовываться между атомом водорода, связанным с атомом электроотрицательного элемента, и электроотрицательным элементом, имеющим свободную пару электронов (О,F,N)?

И еще один вопрос. При рН=3 реакция диссоциации смещается влево, угольная кислота разлагается на углекислый газ и воду. А растворенный диоксид? Все эти вопросы связаны с процессом дыхания у насекомых и взрывообразным выделением углекислого газа из жидкости трахеол. С этими вопросами напрямую связано действие карбоангидразы катализирующей процесс связывания диоксида с водой и образования гидрокарбоната. Но мне не известно, чтобы одна из многочисленных изоформ карбоангидразы катализировала обратный процесс. В случае с карбогемоглобином все ясно – эффект Бора. Но гидрокарбонат поступающий в альвеолы из плазмы крови, что индуцирует процесс связывания с протоном? Какова кинетика этого процесса?

Буду очень Вам признателен, если Вы внесете ясность в эти вопросы или уточните направление поиска ответов.

С уважением, Владимир.

_________________

Здравствуйте, Владимир.

Вообще, насколько я знаю, растворимость углекислого газа в воде выше для всех газов, она примерно в 70 раз выше растворимости кислорода и в 150 раз выше растворимости азота при коэффициенте адсорбции углекислого газа водой 12.8, что соответствует растворимости 87 мл газа в 100 мг воды. Конечное, можно было бы предположить, например, что СО2 каким-то образом встраивается внутрь замкнутых кластеров воды и удерживается в них, как это имеет место в ….. Но вряд ли такой процесс может иметь место. Растворимость газов в воде различна и зависит как от внешних факторов - температуры и давления, так и от природы самого газа и его способности вступать в химическую реакцию с водой (как это происходит в случае с углекислым газом, который растворяется в воде за счёт химической реакции с образованием угольной кислоты, в свою очередь диссоциирующей на ионы Н+ и НСО-3). Но с другой стороны только 1% СО2, находящегося в водном растворе, присутствует в нём в виде Н2СО3. На это несоответствие обратили внимание многие исследователи. Поэтому для удобства расчётов химических уравнений, рКа и рН принято считать, что весь СО2 реагирует с водой.

С точки зрения химической кинетики процесс растворения углекислого газа в воде достаточно сложен. Когда СО2 растворяется в воде, то устанавливается равновесие между угольной кислотой Н2СО3, бикарбонатом НСО3- и карбонатом СО3-.

H2O + CO2 ↔* H2CO3 ↔ H+ + HCO3- ↔ H+ + CO32-

Расчёт константы ионизации в данном случае проводится по нижеследующей схеме:

1) H2CO3 ↔ H+ + HCO3-

2) HCO3- ↔ H+ + CO32-

Константа первой стадии ионизации равна рКа1 = 4,4 x 10-7,

Константа второй стадии ионизации равна рКа2= 5,6 x 10-11,

Поскольку в растворе угольной кислоты обе стадии ионизации находятся в состоянии равновесия, можно скомбенировать первую и вторую константы ионизации  рКа1 и рКа2, умножив их:

рКа1 x pКа2 = 4,4 x 10-7  x 5,6 x 10-11 = 2,46 x10-17

Баланс между углекислым газом, бикарбонатом и карбонатом зависит от pH: здесь действует принцип Ле Шателье - наличие в растворе ионов водорода сдвигает щелочную реакцию среды и кислую сторону (рН до 5,5). И наоборот удаление протонов из системы смещает равновесие реакции влево, когда углекислый газ восполняется из карбоната и бикарбоната. Таким образом, при низком значении pH, в системе преобладает углекислый газ, и фактически ни бикарбоната, ни карбоната не образуется, тогда как при нейтральном значении pH, бикарбонат доминирует над СО2 и Н2CO3. И только при высоком pH, преобладает карбонат.

Карбоангидраза катализирует процесс гидратации СО2 и дегидратации СО2 (примерно в 100 раз).

Насчёт эффекта Бора, там если я не ошибаюсь, иной механизм - уменьшение значения рН вызывает уменьшение связывания кислорода с гемоглобином, в результате чего происходит выделение кислорода. Насколько я помню из институтского курса биохимии эффект Бора объясняется тем, что в молекуле гемоглобина имеются сайты связывания протонов в виде остатков гистидина и аспарагиновой кислоты. Как там всё происходит я точно не сказать не могу, но главная суть заключается в способности этих аминокислотных остатков взаимодействовать друг с другом в виде оксии дезокси-формы. В дезокси-форме остаток аспарагиновой кислоты способен формировать связь между протонированным остатком гистидина. Этот остаток гистидина имеет высокое значение pKa, поскольку связь гистидина с остатком аспарагиновой кислоты удерживает протон от диссоциации. Но в виде окси-форме образование такой связи невозможно и поэтому значение  pKa  для окси-формы гистидина возвращается к нормальному значению pKa. Поэтому, при рН крови 7,4  гистидин существует в оксигемоглобине в непротонированном виде. Высокие концентрации протонов способствуют образованию деокси-формы гистидина и как следствие этого освобождению кислорода.  Освобождение СО2 в свою очередь уменьшает сродство гемоглобина с кислородом двумя путями. Во-первых, некоторое количество СО2 превращается в бикарбонат, освобождая протоны, ответственные за эффект Бора. Другая часть этого бикарбоната высвобождается эритроцитами, оставшаяся же часть бикарбоната взаимодействует непосредственно с гемоглобином, связываясь с N-группой аминокислотного остатка и формируя эфир неустойчивой карбаминовой кислоты уретан.  В этом процессе снова происходит освобождение протонов, что в свою очередь приводит к высвобождению О2 и связыванию СО2. Таким образом происходит цикл дыхания.  

С уважением,

О. В. Мосин   

                 

  • Да сложный процесс. Я думал с раствлрением образуется определенная концентрация углльной кислоты. И подливая газировку можно удобрять со2 растения. Спасибо за подробный курс биохими!

    Гость (Serg)