Химия. Основы химии живого. Слесарев В.И.

4-е изд., испр. - СПб: 2007 - 784 с.

Автор - лауреат конкурса Министерства общего и профессионального образования РФ по созданию учебников нового поколения по естественнонаучным дисциплинам для студентов вузов. В учебнике изложен полный курс химии, причем в разделах общей, бионеорганической, биофизической и коллоидной химии акцент сделан на рассмотрение процессов, протекающих в живых системах. Основная цель учебника - сформировать целостное восприятие химии и раскрыть химические основы жизнедеятельности. Предназначен для студентов вузов, учащихся медучилищ, старшеклассников и всех читателей, стремящихся постичь тайны живой материи.

Формат: pdf

Размер: 21 Мб

Смотреть, скачать: drive.google

ОГЛАВЛЕНИЕ
От автора 11
МОДУЛЬ I ВВЕДЕНИЕ В СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА, БИОЭНЕРГЕТИКУ И ХИМИЧЕСКУЮ КИНЕТИКУ
Глава 1. СТРОЕНИЕ АТОМА, ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА 14
1.1. Строение атома 14
1.1.1. Квантовые числа 17
1.1.2. Принципы заполнения атомных орбиталей электронами 20
1.2. Периодический закон и периодическая система элементов Д. И. Менделеева 22
1.3. Основные характеристики атомов элементов 26
1.3.1. Радиус атома 26
1.3.2. Энергия ионизации 28
1.3.3. Энергия сродства к электрону 28
1.3.4. Относительная электроотрицательность 29
Глава 2. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ 31
2.1. Ковалентная связь 32
2.1.1. а- и 7Г-Молекулярные орбитали 33
2.1.2. Механизмы возникновения ковалентной связи 34
2.1.3. Особенности ковалентной связи 37
2.2. Ионная связь 46
2.3. Металлическая связь 47
Глава 3. МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И АГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА 48
3.1. Межмолекулярные взаимодействия 48
3.2. Агрегатное состояние вещества 56
3.2.1. Твердое состояние 61
3.2.2. Жидкое состояние 65
3.2.3. Жидкокристаллическое состояние 66
3.2.4. Паро- и газообразное состояния 71
Глава 4. ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ И БИОЭНЕРГЕТИКИ 73
4.1. Основные понятия термодинамики 73
4.2. Первый закон термодинамики 79
4.3. Понятие о самопроизвольных процессах. Энтропия 84
4.4. Второй закон термодинамики. Энергия Гиббса 86
4.5. Принцип энергетического сопряжения биохимических реакций 90
4.6. Особенности термодинамики биохимических процессов в равновесных и стационарных состояниях. Понятие о гомеостазе 92
Глава 5. ОСНОВЫ КИНЕТИКИ БИОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ И ХИМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ 96
5.1. Основные понятия и терминология раздела 97
5.2. Факторы, влияющие на скорость гомогенных реакций 100
5.2.1. Влияние природы реагирующих веществ 100
5.2.2. Влияние концентрации реагентов. Константа скорости реакции. Понятие о порядке реакции по реагенту 100
5.2.3. Влияние температуры. Энергия активации 104
5.2.4. Влияние катализатора 106
5.3. Особенности кинетики гетерогенных реакций 108
5.4. Особенности кинетики цепных реакций 108
5.5. Химическое равновесие 109 5.5.1. Смещение химического равновесия 114
5.6. Ферментативный катализ и его особенности 116
5.7. Автоколебательные биохимические процессы 121
МОДУЛЬ II РАВНОВЕСИЯ В ЖИДКИХ СРЕДАХ ОРГАНИЗМА
Глава 6. РАСТВОРЫ И ИХ КОЛЛИГАТИВНЫЕ СВОЙСТВА 124
6.1. Вода как растворитель и ее роль в жизнедеятельности 125 организма
6.2. Термодинамика процесса растворения 134
6.3. Способы выражения концентрации растворов 135
6.4. Коллигативные свойства растворов 139
6.4.1. Диффузия 139
6.4.2. Осмос. Осмотическое и онкотическое давление 140
6.4.3. Давление насыщенного пара над раствором 147
6.4.4. Температура кипения и замерзания раствора 149
Глава 7. РАСТВОРЫ ЭЛЕКТРОЛИТОВ И ИОННЫЕ РАВНОВЕСИЯ 153
7.1. Электролитическая диссоциация 153
7.2. Равновесие в растворах слабых электролитов 156
7.2.1. Влияние общего иона и противоиона на равновесие 158
7.2.2. Взаимосвязь константы диссоциации и степени диссоциации 159
7.3. Особенности растворов сильных электролитов. Ионная 159 сила раствора
7.4. Электролитическая диссоциация и ионное произведение воды 162
7.5. Водородный и гидроксильный показатели (рН и рОН) 164
7.6. Физико-химические основы водно-электролитного баланса в организме 167
Глава 8. ТЕОРИЯ КИСЛОТ И ОСНОВАНИЙ И ПРОТОЛИТИЧЕСКИЕ РАВНОВЕСИЯ 173
8.1. Протолитическая теория кислот и оснований 173
8.2. Кислотно-основные свойства сс-аминокислот 180
8.3. Важнейшие кислотно-основные реакции 183
8.3.1. Гидролиз солей 183
8.3.2. Реакции нейтрализации 186
8.3.3. Общая, активная и потенциальная кислотность растворов 189
8.4. Протолитический баланс. Буферные растворы и их 193 свойства
8.5. Буферные системы организма, их взаимодействие, яв- 197 t ления ацидоза и алкалоза
Глава 9. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ, ИХ ЗАКОНОМЕРНОСТИ И РОЛЬ В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ 208
9.1. Основные понятия и факторы, влияющие на протекание 208 окислительно-восстановительных реакций
9.2. Направление протекания окислительно-восстановитель- 212 ных реакций
9.3. Особенности биохимических окислительно-восстанови- 215 тельных процессов в организмах
9.3.1. Степень окисления углерода в органических соединениях 219
9.3.2. Биохимические реакции внутри- и межмолекулярной 220 окислительно-восстановительной дисмутации за счет атомов углерода
9.3.3. Окислительно-восстановительные превращения кофак- 221 торов и коферментов оксидоредуктаз
9.3.4. Электронотранспортные цепи 225
9.3.5. Дегидрогеназное окисление-восстановление 227
9.3.6. Окислительное фосфорилирование 229
9.3.7. Фотофосфорилирование 232
9.3.8. Оксигеназное окисление-восстановление 234
9.3.9. Свободнорадикальное окисление и антиоксидантная 236 система организма
9.4. Использование окислителей и восстановителей в меди- 242 ко-санитарной практике
Глава 10. КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И ИХ СВОЙСТВА 243
10.1. Основные понятия и терминология 243
10.2. Химическая связь в комплексных соединениях и осо- 246 бенности их строения
10.3. Химические свойства комплексных соединений 249
10.4. Медико-биологическая роль комплексных соединений 255
10.5. Металлолигандный баланс и его нарушения 261
10.6. Комплексонометрия 263
Глава 11. ГЕТЕРОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И РАВНОВЕСИЯ В РАСТВОРАХ 266
11.1. Основные понятия и теоретические основы 266
11.2. Гетерогенные равновесия в растворах, связанные с 269 процессом кристаллизации
11.3. Гетерогенные равновесия в растворах, связанные 273 с процессом расслоения
11.4. Гетерогенные равновесия в живых системах 275
МОДУЛЬ III ХИМИЯ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Глава 12. ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ-ОРГАНОГЕНОВ 284
12.1. Классификация и распространенность химических эле- 284 ментов в организме человека и окружающей среде
12.2. Строение, химические свойства и роль элементов- 288 органогенов и их соединений в растительном и живот¬ном мире
12.2.1. Водород и его соединения 288
12.2.2. Углерод и его соединения 29 5
12.2.3. Азот и его соединения 304
12.2.4. Фосфор и его соединения 311
12.2.5. Кислород и его соединения 318
12.2.6. Сера и ее соединения 322
12.3. Строение и химические свойства галогенов и их соеди- 331 нений
Глава 13. ХИМИЯ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ ЖИЗНИ И ИХ РОЛЬ В РАСТИТЕЛЬНОМ И ЖИВОТНОМ МИРЕ 337
13.1. Химия ионов s-металлов в организме 337
13.1.1. Натрий и калий 338
13.1.2. Магний и кальций 341
13.2. Химия ионов d-металлов в организме 344
13.2.1. Марганец 346
13.2.2. Железо и кобальт 349
13.2.3. Медь 352
13.2.4. Цинк 355
13.2.5. Молибден 356
Глава 14. ХИМИЯ И АНАЛИЗ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 358
14.1. Химия загрязнений атмосферы 359
14.1.1. Токсический смог 361
14.1.2. Фотохимический смог 362
14.1.3. Кислотные дожди . 363
14.1.4. Загрязнение атмосферы другими токсикантами 364
14.1.5. Разрушение озонового слоя 365
14.2. Методы анализа токсикантов и методы снижения их 366 поступления в атмосферу
14.3. Загрязнение гидросферы. Понятие об общих показа- 370 телях, характеризующих природные и сточные воды
МОДУЛЬ IV ОСНОВЫ БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Глава 15. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ 375
15.1. Основы классификации и номенклатуры органических 375 соединений
15.2. Пространственная структура биоорганических молекул 381 и виды изомерии
15.3. Понятие о взаимном влиянии атомов в молекуле и 388 электронные эффекты
15.4. Классификация органических реакций и их компо- 390 нентов
Глава 16. АЛИФАТИЧЕСКИЕ И АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ 399
16.1. Строение и реакционная способность алканов 400
16.2. Строение и реакционная способность ненасыщенных 408 углеводородов: алкенов и диенов
16.3. Ароматические углеводороды (арены) 417
Глава 1 7. СПИРТЫ, ФЕНОЛЫ, ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ, ТИОЛЫ И СУЛЬФИДЫ 426
17.1. Классификация, номенклатура, изомерия спиртов и 426 фенолов
17.2. Физико-химические свойства спиртов и фенолов 429
17.3. Химические свойства спиртов 430
17.4. Химические свойства фенолов 438
17.5. Простые эфиры 442
17.6. Тиолы и сульфиды 443
Глава 18. АЛЬДЕГИДЫ, КЕТОНЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ 449
18.1. Строение, номенклатура и физико-химические свой- 449 ства альдегидов и кетонов
18.2. Химические свойства альдегидов и кетонов 451
18.2.1. Кислотно-основные свойства 452
18.2.2. Электрофильно-нуклеофильные свойства 455
18.2.3. Окислительно-восстановительные свойства 460
18.2.4. Комплексообразующие свойства 465
18.3. Альдегиды и кетоны в окружающей среде 466
Глава 19. КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ 468
19.1. Строение, номенклатура и физико-химические свой- 468 ства карбоновых кислот
19.2. Химические свойства предельных кислот и их произ- 471 водных
19.2.1. Кислотно-основные свойства 472
19.2.2. Карбоновые кислоты как ацилирующие реагенты 473
19.2.3. Производные карбоновых кислот, их свойства и вза- 477 имные превращения
19.2.4. Окислительно-восстановительные свойства карбоновых 482 кислот и их производных
19.3. Особенности свойств замещенных карбоновых кислот 484 и их производных
19.3.1. Дикарбоновые кислоты 484
19.3.2. Гидроксикарбоновые кислоты 487
19.3.3. Оксокарбоновые кислоты 491
19.3.4. Ненасыщенные карбоновые кислоты 497
19.4. Основные реакции метаболизма карбоновых кислот 500
19.4.1. Биосинтез жирных кислот 501
19.4.2. Биологическое окисление жирных кислот 502
19.4.3. Реакции цикла Кребса 505
19.5. Кислоты ароматического ряда и их производные как 509 лекарственные средства
Глава 20. ЛИПИДЫ 513
20.1. Жиры и воски 514
20.2. Омыляемые сложные липиды 519
20.3. Неомыляемые липиды - низкомолекулярные биоре- 521 гуляторы
Глава 21. АМИНОКИСЛОТЫ, ПЕПТИДЫ И БЕЛКИ 528
21.1. Строение, классификация и физико-химические свой- 528 ства а-аминокислот
21.2. Химические свойства а-аминокислот 533
21.2.1. Кислотно-основные свойства и прототропная тауто- 533 мерия
21.2.2. Комплексообразующие свойства 538
21.2.3. Электрофильно-нуклеофильные свойства 538
21.2.4. Окислительно-восстановительные свойства 543
21.3. Структура и свойства пептидов 550
21.4. Структура и свойства белков 554
Глава 22. УГЛЕВОДЫ И ПОЛИСАХАРИДЫ 569
22.1. Строение, изомерия и свойства моносахаридов 570
22.1.1. Химические свойства моносахаридов и их производных 576
22.1.2. Катаболизм глюкозы - гликолиз 584
22.2. Строение и свойства дисахаридов 588
22.3. Полисахариды, их структура и свойства 591
22.3.1. Гомополисахариды 591
22.3.2. Гетерополисахариды, протеогликаны, гликопротеины 595
Глава 23. БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ 599
23.1. Электронные состояния атома азота в его соединениях 600 и свойства этих соединений
23.2. Роль аммиака для живых организмов и пути его обез- 607 вреживания. Цикл мочевины и ее свойства
23.3. Азотсодержащие ароматические гетероциклические со- 612 единения
23.4. Нуклеозиды, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты, их 626 структура и свойства
МОДУЛЬ V ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Глава 24. ЭЛЕКТРОХИМИЯ. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ 638
24.1. Электрическая подвижность ионов в растворе 639
24.2. Удельная электрическая проводимость растворов элек- 642 тролитов
24.3. Молярная электрическая проводимость растворов элек- 643 тролитов
24.4. Закон независимого движения ионов в разбавленных 645 растворах (закон Кольрауша)
24.5. Кондуктометрические методы анализа 646
24.5.1. Кондуктометрическое титрование 646
24.6. Электрическая проводимость биологических объектов 649 в норме и патологии
Глава 25. МЕЖФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ, ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ, ПОТЕНЦИОМЕТРИЯ 652
25.1. Возникновение двойного электрического слоя и виды 652 электрических потенциалов
25.2. Электродный потенциал. Стандартный водородный элек- 654 трод. Гальванические цепи. Уравнение Нернста
25.3. Восстановительный потенциал 661
25.4. Диффузионный потенциал 664
25.5. Мембранный потенциал 665
25.6. Потенциометрия 670
25.6.1. Хлорсеребряный электрод сравнения 671
25.6.2. Ионо- и молекулярноселективные электроды определения 672
25.6.3. Потенциометрическое титрование 677
Глава 26. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ 681
26.1. Свободная поверхностная энергия 681
26.2. Сорбция и ее виды 683
26.3. Абсорбция 684
26.4. Адсорбция 687
26.4.1. Адсорбция на неподвижной поверхности раздела фаз 688
26.4.2. Молекулярная адсорбция из растворов на твердых ад- 692 сорбентах
26.4.3. Адсорбция ионов из растворов 694
26.4.4. Ионообменная адсорбция 696
26.5. Адсорбция на подвижной поверхности раздела фаз 697
26.6. Поверхностно-активные вещества 698
26.7. Хроматография 702
Глава 27. ФИЗИКОХИМИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ 708
27.1. Дисперсные системы и их классификация 708
27.2. Лиофобные коллоидные растворы 710
27.2.1. Строение мицелл в лиофобных коллоидных растворах 712
27.2.2. Свойства лиофобных коллоидных растворов 716
27.2.3. Влияние высокомолекулярных соединений на устой- 727 чивость лиофобных коллоидов. Флокуляция
27.3. Лиофильные коллоидные растворы 729
27.3.1. Строение мицелл ПАВ и ВМС в водных коллоидных 730 растворах в зависимости от их концентрации
27.3.2. Получение и свойства лиофильных коллоидных рас- * 735 творов
27.3.3. Моющее действие растворов ПАВ 739
27.3.4. Особенности растворов биополимеров 741
27.4. Структурообразование в растворах ВМС. Возникнове- 748 нйе связнодисперсных систем и их свойства
27.5. Грубодисперсные системы 751
27.5.1. Суспензии 752
27.5.2. Эмульсии 753
27.5.3. Аэрозоли 755
27.6. Электрокинетические явления в дисперсных системах 760
27.7. Ткани организма - дисперсные системы 763
27.7.1. Строение и свойства межклеточных мембран 763
27.7.2. Кровь - сложная дисперсная система 765
Приложение 1 768
Предметный указатель 769
Литература 784

ОТ АВТОРА
Учебник * Химия: Основы химии живого» рекомендован к изданию как победитель Всероссийского конкурса учебников для бакалавров по фундаментальным дисциплинам для студентов высших учебных заведений естественнонаучных направлений и специальностей. Автор учебника имеет опыт преподавания химии в Санкт-Петербургской государственной медицинской академии им. И. И. Мечникова более 20 лет.
Химия является фундаментальной наукой и мощным инструментом исследования и познания процессов в живых системах. Поэтому студенты естественнонаучных специальностей, таких как биология, биохимия, физиология, агрономия, животноводство, биотехнология, экология, а также студенты медицинских и фармацевтических вузов должны хорошо усвоить основные идеи, законы и методы этой науки. Учитывая очень ограниченное количество часов (200-240), отводимых на изучение химии, автор стремился изложить полный курс химии, включающий основы общей, бионеорганической, биоорганической, биофизической и коллоидной химии, по возможности кратко и доступно, но достаточно строго, на высоком уровне и в рамках единого подхода.
Цель данного учебника - сформировать у читателя целостное восприятие химии, показать ее тесную связь с жизнедеятельностью биологических систем, сделать изучение химии как можно более эффективным и увлекательным, раскрыть химические и физико-химические аспекты превращений молекула - клетка - организм. Автор надеется, что учебник поможет стимулировать интерес к химии у любознательных студентов и будет способствовать тесному научному сотрудничеству химиков, биологов, физиологов, фармацевтов и врачей. Такой союз должен исправить существующую терминологическую несогласованность в языках родственных специальностей, препятствующую взаимопониманию. Последовательность, четкость и оригинальность изложения многих вопросов химии позволяет рекомендовать данный учебник студентам химических вузов, преподавателям химии, а также биологам, врачам и экологам.
Для того чтобы адаптировать химию к медико-биологическим проблемам в соответствии с требованиями государственных общеобразовательных стандартов, в основу учебника положены следующие принципы:
систематическое изложение современной химии с сохранением необходимой строгости на уровне краткого курса для студентов, специализирующихся в науках о жизни;
представление материала с минимальным привлечением математического аппарата, но на таком физико-химическом уровне, который необходим для последующего изучения специальных предметов;
тесная взаимосвязь различных разделов химии, биологии, биохимии и медицины показана с помощью большого числа примеров из жизни растительного и животного мира, а также медицинской практики.
В учебнике использована модульная система с сохранением классической последовательности изложения разделов химии. Это рационально, так как при наличии логической взаимосвязи между всеми модулями отдельные темы можно выносить в качестве элективов для самостоятельной проработки, а некоторые модули даже изучать параллельно.
Основными особенностями учебника являются: рассмотрение жидкокристаллического состояния для веществ, молекулы которых анизометричны; более широкое изложение свойств воды и систем на ее основе; впервые химические свойства органических и биохимических соединений рассматриваются с учетом окислительно-восстановительной двойственности атомов углерода; последовательно излагаются химические и физико-химические аспекты важнейших биохимических процессов и различных видов баланса в организме. В учебнике не только даны необходимые общие сведения по химии, но и рассмотрены, иногда на уровне гипотез, ее новые направления, которые тесно связаны с биологией, физиологией и медициной. В начале каждой главы учебника указаны основные цели ее изучения и перечислены важнейшие понятия. Это даст возможность читателям после изучения главы проверить себя и убедиться в достижении поставленной цели. Многочисленные рисунки и таблицы, представляющие собой графическое резюме наиболее важных положений, помогут усвоить и повторить пройденный раздел, а также увидеть взаимосвязь химических явлений и их связь с другими формами движения материи.