Химия для студентов-медиков: общая, физическая и коллоидная химия. Практикум-рабочая тетрадь

Татьяна Лобаева, Дмитрий Жданов

Химия для студентов-медиков: общая, физическая и коллоидная химия. Практикум-рабочая тетрадь

Утверждено Методическим советом Медицинского университета МГИМО-МЕД

Рецензенты:

Чистяков М. В. кандидат физико-математических наук, доцент кафедры нормальной физиологии и медицинской физики, «Научно-образовательный институт «Высшая школа клинической медицины им. Н. А. Семашко», ФГБОУ ВО МГМСУ им. А. И. Евдокимова Минздрава России

Нестерова О. В.  доктор фармацевтических наук, заведующая кафедрой химии образовательного департамента Института фармации им. А. П. Нелюбина Сеченовского университета, заслуженный работник здравоохранения.

Предисловие к изданию

Целью освоения дисциплины «Общая, физическая и коллоидная химия» является формирование необходимых как для обучения последующим учебным дисциплинам, так и для непосредственного формирования медика, системных знаний о физико-химической сущности и механизмах процессов, происходящих в организме человека; изучение закономерностей химического поведения основных биологически важных классов неорганических и органических соединений, необходимых для рассмотрения процессов, протекающих в живом организме на молекулярном, надмолекулярном и клеточном уровнях.

Пособие «Химия для студентов-медиков: общая, физическая и коллоидная химия. Практикум-рабочая тетрадь» составлено авторами на основе многолетнего педагогического опыта в ведущих медицинских ВУЗах РФ в соответствии с ФГОС и рассчитано для использования в учебном процессе по направлению подготовки 31.05.01 Лечебное дело (специалитет), а также для студентов других медицинских специальностей: 33.05.01. Фармация (специалитет), 31.05.03 Стоматология (специалитет).

Сборник включает краткое теоретические введение, методики лабораторных работ и разноплановый комплект учебно-методических материалов по 3 основным разделам курса химии для студентов-медиков:

Введение в химию. Основные понятия и законы химии.

Общая химия. Физическая химия

Коллоидная химия

Темы заданий и задач данного пособия соответствуют одному семестру изучения общей, физической и коллоидной химии для студентов специальности «Лечебное дело» и других медицинских специальностей.

Пособие адресовано студентам-медикам, аспирантам, стажерам и преподавателям для текущего использования в учебном процессе, а также для аттестации студентов.

КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ

Лобаева Татьяна Александровна кандидат биологических наук (специальность «Фармацевтическая химия, фармакогнозия»), доцент по специальности «Биохимия», преподаватель кафедры фундаментальных дисциплин Медицинского университета МГИМО-МЕД.

Автор свыше 80 учебно-методических и научных работ по фармацевтической и токсикологической химии, молекулярной биологии, биохимии, педагогике.

Жданов Дмитрий Дмитриевич доктор биологических наук, заведующий лабораторией медицинской биотехнологии ИБМХ им. В. Н. Ореховича, доцент по специальности «биохимия», профессор кафедры биохимии им. акад. Берёзова Т. Т. МИ РУДН.

Автор свыше 100 научных и учебно-методических работ по молекулярной биологии, биохимии, медицине.

Раздел 1. Введение в химию. Основные понятия и законы химии

1.1. Введение в химию. Основные понятия и законы химии. Классификация химических соединений. Строение атома. Химическая связь

Часть 1. Теоретическое введение

Химический элемент вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Атом наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Химические свойства атома определяются его строением.

Молекула наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами, которые определяютя её составом и химическим строением мощью химических формул, в которых атомы обозначаются символами химических элементов, а их количество подстрочными индексами.

Атомная масса (Аr) относительная масса атома элемента, показывающая во сколько раз данный атом тяжелее 1/12 атома углерода, т.е. выраженная в дальтонах.

Молекулярная масса (Mr) относительная масса молекулы вещества, выраженная в дальтонах. Молекулярная масса вещества равна сумме масс всех атомов, образующих молекулу или частицу.

Величиной, характеризующей число структурных единиц, является количество вещества. За единицу измерения количества вещества принят моль.

Моль количество вещества n (либо ν (ню), содержащее столько структурных единиц, сколько содержится в 12 г изотопа

12

Молярная масса (M) масса 1 моля вещества в граммах, равная отношению массы вещества (m) к соответствующему количеству вещества (n):

М = m/n

M численно равна молекулярной массе Mr.

NА число Авогадро, которое соответствует числу структурных единиц в одном моле любого вещества. N

А

23

Масса вещества (m), его количество и молярная масса между собой связаны соотношением:

Молярный объём газа (V

M

 объём, который занимает 1 моль газообразного вещества при данных условиях.

 это объем 1 моля газа, равный отношению объема газа (V) к количеству вещества (n).

При нормальных условиях (н.у.), т.е. при температуре 20

P·V = n·R·T

(P давление, V объём газа, n количество газа, Т абсолютная температура,

R универсальная газовая постоянная, значение которой 8,31 Дж/моль·K = 0,082057 л·атм·К¹·моль¹)

Эквивалент реальная или условная часть формульной единицы (атома, молекулы или иона), принимающая участие в образовании одной химической связи при протекании химической реакции.

Под «реальной» частицей понимают реально существующие соединения (NaOH, H

2

4

2

2

4

2

+

+

Числo эквивалентности Z показывает, сколько эквивалентов вещества содержится в одной формульной единице. Значение Z зависит от химической реакции, в которой вещество принимает участие.

Наряду с числом эквивалентности часто используют понятие фактора эквивалентности f, представляющего собой долю формульной единицы, соответствующую эквиваленту f =1/Z.

Пример:

В данной реакции одна молекула серной кислоты, отщепляя 2 катиона водорода, расходует две химических связи на образование средней соли Na

2

4

При образовании кислой соли NaНSO

4

Примечание:

А) В химических реакциях обменного типа число эквивалентности считают равным количеству моль Н+ или ОН¯ ионов, которые отщепляются или присоединяются 1 молем вещества.

В) В окислительно-восстановительных реакциях (ОВР) число эквивалентности рассчитывается по отношению к количеству отданных или принятых частицей электронов. Количество эквивалентов вещества νЭ прямо пропорционально произведению количества моль вещества и числа эквивалентности: νЭ = Z · ν

Молярная масса эквивалента (эквивалентная масса) МЭ равна массе одного моль эквивалента вещества. [MЭ]= 1 г/моль

Молярная масса эквивалента МЭ (размерность г/моль) равна массе вещества, эквивалентной 1 молю водорода или 1 молю электронов в химической реакции. Численно равна эквиваленту вещества. МЭ равна молярной массе вещества, умноженной на фактор эквивалентности:

Основные законы химии:

1. Закон сохранения массы (Михаил Васильевич Ломоносов, 1756 и Антуан Лоран Лавуазье, 1778)

Масса исходных веществ, вступивших в реакцию, равна массе получившихся веществ.

2. Закон эквивалентов (И. В. Рихтер, 1792 и У. Х. Волластон, 1807)

Отношение масс веществ, вступающих в химическое взаимодействие, равно отношению их химических эквивалентов

3. Закон постоянства состава (Жозеф Луи Пруст, 1799г.).

Состав индивидуального химического соединения постоянен и не зависит от способа получения этого соединения.

4. Закон простых кратных отношений. (Джон Дальтон, 1803г.). Если два элемента образуют между собой несколько соединений, то на одну и ту же массу одного элемента приходятся такие массы другого, которые относятся друг к другу, как небольшие целые числа.

5. Закон простых объёмных отношений (Жозеф Луи Гей Люссак, 1808).

Объёмы реагирующих газов относятся друг к другу и к объёмам газообразных продуктов как небольшие целые числа.

6. Закон Авогадро (Амедео Авогадро, 1810г.; Канниццаро, 1860г.).

В равных объёмах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

ЗАДАНИЕ 1

Как проанализировать образец воды и убедиться, что она чистая или содержит примеси?

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 2. Приведите по 2 примера веществ, являющихся при 20 градусах Цельсия: а) газами б) жидкостями в) твердыми

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 3. Приведите примеры смесей: а) двух газов, б) 2 жидкостей в) твердого и жидкого вещества г) газа и жидкости

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 4. Как очистить кукурузную крупу от соли и соевое масло от воды?

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 5. В чем сходство и различие очистки веществ фильтрованием и отстаиванием?

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 6. В чем заключается очистка веществ перегонкой? Какое оборудование необходимо иметь в лаборатории для проведения перегонки?

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 7. Что называют экстракцией? Какое оборудование необходимо иметь в лаборатории для проведения экстракции?

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 8. Назовите 5 любых веществ и область их применения. Какие из них используются в медицине?

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 9. Приведите 3 примера, как чистое вещество превращается в смесь. Какие смеси используются в медицине?

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 10. Будет ли смешиваться с водой (образовывать однородную жидкость, растворяться): а) спирт б) ацетат натрия (соль) в) бензин г) подсолнечное масло д) серная кислота

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

ЗАДАНИЕ 11. Напишите формулы 3 веществ, относительные молекулярные массы которых кратны а) 3 б) 4

ЗАДАНИЕ 12. Определите валентность центрального атома в соединениях: а) азотистая кислота б) фосфорная кислота в) перманганат калия г) хромат калия д) карбонат натрия

ЗАДАНИЕ 13. В каком из оксидов марганца самая высокая массовая доля кислорода : MnO, Mn

2

3

2

3

4

2

7

ЗАДАНИЕ 14. В каких соединениях CuS, FeS

2

2

3

2

ЗАДАНИЕ 15. Какого металла больше по массе в медном колчедане CuFeS

2

Определите формулу химического соединения по данным элементного анализа:

ЗАДАНИЕ 16. С какой массой преципитата CaHPO

4

3

4

2

ЗАДАНИЕ 17. Гормон инсулин имеет Mr = 5734. Вычислите массу одной молекулы инсулина в граммах.

ЗАДАНИЕ 18. Масса молекулы хлорофилла равна 1,485 ·10

-18

ЗАДАНИЕ 19. Как называют силы, удерживающие атомы в химических соединениях? Какова природа сил химической связи?

ЗАДАНИЕ 20. Для соединений каких классов веществ характерна ионная связь?

ЗАДАНИЕ 21. Какое строение молекулярное или ионное имеют вещества с ковалентной связью?

ЗАДАНИЕ 22. Определите тип химической связи в следующих соединениях:

H

2

3

2

4

2

3

6

ЗАДАНИЕ 23. Укажите виды химических связей в следующих веществах и их смесях (сплавах):

латунь (сплав меди и цинка), хлор, вода, фтороводород, графит (углерод), метан, серная кислота, углекислый газ.

ЗАДАНИЕ 24. Как изменится длина химический связи водород-галоген в ряду: H-Cl, H-Br, H-I?

ЗАДАНИЕ 25. На основании физических характеристик определите, какое строение имеет вещество ионное или молекулярное:

t пл = 2800 ´C (MgO)

t кип = 84´C, резкий запах (HNO

3

t пл = 801 ´C (NaCl)

t кип = 84,8´C, резкий запах (HCl)

t кип = 252,6´C (H

2

ЗАДАНИЕ 26. Напишите структурные (графические) формулы веществ:

HCl, H

2

3

4

2

3

ЗАДАНИЕ 27. Карбиды CaC

2

4

3

3

2

ЗАДАНИЕ 28. У атомов каких химических элементов электроотрицательность выше: лития или углерода, брома или азота, серы или хлора?

ЗАДАНИЕ 29. К атомам каких элементов смещены общие электронные пары в молекулах: HI, CO, N

2

4

4?

ЗАДАНИЕ 30. Назовите 4 типа кристаллических решеток (КР), различающихся характером частиц в узлах?

Сгруппируйте по типам кристаллических решеток (КР) следующие вещества: O

2

2

2

2

Часть 2. Практическая работа

«Агрегатные состояния вещества. Кристаллические решётки»

1. К твёрдым углеводородам неорганического происхождения, обладающих структурой ионных кристаллов относят шунгит и керит (фиброкерит). Опишите их структуру и ответьте на вопрос, можно ли эти вещества отнести к предбиологическим системам.

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

2. Биологические кристаллы построены из биологических макромолекул белков, нуклеиновых кислот или вирусных частиц. Вследствие больших размеров биологических макромолекул, содержащих 10

3

4

Проанализируйте электронно-микроскопические фотографии упаковки молекул в кристаллах белков каталазы, вируса некроза табака и кристаллов белка из микроорганизмов Bacillus thwingiensis. Какие особенности вы можете заметить в них (см. рис.)?

3. Заполните таблицу «Кристаллические образования, присутствующие в различных тканях». Опишите структуру решетки неорганических кристаллов костной ткани.

Обсуждение и комментарии:

_____________________________________

_____________________________________

4. Гидроксиапатит (гидроксилапатит) основной кристалл минерализованных тканей; составляет 9597% в эмали зуба, 7075% в дентине и 6070% в костной ткани. Зарисуйте простанственную структуру кристалла гидроксиапатита Ca

10

4

6

2,

Решение:

5. Скелет одноклеточных радиолярий и многоклеточных губок образован «органоминеральным» кристаллическим веществом, состоящим на 2030 процентов из органических соединений, а в остальном из минерального кристалла. В индивидуальном развитии такого организма идет процесс минерализации замещения биомолекул минералом, причем законы кристаллографии и биохимии здесь тесно переплетены.

Предположите химический состав скелета радиолярий.

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

6. В организме человека, в лекарственных препаратах большинство d элементов образуют комплексные соединения: Fe гемоглобин, Zn ферменты карбоангидраза и алкогольдегидрогеназа, Cu цитохромоксидаза, Mn пируваткарбоксилаза, Mg хлорофилл, Co витамин В

12

Опишите, по какому принципу построены эти вещества.

Обсуждение и комментарии:

_____________________________________