วิชาการ.คอม-บทเรียนออนไลน์-สมดุลเคมีในสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม | บทเรียน วิชาการ.คอม
เคมี
 

สมดุลเคมีในสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม

สร้างเมื่อ 16 ก.ค. 2555 10:08:28
  • ระดับม.5
  • 7,860 view

                                  สมดุลเคมีในสิ่งมีชีวิตและแวดล้อม 

 

การดำรงชีวิตของมนุษย์จะเกี่ยวข้องกับกระบวนการและปฏิกิริยาต่าง ๆ ภายในร่างกาย ซึ่งเกิดขึ้นในลักษณะของสมดุบไดนามิก เช่น กระบวนการหายใจและแลกเปลี่ยนแก๊สในระบบหมุนเวียนเลือด ในภาวะปกติขณะที่ร่างกายพักผ่อนผู้ชายจะใช้ o \displaystyleO_2 ประมาณ 250 มิลลิลิตรต่อนาที และมีความต้องการเพิ่มขึ้นเมื่อทำกิจกรรมหรือออกแรงมากขึ้น O\displaystyleO_2 จะถูกลำเลียงไปยังส่วนต่าง ๆ ของร่างกายโดยรวมไปกับโมเลกุลของฮีโมโกลบิน (Hb) ซึ่งเป็นโปรตีนในเม็ดเลือดแดง โมเลกุลของฮีโมโกลบินที่รวมอยู่กับ o\displaystyleO_2 เรียกว่า ออกซีฮีโมโกลบินเขียนสมการอย่างง่าย ๆ แสดงได้ดังนี้

 

 

               

 

- นักเรียนคิดว่าในกระบวนการหายใจเกี่ยวข้องกับสมดุลของปฏิกิริยาข้างต้นอย่างไร

 

          ขณะหายใจเข้า \displaystyle O_2 จะผ่านหลอดลมฝอยเข้าสู่ถุงลมปอด ความดันของ \displaystyle O_2 ในถุงลมปอดจะสูงกว่าความดันในเส้นเลือดฝอย \displaystyle O_2 จากถุงลมปอดจึงแพร่ผ่านเนื้อเยื่อของถุงลมปอดเข้าสู่เส้นเลือดฝอยและรวมตัวกับฮีโมโกลบินที่เม็ดเลือดแดงกลายเป็นออกซีฮีโมโกลบิน ปฏิกิริยาจะดำเนินไปข้างหน้า เมื่อเลือดไหลเวียนไปยังเนื้อเยื่อต่าง ๆ ของร่างกายซึ่งจำเป็นต้องใช้ \displaystyle O_2 เพื่อทำกิจกรรมต่าง ๆ ที่เป็นผลจากเมแทบอลิซึม \displaystyle O_2 ในเลือดจึงถูกปล่อยออกมา ปฏิกิริยาจะเกิดในทิศทางย้อนกลับเพื่อเพิ่มปริมาณ \displaystyle O_2 เนื่องจากกระบวนการทั้งสองนี้ดำเนินไปอย่างต่ดเนื่องรวมทั้งมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับเท่ากัน จึงทำให้มีภาวะสมดุลเกิดขึ้น

 

                                                                               

      

รูป 7.16 การแลกเปลี่ยน\displaystyle O_2 และ \displaystyle CO_2โดยการแพร่ผ่านระหว่างถุงลมในปอดกับเส้นเลือดฝอย

ในกระบวนการหายใจ นอกจากจะมีการปรับสมดุลของ \displaystyle O_2 แล้ว ให้นักเรียนพิจารณาสมการแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในกระบวนการเมแทบอลิซึมของกลูโคสซึ่งใช้ออกซิเจนต่อไปนี้

 

                   c \displaystyleC_6H_{12}O_6+6O_2\to6CO_2+6H_2 O+พลังงาน กลูโคส

          จากสมการทำให้ทราบว่าในการเผาผลาญกลูโคส 1 โมเลกุล จะต้องใข้ \displaystyle O_2 จำนวนมากและทำให้เกิด \displaystyle CO_2 มากด้วยเช่นกัน มเมื่อ \displaystyle CO_2 ที่เนื้อเยื่อมีปริมาณสูง \displaystyleCO_2 จะแพร่เข้าสู่เลือดในหลอดเลือดฝอยเพื่อส่งผ่านไปยังปอด ซึ่ง \displaystyle CO_2 จะทำปฏิกิริยากับน้ำเกิดเป็นกรดคาร์บอนิก  \displaystyle (H_2CO_3) และแตกตัวอยู่ในรูปของไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน \displaystyle (HCO_3) กับไฮโดรเจนไอออน \displaystyle (H^+) ดังสมการ

           co \displaystyleCO_2+H_2O\Leftrightarrow      H_2 CO_3\LeftrightarrowH^+  --------H\LeftrightarrowH^++HCO_3^-
      เมื่อไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออนถูกส่งถ฿งหลอดฝอยรองถุงลมปอด ซึ่งภายในถุงลมปอดมีความดันของ\displaystyle CO_2 น้อยปฏิกิริยาจะเกิดย้อนกลับเพื่อเพิ่มความดัน โดย \displaystyle CO_2 ในหลอดเลือดฝอยจะแพร่เข้าสู่ถุงลมปอดและถูกขับออกจากปอดในขณะที่เราหายใจออก ระบบการส่ง \displaystyle O_2 และ \displaystyle CO_2 ของร่างกายแสดงดังรูป 7.17
                                                      

 

รูป 7.17 การขนส่งแก๊ส \displaystyle O_2 และแก๊ส \displaystyle CO_2  ภายในร่างกาย

- นักเรียนคิดว่าภาวะสมดุลของระบบต่าง ๆ ในร่างกายมีการเปลี่ยนแปลงได้หรือไม่ และมีปัจจัยใดบ้างที่เกี่ยวข้อง

           จากการศึกษาพบว่าในเลือดของคนที่อาศัยอยู่ในพื้นที่สูงกว่าระดับน้ำทะเลมาก ๆ จะมีความเข้มข้นของฮีโมโกลบินในเม็ดเลือดแดงสูง แสดงว่าภาวะแวดล้อมที่แตกต่างกันเป็นปัจจัยที่มีผลต่อการทำงานของระบบต่าง ๆ ภายในร่างกาย ดังนั้นผู้ที่ต้องเดินทางไปในพื้นที่สูงกว่าระดับน้ำทะเลมาก ๆ อาจเกิดอาการที่เรียกว่า ไฮพอกเซีย (hypoxia) ซึ่งเกิดจากการที่มีออกซิเจนไปเลี้ยงเนื้อเยื่อของร่างกายไม่เพียงพอ ทำให้มีอาการปวดศรีษะ คลื่นไส้ และอ่อนเพลีย ในรายที่เป็นรุนแรงอาจถึงตายได้

  เราทราบมาแล้วว่าหน้าที่หลักของฮีโมโกลบินคือการขนส่งออกซิเจนไปเลี้ยงส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย ซึ่งเขียนสมการอย่างง่ายแสดงปฏิกิริยาได้ดังนี้
     
          ค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาคือ \displaystyle K = \frac{{[HbO_2 ]}}{{[Hb][O_2 ]}}

 

 

เนื่องจากความดันของออกซิเจนที่ระดับความสูงจากระดับน้ำทะเลมาก ๆ มีค่าต่ำกว่าความดันของออกซิเจนที่ระดับน้ำทะเล เช่น ที่ระดับความสูงจากระดับน้ำทะเล 3 กิโลเมตร ความดันย่อยของออกซิเจนในบรรยากาศมีค่าประมาณ 0.14 บรรยากาศ ส่วนความดันย่อยของออกซิเจนในบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเลมีค่าประมาณ 0.2 บรรยากาศ ดังนั้นการอยู่ในที่ระดับความสูงมาก ๆ จึงมีปริมาณของ \displaystyle O_2 ในอากาศลดลง ตามหลักของเลอชาเตอลิเอ เมื่อความเข้มข้นของสารตั้งต้นในที่นี้คือออกซิเจนลดลง ปฏิกิริยาย้อยกลับจะเกิดมากขึ้น ทำให้ปริมาณของออกซีฮีโมโกลบินลดลง เป็นผลให้การขนส่ง \displaystyle O_2 ไปเลี้ยงเนื้อเยื่อส่วนต่าง ๆ ได้น้อยลง จึงทำให้เกิดอาการไฮพอกเซีย อย่างไรก็ตามถ้าอยู่ในบริเวณนั้นนาน ๆ ร่างกายสามารถปรับตัวโดยสร้างฮีโมโกลบินในเลือดให้เพิ่มมากขึ้นจนมีผลให้ฮีโมโกลบินสามารถจับกับ \displaystyle O_2 เกิดเป็นออกซีฮีโมโกลบินได้อย่างเพียงพอ ด้วยเหตุนี้คนที่อยู่ในบริเวณที่มีความสูงมาก ๆ จึงมีระดับความเข้มข้นของฮีโมโกลบินในเลือดสูงกว่าของคนที่อยู่ที่ระดับน้ำทะเลปกติเนื่องจากกระบวนการทั้งสองเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องและมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับเท่ากันในที่สุดระบบก็จะปรับตัวเข้าสู่ภาวะสมดุล

 

          นอกจากนี้ยังสามารถใช้ความรู้เกี่ยวกับสมดุลเคมีอธิบายสมดุลของแคลเซียมในร่างกายได้อีกด้วย แคลเซียมจัดเป็นธาตุที่มีปริมาณมากที่สุดในร่างกายของมนุษย์ โดยคิดเป็นร้อยละ 1.5 - 2 ของน้ำหนักร่างกายผู้ใหญ่ ปริมาณแคลเซียมในร่างกายร้อยละ 98 - 99 เป็นองค์ประกอบของฟันและกระดูก ส่วนที่เหลือจะอู่ในเนื้อเยื่อและกระแสเลือดหน้าที่หลักของแคลเซียมในร่างกายคือการสร้างเสริมและซ่อแซมกระดูกและฟัน นอกจากนี้ยังมีส่วนร่วมในการทำงานของเอนไซม์ กระบวนการเมแทบอลิซึมของวิตามินดี การหดตัวของกล้ามเนื้อ การเต้นของหัวใจ การแข็งตัวของเลือด การเจริญเติบโตของกระดูกจะถึงจุดสูงสุดเมื่ออายุประมาณ 35 ปี และหลังจากอายุ 40 ปี จะเกิดการสูยเสียแคลเซียมจากกระดูกไปร้อยละ 1 - 2 ตเอปี เมื่ออายุประมาณ 65 ปี จะสูญเสียแคลเซียมได้ถึงร้อยละ 30 - 50 ต่อปี การสูญเสียแคลเซียมในกระดูกของผู้หญิงจะเกิดเร็วในช่วงภาวะหมดประจำเดือน สำหรับผู้ชายจะมีการสูญเสียที่น้อยกว่า

  

พาราทอร์โมนหรือพาราไทรอยด์ฮอร์โมน ( PTH )

          เป็นฮอร์โมนที่สร้างจากต่อมพาราไทรอยด์ มีหน้าที่หลักในการควบคุมภาวะสมดุลของแคลเซียมและฟอสฟอรัสในร่างกาย งได้แก่

-                    การเคลื่อนที่ย้ายแคลเซียมและฟอสฟอรัสออกจากกระดูกและการดูดซึมกลับ

-                    การเพิ่มการดูดซึมกลับของแคลเซียมที่ไต

-                    การเพิ่มการดูดซึมของแคลเซียมที่ลำไส้

-                    การลดการดูดซึมของฟอสเฟตที่ไต

 

          เพื่อให้การทำงานของระบบต่าง ๆ ในร่างกายอยู่ในสภาพปกติ จึงต้องมีการรักษาระดับของแคลเซียมในเลือดให้คงที่และอยู่ในภาวะสมดุลกับปริมาณแคลเซียมในกระดูกภายใต้การควบคุมของวิตามินดีและพาราทอร์โมน การลดปริมาณแคลเซียมในเลือดเพียงเล็กน้อยจะไปกระตุ้นให้มีการปลดปล่อยแคลเซียมจากกระดูก เพิ่มการดูดแคลเซียมจากลำไส้พร้อมกับลดการสูณเสียทางปัสสาวะ หรืดขณะที่ร่างกายอยู่ในภาวะที่มีการซ่อมแวมกระดูกที่แตกหักก็จะเกิดการดูดซึมแคลเซียมเข้าไปในกระแสเลือดเพิ่มมากขึ้นกระบวนการที่เกิดขึ้นตามที่กล่าวมาแล้วมีลักษณะของสมดุลไดนามิกทั้งสิ้น

          สมดุลเคมีนอกจากจะเกิดขึ้นในระบบต่าง ๆ ของร่างกายตามที่กล่าวมาแล้ว ยังเกิดปรากฎการณ์ต่าง ๆ ในธรรมชาติอีกด้วย เช่น วัฏจักรของคาร์บอน อะตอมของคาร์บอนมีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางเคมีต่าง   ๆ ทั้งในสิ่งมีชีวิตและสิ่งไม่มีชีวิต ทำให้เกิดสารประกอบของคาร์บอนจำนวนมาก สารประกอบของคาร์บอนอาจสะสมในรูปของมวลชีวภาพ สารอินทรีย์ที่ตกตะกอนทับถมกัน หรือในรูปของคาร์บอเนตในหินปูนในเปลือกหอยและปะกาลัง

           สารประกอบของคาร์บอนจะมีหลักการหมุนเวียนกลับสู่บรรยากาศและหล่งน้ำได้โดยกระบวนการหายใจ การเผ่าไหม้ลัการเน่าเปลื่อย เมื่อ \displaystyle CO_2 ถูกปล่อยออกมาในบรรยากาศ บางส่วนจะคงอยู่ในบรรยาอากาศ บางส่วนละลายลงในแหล่งน้ำ มหาสมุทร หรือละลายในน้ำฝนแล้วซึมลงดินปริมาณของแก๊ส \displaystyle CO_2 ในบรรยากาศกับในแหล่งน้ำบนพื้นโลกจะอยู่ในภาวะสมดุลกัน

  มวลชีวภาพ (biomass)

     หมายถึงอินทรีย์สารนจากพืชและสัตว์ ซึ่งเมื่อนำไปผ่านกระบวนการย่อยสลายค้วยความร้อนหรือกระบวนการทางเคมี จะเปลี่ยนไปเป็นพลังงาน ตัวอย่างมวลชีวภาพที่ใช้เป็นแหล่งของพลังงาน ได้แก่ วัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร มูลสัวต์

 

 

การเพิ่มปริมาณ \displaystyle CO_2 ให้กับบรรยากาศจะมีผลให้เกิดการละลายของ \displaystyle CO_2 ลงในแหล่งน้ำมากขึ้นเพื่อลดผลของการรบกวนสมดุลตามหลักของเลอชาเตอลิเอ ซึ่งในที่สุดก็จะปรับเข้าสู่สมดุลใหม่ การละลายน้ำของแก๊ส \displaystyle CO_2 เป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้น้ำในธรรมชาติมีสภาพเป็นกรด ปัจจุบันแก๊ส\displaystyle CO_2 ในบรรยากาศมีปริมาณเพิ่มขึ้น เพราะว่ามีการเผาไหม้เชื้อเพลิงจำนวนมากในกระบวนการผลิตทางอุตสาหกรรมการขับเคลื่อนยานพาหนะที่ใช้สัญจร และในการดำรงชีวิตประจำวัน รวมทั้งการทำลายป่า มีผลทำไห้ฝนที่ตกลงมาและน้ำในแหล่งน้ำต่าง ๆ มีความเป็นกรดเพิ่มขึ้น ปฏิกิริยาจากการละลายของ \displaystyle CO_2 ทีทำให้น้ำมีสภาพความเป็นกรดเป็นดังนี้

   \displaystyle CO_2 (g) + H_2 O(l) \leftrightarrow H_2 CO_3 (aq)
   \displaystyle H_2CO_3(aq)+H_2O(l) \leftrightarrow H_3 O^+(aq) + HCO_3^-(aq)

ปฏิกิริยารวม CO\displaystyleCO_2(g)+2H_2O(l)\leftrightarrowH_3O^+(aq)+HCO_3^-(aq)

- ความเป็นกรดของน้ำในธรรมชาติมีผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อมอย่างไร

 

          สภาพความเป็นกรดของน้ำในสิ่งแวดล้อมทำให้เกิดปรากฏการณืต่าง ๆ ตัวอย่างที่พบเห็นในธรรมชาติ เช่น การเกิดหินหงอกหินย้อย ซึ่งเกิดจากน้ำที่มีสภาพความเป็นกรดไหลซึมผ่านพื้นดินและทำปฏิกิริยากับหินปูน จะได้ผลิตภัณฑ์เป็นแคลเซียมไฮโดรเจนคาร์บอเนต แคลเซียมไฮโดรเจนคาร์บอเนตจะละลายในน้ำที่ซึมผ่านจนอิ่มตัวและอาจมีความเข้มข้นถึง 200 pm เมื่อน้ำไหลซึมผ่านเข้าไปในถ้ำซึ่งมี \displaystyle CO_2 ในบรรยากาศเข้มข้นประมาณร้อยละ 0.04 สารละลายดังกล่าวจะอยู่ในภาวะสมดุลกับบรรยากาศภายในถ้ำ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

 \displaystyle CO_2(g) + 2H_2 O(l) \leftrightarrow H_3 O^+(aq)+HCO_3^-(aq)
CaCO\displaystyleCaCO_3 (s)+H_3 O^+(aq)\leftrightarrow Ca^{2+} (aq)+HCO_3 ^-(aq)+H_2O(l)

 

ปฏิกิริยารวม   CaCO\displaystyleCaCO_3(s)+H_2O(l)+CO_2(g)\leftrightarrow\[Ca^{2+}(aq)+2HCO_3^-(aq)

          ในปฏิกิริยาข้างต้นนี้ ปฏิกิริยาไปข้างหน้าแสดงถึงการละลายน้ำของ \displaystyle CO_2 จากอากาศหรือการเน่าเปื่อยของซากพืชซากสัตว์ในดิน ทำให้น้ำมีสภาพเป็นกรดถ้าสารละลายมีความเป็นกรดสูงจะละลาย \displaystyle CaCO_3 จากแหล่งหินปูนได้ดี หินปูนจึงเกิดจากการผุกร่อนเป็นโพรงหรือถ้ำได้ เมื่อสารละลายไหลไปตามผนังหรือหยดลงพื้นถ้ำและน้ำหรือ \displaystyle CO_2 สามารถแยกตัวออกจากสราได้ ปฏิกิริยาจะเกิดย้อนกลับ เป็นผลไห้มี \displaystyle CaCO_3 ตกผลึกแยกออกมาเกิดป็นหินย้อยตามเพดานหรือหินงอกบนพื้นภายในถ้ำ ปฏิกิริยาย้อนกลับเกิดได้ช้ามากต้องใช้เวลานานหลายร้อยหลายพันปีกว่าจะได้หินย้อยและหินงอกที่มีสภาพใหญ่โตและสวยงามดังที่เห็นดังรูป 7.18

                                                 

                        รูป 7.18 หินงอกและหินย้อยที่เกิดจากการละลาย และตกผลึกของหินปูนด้วยสภาพความเป็นกรดใน ธรรมชาติ