научная статья по теме ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОСНОВНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ФАЗ ПОЧЕЧНЫХ КАМНЕЙ Химия

Текст научной статьи на тему «ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОСНОВНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ФАЗ ПОЧЕЧНЫХ КАМНЕЙ»

ЖУРНАЛ НЕОРГАНИЧЕСКОМ ХИМИИ, 2007, том 52, № 2, с. 190-197

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ^^^^^^^^^^

НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

УДК 541.123;548.517

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОСНОВНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ

ФАЗ ПОЧЕЧНЫХ КАМНЕЙ

© 2007 г. В. Ю. Ельников, Е. В. Россеева, О. А. Голованова, О. В. Франк-Каменецкая

Санкт-Петербургский государственный университет Поступила в редакцию 10.11.2005 г.

Рассчитаны диаграммы растворимости основных фаз почечных камней и их двойных систем с общим катионом или анионом при 25°С. Экспериментально изучены закономерности фазообразова-ния в условиях, характерных для мочи здорового человека. Проанализирована адекватность результатов теоретического и экспериментального моделирования процессам патогенного минерало-образования в организме человека. Уточнены границы применимости термодинамической модели для их описания.

Ухудшение экологической обстановки в промышленных мегаполисах приводит к постоянному росту числа заболеваний, связанных с патогенным минералообразованием в организме человека [1]. Причины и механизмы процессов, приводящих к формированию органоминеральных агрегатов (камней в почках, желчном пузыре и т.д.), остаются дискуссионными [2]. Сложившаяся ситуация не позволяет проводить раннюю диагностику этих заболеваний и развивать методы их профилактики и лечения.

Существенный прогресс в изучении закономерностей фазообразования в биологических средах намечается благодаря модельным экспериментам [3-5]. Настоящая работа выполнена в этом ключе и посвящена вопросам образования основных минеральных фаз почечных камней (уролитов).

Ранее были выполнены работы по экспериментальному определению в различных условиях констант растворимости соединений, входящих в состав почечных камней [6]. На основании термодинамических расчетов для монофазных систем получены зависимости "концентрация иона-рН" и "растворимость-рН" [7, 8]. Изучено влияние рН и начальных концентраций компонентов прототипа физиологического раствора на фазовый состав осадка [9, 10].

Одним из нерешенных вопросов при изучении патогенного фазообразования в мочевой системе человека является выявление границ применимости равновесной термодинамики. Для его решения нами было проведено комплексное модельное исследование, в задачи которого входило:

1) провести детальный расчет (с учетом гидролиза ионов) диаграмм растворимости основных фаз почечных камней и соответствующих двойных систем;

2) путем эксперимента изучить закономерности образования основных минеральных фаз почечных камней в условиях, характерных для физиологического раствора (ионный состав, температура, рН);

3) проанализировать адекватность результатов теоретического и экспериментального моделирования процессам патогенного фазообразования в организме человека.

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ДИАГРАММ РАСТВОРИМОСТИ ФАЗ И РАВНОВЕСИЙ МЕЖДУ НИМИ

Описание модели

Произведения растворимости малорастворимых соединений, образующих минералы почечных камней, и константы равновесий между ними были рассчитаны с использованием литературных данных о значениях термохимических констант для соответствующих малорастворимых соединений и ионов в растворе из уравнения Гиббса:

А О098 = -ЯТ 1п К = ЯТ 1п ПР.

При расчете диаграмм растворимости были приняты следующие допущения:

1) в качестве прототипа биологической жидкости был принят истинный раствор, ионный состав и рН которого характерны для мочи здорового взрослого среднестатистического человека (табл. 1);

2) при расчетах использовали значения стандартных термохимических констант без поправки на температуру организма человека [11, 12];

3) коэффициенты активности ионов считали равными единице;

4) образование ассоциатов и протекание других побочных процессов, кроме гидролиза ионов, не учитывали.

Гидролиз ионов, имеющий ступенчатый характер, учитывали введением в уравнения для констант равновесия молярных долей тех форм катиона и аниона, которые входят в состав малорастворимого соединения. Молярные доли катио-

являются функцией рН:

на а „,+ и аниона а „

М А

а

М

[Мт+]

Сл .-т+

М

[ Мт+]

[ М (ОН )т ] + [ М (ОН) т ] + 1

10

т(рН- 14)

10

(т - 1 )(рН- 14)

КЬ1КЬ2 ■■■ КЬт КЬ2КЬ3 ■■■ КЬ

[ А"- ] а = --- =

а"- с

а"-

-[ Мт+ ]

10

(рН - 14)

Кь

Таблица 1. Неорганические компоненты мочи здорового взрослого человека [13, 14]

Ион Количество (ммоль/сут) Концентрация (ммоль/л)

минимальная максимальная средняя

Натрий 100-200 67 133 100

Калий 50-70 33 47 40

Кальций 2.5-7.5 1.7 5 3.35

Магний 8.0-16 5.3 11 8.15

Аммоний 30-75 20 50 35

(в расчете на К)

Хлорид 100-250 67 167 117

Карбонат 0-50 0 33 16.5

(в расчете на С)

Фосфат 20-50 13 33 23

(в расчете на Р)

Сульфат 40-120 27 80 53.5

(в расчете на S)

Оксалат 0.30-0.63 0.20 0.42 0.31

[ А"- ]

[ Нп А ]

[ Нп -,А-] 1

-[ А"-]

10

"рН

10

-(" -1)рН

10

-рН

Ка1 Ка 2 — К а" Ка2 Ка3■•• Ка

Ка

где СМт+ и СА„_ - суммарные концентрации всех форм катиона и аниона, КЬ1 ...КЬп, Ка1 ...Кап - ступенчатые константы взаимодействия катиона и аниона с водой [15, 16].

ность множества точек, две координаты которых на трехмерной диаграмме задаются значениями двух параметров - рН и ^ СА„_, а третья - значением параметра ^ Смт+, который является решением

уравнения (1). При построении диаграмм значения рН задавались в диапазоне 0-14 с шагом 0.1, а значения ^ СА„- в диапазоне 7-0 с шагом 0.1.

В качестве примера приведем функцию, описывающую равновесие в системе "твердая фаза -

раствор" для оксалата кальция Са2+ + С2 О4

СаС204:

Системы "малорастворимое соединение-ионы в растворе"

Для определения областей устойчивости малорастворимых фаз были построены поверхности, которые являются функцией вида ^ СМт+ = /(^ СА„_, рН).

Эти функции были получены для каждого соединения при логарифмировании уравнений для условных произведений растворимости (ПРусл):

18 Сса2+ = 1§ ча

Оа'

О2О4

-18 СО2о2"8-70-

Системы с общим катионом или анионом

Были рассмотрены системы: СаС204-С%(Р04)30Н, Саз(Р04)30Н^Н^Р04, р-Са3(Р04)2-СаС204, КН^Р04-|3-Са3(Р04)2, СаС204-СаНР04.

ПРусл =

ПР1

1§ СМ

а

= -18

р

аЯ

А"-

= Ср

Мт

■ СЯ

а"

ПРт

р Я

СА

рА

(1)

Геометрическим решением этой функции является поверхность, представляющая собой совокуп-

Между двумя фазами с общим катионом или анионом устанавливается равновесие (2) или (3) соответственно:

т МрАЯ -

Я"( А')т

(эо1у)

К, =

•рМтАЯ" + дтА

(Бо1у)?

(А')"

п-

т

^ С(Са2+)

4

2

0

-2

-4

-6

-8 0 2

6 РН

(а)

СаС204

10

12

^ С(Са2+)

4

2

0 1-г

-2

-4

-6 У : у

-8 -1( У/

-12

14

0 2 4

(б)

Са5(Р04)30Н

Р6 8 10 12 14

Рис. 1. Диаграммы растворимости основных фаз почечных камней: оксалат кальция (а); гидроксилапатит (б).

0

0

4

8

тМрАч + рп(М')^)^ ЧМ+ ртМ1оЮ,

9

(3)

К =

(М')т

В каждом конкретном случае были построены поверхности в координатах ^ СМ,+ - 1g С М,)п+ -рН и

1g С р- - 1g С п- -рН, разделяющие области устой-

А (А )

чивости двух твердых фаз в растворе.

В качестве примера можно привести равновесие 3СаС204 + 2Р 03- -—- Са3(Р04)2 + 3 С2 02-, опи-

сываемое функцией:

= 2(31g Сс

1g С

31gас 02--2^ароз--4.85).

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

Системы "малорастворимое соединение-ионы в растворе"

Оксалат кальция и основной фосфат кальция.

Из рассчитанной диаграммы СаС204 (рис. 1а) видно, что поверхность термодинамического равновесия в области концентраций, характерных для физиологического раствора, практически инвариантна к изменению рН. При этом область значений концентраций и рН физиологического раствора находится в области устойчивости соединения.

Область устойчивости Са5(Р04)30Н (рис. 16) значительно расширяется при увеличении значе-

ний рН вплоть до 12. Область концентраций, характерных для физиологического раствора, также находится в области устойчивости соединения.

Фосфат аммония-магния, Р-ортофосфат кальция, дигидрат гидрофосфата кальция. Образование этих реже встречающихся в почечных камнях фосфатов в равновесных условиях возможно в более узких областях концентраций ионов и значений рН (рис. 2). Область существования NH4MgP04 (рис. 2а) при увеличении значений рН расширяется. При рН 6, 7 и 8, область значений концентраций физиологического раствора полностью находится в области устойчивости соединения, а при рН 5 пересекает поверхность термодин амического р авно-весия. При этом область высоких концентраций аммония остается в области устойчивости соединения. Область устойчивости в-Са3(Р04)2, как и в случае основного фосфата кальция, значительно расширяется при сдвиге рН в щелочную область, и незначительно изменяется при варьировании значений концентраций ионов (рис. 26). Нижняя граница рН его образования равна ~5. Гидрофосфат кальция может существовать практически во всем диапазоне рН, характерном для физиологического раствора. Однако при уменьшении значений концентраций ионов кальция и фосфата область его устойчивости значительно сокращается (рис. 2в). Поскольку величина изобарно-изотермиче-ского потенциала образования СаНР04 при прочих равных условиях меньше, чем у Са5(Р04)30Н и в-Са3(Р04)2, в равновесных условиях возможен переход гидрофосфата в в-ортофосфат и основной фосфат кальция.

т

4

2 4

(а)

(б)

рН5 рН6 □ РН7 рН8

^ С(Са2+) 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10

14

lg С(Р04-) 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6

(в)

12

14

-4 -6

Рис. 2. Диаграммы растворимости фосфатных фаз почечных камней: фосфат магния-аммония (а); в-фосфат кальция (б); гидрофосфат кальция (в).

Бинарные системы малорастворимых соединений почечных камней

Системы с общим катионом Са2+. Системы с общим катионом представлены равновесием между оксалатом кальция и основным фосфатом кальция, а также оксалатом кальция и гидрофосфатом кальция (рис. 3).

При формировании оксалатных фаз, даже при значительных концентрациях оксалат-ионов, возможно образование фосфатов, прежде всего основного фосфата кальция (рис. 3 а) и в-ортофос-фата кальция, особенно при сдвиге рН раствора в щелочную область. Область концентраций окса-лата и фосфата физиологического раствора практически полностью лежит в области устой-

чивости

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком