Физико – химические свойства растворов

Цель деятельности студентов на занятии.

 

Студент должен знать:

а) Характеристику растворов, их компонентов.

б) Способы выражения концентрации растворов, растворимость веществ.

в) Определение закона Рауля через молярную долю растворителя и растворенного вещества

г) Следствия из закона Рауля

д) Определение осмоса; экзосмоса; эндосмоса

 

Студент должен уметь:

а) Формировать и применять для расчета свойств растворов законы осмоса и законы Рауля

б) Расчеты различных концентраций растворов

в) Определять молярную массу вещества эбуллиоскопическим и криоскопическим методом

 

Для изучения биологических и медицинских дисциплин большой интерес представляет учение о растворах.

 

Раствором называют находящуюся в состоянии равновесия гомогенную систему переменного состава из двух или более веществ.

Вещества, составляющие раствор, называют компонентами раствора.

 

Растворы могут существовать в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном (парообразном). Примерами твердых растворов могут служить некоторые сплавы металлов, например сплав золота и меди, а газообразных – воздух.

Для медиков наибольший интерес представляют жидкие растворы, к которым относятся плазма крови, моча, лимфа и другие биологические жидкости, представляющие собой очень сложные смеси белков, липидов, углеводов, солей, растворенных в воде. Многие химические процессы протекают лишь при условии, что участвующие в них вещества находятся в растворенном состоянии. Усвоение пищи связано с переходом питательных веществ в растворенное состояние. Биохимические реакции в живых организмах протекают в растворах.

Биожидкости участвуют в транспорте питательных веществ (жиров, аминокислот, кислорода), лекарственных препаратов к органам и тканям, а также в выведении из организма метаболитов (мочевины, билирубина, углекислого газа и т.д.). В жидких средах организма поддерживается постоянство кислотности, концентрации солей и органических веществ – концентрационный гомеостаз.

Изучение свойств растворов показывает, что их поведение подчиняется ряду законов, которые необходимо учитывать в медицинской практике.

 

Концентрация является важнейшей характеристикой раствора.

 

Концентрацией вещества – компонента раствора – называют величину, измеряемую количеством растворенного вещества, содержащегося в определенной массе или объеме раствора или растворителя.

 

В химии применяются разнообразные способы выражения концентрации растворов.

 

Массовая доля вещества в процентах показывает число граммов (единиц массы) вещества, содержащееся в 100 г (единиц массы) раствора

,

где m (X) – масса данного компонента Х (растворенного вещества), кг (г);
m_р-ра – масса раствора, кг (г).

Молярная концентрация показывает число молей растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора

; моль/л (моль/м³),

где n (X) – количество растворенного вещества, моль; М (Х) – молярная масса растворенного вещества, кг/моль (г/моль); V_р-ра – объем раствора, л.

Моляльная концентрация показывает число молей растворенного вещества, содержащихся в 1000 г растворителя

, моль/кг,

где m_р-ля – масса растворителя.

Нормальность или молярная концентрация эквивалента показывает число эквивалентов растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора

, моль/л (моль/м³)

где n_Э – количество вещества эквивалента.

Эквивалент элемента называют реальную или условную частицу вещества Х, которая в данной кислотно-основной реакции эквивалентна одному иону водорода или в данной окислительно-восстановительной реакции – одному электрону.

 

Закон эквивалентов: вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам.

 

Эквивалент кислот определяется количеством ионов водорода Н⁺, которые принимают участие в данной реакции

; ; 1 г-экв = 49 г.

Эквивалент оснований будет определяться числом ОН^–-ионов, которые прореагируют с ионами Н⁺

; .

При вычислении эквивалентов солей учитывают число ионов металла и степень его окисления

; .

 

Эквивалент не постоянное число, зависит от реакции, в которой участвует вещество.

Титром раствора называется масса вещества, содержащегося в одном кубическом сантиметре (или в одном миллилитре) раствора. Единица измерения титра г/см³ (или г/мл)

.

 

Диффузия

 

Диффузия – это самопроизвольный процесс выравнивания концентрации растворенного вещества в растворе.

 

Диффузия обусловлена тепловым движением частиц растворенного вещества и растворителя. Хотя движение каждой частицы хаотично, в целом смещение частиц направленное – частицы растворенного вещества постепенно проникают все дальше в растворитель.

Диффузия наблюдается и при соприкосновении растворов разных концентраций. При этом количество частиц растворенного вещества, проходящее в единицу времени в сторону менее концентрированного раствора, будет больше, чем в обратном направлении.

Диффузия может быть выражена количественно. Предположим, что на некотором расстоянии x₁ от дна от дна сосуда концентрация раствора равна С₁, а на расстоянии x ₂ концентрация С₂, причем С₁ > С₂. Следовательно, изменение концентрации, приходящееся на единицу расстояния между С₁ и С₂ (градиент концентрации), равно

(знак «–» потому, что С₁ > С₂)

Закон Фика: Скорость диффузии вещества пропорциональна площади поверхности, через которую переносится вещество, и градиенту концентрации этого вещества.

,

где – скорость диффузии, моль/с; S – площадь поверхности, м²; – градиент концентрации, моль/м²; D – коэффициент пропорциональности, м²/с, называемый коэффициентом диффузии вещества.

А. Эйнштейн и независимо от него М. Смолуховский вывели следующее уравнение для коэффициента диффузии:

,

где R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль·К); Т – абсолютная температура, К; N_A – постоянная Авогадро, равная 6,02·10²³ 1/моль; r – радиус диффундирующих частиц, м; D – коэффициент диффузии, м²/с; η – вязкость среды, Н·с/м².

Из уравнений следует, что скорость диффузии возрастает при повышении температуры и градиента концентрации и уменьшается при увеличении вязкости растворителя и размера диффундирующих частиц. С увеличением молекулярной массы, а, следовательно, и размеров молекул, уменьшается коэффициент диффузии и, следовательно, ее скорость.

 

Явление диффузии играет очень важную роль в процессах перемещения различных питательных веществ и продуктов обмена в тканевых жидкостях.

В живых организмах диффузия тесно связана со многими биологическими явлениями. Скорость многих физико-химических процессов в организме зависит прежде всего от скорости диффузии реагирующих веществ. Общая кинетика биологических явлений определяется наиболее медленным их этапом – диффузией реагентов, а не биохимическими реакциями, протекающими при участии ферментов с очень большой скоростью.

Каждая клетка организма представляет сложнейшую систему различных веществ (систему фаз), существенно влияющую на направление и скорость диффузии различных веществ. Изменение функционального состояния клетки, тесно связанное с общими регуляторными механизмами живых организмов, сопровождается изменением состояния фаз, их объемов, величины поверхности раздела между ними. Все это приводит к определенным изменениям в диффузии различных веществ. Интенсивность обменных реакций также оказывает регулирующее влияние на диффузию. Повышение обменных процессов усиливает использование диффундирующих реагентов и ведет к накоплению продуктов реакций, что в свою очередь повышает градиенты их концентраций и увеличивает диффузию. Понижение интенсивности обменных процессов действует в обратном направлении.