Вода. Свойства воды как растворителя.

Самым распространенным растворителем на земле является вода. Организмы животных и растений содержат от 50 до 90% воды. В организме человека вода составляет около 65% от массы тела. Большая часть воды в организме находится внутри клеток (70%), около 23% составляет межклеточная вода, а остальная (7%) находится внутри кровеносных сосудов и в составе плазмы крови. Потеря организмом человека более 10% воды может привести к смерти. При продолжительности жизни 70 лет человек потребляет 25т воды.

Многие лекарственные средства представляют собой водные растворы веществ. Для их приготовления обычно используется дистиллированная вода. Эту воду получают путем кипячения воды и последующей конденсацией водяного пара; данный процесс называется перегонкой (дистилляцией), он позволяет очисть водопроводную воду от содержащихся в ней примесей.

В табл. 2. приведены для сравнении физико-химические свойства воды других растворителей. Вследствие своих аномальных свойств вода -универсальный растворитель.

Прежде всего, вода хорошо растворяет ионные и многие полярные соединения. Такое свойство воды связано в значительной мере с ее диэлектрической проницаемостью (ε=78,5). Поскольку силы притяжения между ионами, согласно закону Кулона, меняются обратно пропорционально величине ε, притяжение между ионами уменьшается примерно в восемьдесят раз при растворений ионных соединений в воде. В результате многие ионные соединения диссоциируют и отличаются высокой растворимостью в воде.

 

Таблица 2. Физико - химические свойства растворителей.

Свойства	Вода	Спирт	Гексан
Температура плавления (замерзания), К
Температура кипения, К
Плотность, кг/м^3 при 277 К при 273К при 293 К	916,7 999,9
Молярная теплоемкость С, Дж/моль∙К	75,3
Молярная теплота плавления, кДж/моль	6,00	5,02
Диэлектрическая проницаемость	78,5	25,2	1,9
Молярная теплота испарения, кДж/моль	40,8	39,3	31,5
Вязкость, Н∙с/м^2 при 293 К	0,001	0,0012	0,0032
Дипольный момент^* Кл∙м	6,1∙10^-30	5,7∙10^-30
Поверхностное натяжение, Н/м при 293 К	0,0728	0,0223	0,0184

^* 1∙ 10^-30 Кл∙м=1D

 

Другой многочисленный класс веществ, хорошо растворимых в воде, включает такие полярные органические соединения, как сахара, альдегиды, кетоны, спирты. Их растворимость в воде объясняется склонностью молекул воды к образованию полярных связей с полярными функциональными группами этих веществ, например, с гидроксильными группами спиртов и сахаров или с атомом кислорода карбонильной группы альдегидов и кетонов.

Важны и другие аномальные свойства воды: высокое поверхностное натяжение, низкая вязкость, высокие температуры плавления и кипения и более высокая плотность в жидком состоянии, чем в твердом.

Молекула воды образуется из двух атомов водорода и атома кислорода. Угол между связями составляет 104,5°. В результате ассиметрии в распределении электронов вокруг атома кислорода центр отрицательного электрического заряда (неподеленной пары) электронного облака не совпадает с центром положительного заряда атома кислорода. Это приводит к появлению большого электрического дипольного момента молекулы воды, определяющего ее полярные свойства и хорошую растворимость полярных и низкую растворимость неполярных веществ в воде.

Для воды характерно наличие ассоциатов – групп молекул, соединенных водородными связями. В зависимости от сродства к воде функциональные группы растворяемых частиц подразделяются на гидрофильные (притягивающие воду), легко сольватируемые водой, гидрофобные (отталкивающие воду) и дифильные.

К гидрофильным группам относятся полярные функциональные группы: гидроксильная –ОН, амино – NH₂, тиольная –SH, карбоксильная –СООН. К гидрофобным – неполярные группы, например, углеводородные радикалы: СН₃– (СН₂)n–, С₆Н₅–. К дифильным относят вещества (аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты), молекулы которых содержат как гидрофильные группы: –ОН, –SH, – NH₂, СООН., так и гидрофобные группы: СН₃– (СН₂)n–, С₆Н₅–.

Растворы.

Растворы имеют большое значение как в медицине. Растворами являются плазма крови, спинно-мозговая жидкость, лимфа и.т.д. Лекарственные вещества эффективны лишь в растворенном состоянии в организме, все биохимические реакции протекают в растворах. В связи с этим необходимо определять концентрации веществ в различных биологических жидкостях и лекарственных препаратах. Для этого широко применяют метод титриметрического анализа, который изложен в следующем разделе.

Растворы - гомогенные (однородные) системы, состоящие из растворителя, растворенного вещества и продуктов их взаимодействия. Вещества, составляющие раствор, называют компонентами реакции. Растворителем считают тот компонент, который в растворе находится в том же агрегатном состоянии, что и до растворения. Например, в водном растворе глюкозы (твердое вещество) растворителем является вода.

По агрегатному состоянию растворы могут быть газообразными, жидкими и твердыми.

Классификация растворов. Растворы веществ с молекулярной массой меньше 5000г/моль называют растворами низкомолекулярных соединений (НМС), больше 5000 г/моль - растворы высокомолекулярных соединений (ВМС).

По наличию или отсутствию электролитической диссоциации растворы НМС подразделяют на три класса - растворы электролитов, неэлектролитов.

Растворы электролитов - растворы диссоциирующих на ионы солей, кислот и оснований. Электропроводность растворов электролитов выше, чем растворителя. Например, растворы KNO₃, НCl, KOH.

Растворы неэлектролитов - растворы веществ, практически не диссоциирующих в воде. Например, растворы сахарозы, глюкозы, мочевины. Электропроводность растворов неэлектролитов мало отличается от растворителя.

В лабораторной практике различают концентрированные растворы (содержание растворенного вещества соизмеримо с содержанием растворителя) и разбавленные растворы (содержание растворенного вещества мало по сравнению с содержанием растворителя).

Иногда растворы определяют как дисперсные системы. При этом растворитель, в котором распределено вещество, называется дисперсной средой, а частицы растворенного вещества - дисперсной фазой. По степени дисперсности различают:

 

Грубодисперсные системы (взвеси)	Коллоидные системы (кровь, лимфа, слюна, белки)	Истинные растворы (раствор соли в воде)
Размер частиц дисперсной фазы
Больше 100 нм	1-100 нм	меньше 1 нм

 

Таким образом, если одно вещество диспергировать (разрушать) в другом, то, в зависимости от размера частиц диспергируемого вещества, можно получить системы трёх типов:

I. Взвеси – это дисперсные системы, в которых размеры распределённых частиц сравнительно велики (10^–7–10 ^–5 м). Взвеси делятся на суспезии и эмульсии; в первых распределённое вещество твёрдое, во вторых – жидкое. Частицы взвеси видны простым глазом или в обычный оптический микроскоп. Взвеси – системы мутные и непрозрачные. Взвеси неустойчивы, частицы диспергированного вещества выпадают в осадок (песок + вода), а если плотность диспергированного вещества меньше плотности среды, то диспергированное вещество всплывает (глина + масло). Процесс разделения взвесей называется седиментацией (для суспензий) и расслоением(для эмульсий).

II. Коллоидные системы – это такие дисперсные системы, в которых частицы распределённого вещества имеют размеры порядка 10^–9–10^–7 м. Каждая такая частица может содержать большое число атомов или молекул. Такие частицы невидимы через обычный микроскоп, но видимы в ультрамикроскоп, где свет падает сбоку или сзади, в результате чего в поле зрения видны светлые точки, возникающие в результате рассеяния света диспергированными частицами.

III. Истинные растворы или просто растворы – это дисперсные системы, в которых диспергированное вещество распределено в среде в виде молекул или ионов; частицы имеют размеры порядка 10^–10–10^–7 м. Растворы системы однородные, устойчивые.