Вопрос № 55. Насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные растворы. Растворимость, единицы ее измерения. Влияние температуры на процесс растворения.

Раствор состоит из растворителя и растворенного вещества. Растворителем принято считать тот компонент системы, который при образовании раствора не изменяет своего агрегатного состояния или берется в большем количестве.

Раствор, содержащий при данной температуре максимальное количество растворенного вещества и находящийся в равновесии с избытком растворенного вещества, называют насыщенным.

Перенасыщенный раствор – раствор, концентрация которого выше, чем в насыщенном.

Раствор с меньшей концентрацией, чем насыщенный, называют ненасыщенным.

Способностью вещества растворяться в том или ином растворе называют растворимостью. Численно растворимость равна концентрации его насыщенного раствора.

Растворимость может быть выражена в тех же единицах, что и концентрация. Например, через количество растворенного вещества, содержащегося в 1 литре насыщенного раствора (моль/л) или через массу растворенного вещества в 100 граммах насыщенного раствора.

Растворимость показывает массу растворенного вещества (в граммах) в 100 г растворителя при определенной температуре (обычно 20-25⁰С). Растворимость веществ зависит от природы растворенного вещества, изменяется от температуры и давления (газов). Для повышения растворимости необходимо учитывать тепловой эффект процесса растворения. Если процесс эндотермический, то вещества лучше растворяются с повышением температуры, если экзотермический, то – с понижением температуры.

Растворимость зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, температуры, давления, присутствия в растворе других веществ. Например:

1) Жидкости с малополярными связями в молекулах неограниченно растворяются друг в друге (бензол в эфире);

2) Жиры хорошо растворимы в неполярных жидкостях – эфире, гексане, бензоле;

3) Вещества с ионным типом связи и вещества, состоящие из полярных молекул, лучше растворяются в полярных растворителях (воде, спирте).

№ 56. Законы Дальтона, Генри и И.Сеченова. Применение этих законов при лечении кессонной болезни, лечения в барокамере и исследования электролитного состава крови.

Для увеличения растворимости газов используют изменение давления. Эта зависимость была установлена Генри.

Закон Генри: количество газа, растворенного при определенной температуре, прямо пропорционально давлению газа:

С(х) = К_г · Р(х), где К_г – постоянная Генри (моль/(Па·л))

Закон Генри лежит в основе лечения кессонной болезни в барокамере. Кессонная болезнь возникает у водолазов, летчиков, альпинистов – людей подвергающихся резким перепадам давления. При нырянии происходит резкое увеличение давления и кислород в большом количестве попадает в капилляры. При быстром поднятии на поверхность давление падает, кислород собирается в пузырьки и закупоривает капилляры. С течением времени у человека появляются характерные симптомы: тремор, шаткая походка в результате снижения поступления крови в мозг, смерть. Для лечения этого заболевания используют барокамеру, в которой люди дышат воздухом с повышенным содержанием кислорода под давлением. В результате улучшается кровообращение в капиллярах.

Закон Генри является частным случаем закона Дальтона.

Если речь идет о растворении не одного газообразного вещества, а смеси газов, то растворимость каждого компонента подчиняется закону Дальтона: растворимость каждого из компонентов газовой смеси при постоянной температуре пропорциональна порциальному давлению компонента над жидкостью и не зависит от общего давления смеси и индивидуальности других компонентов.

Закон Сеченова И.М.: растворимость газов в жидкости в присутствии электролита понижается, происходит как бы высаливание газа. (Высаливание – соль бросают в смесь воды и спирта, происходит разделение смеси, спирт всплывает.)

С(х) = С₀ · е^{- КсСэл}

где, С(х) – растворимость газа в присутствии электролита;

С₀ – растворимость газа в чистом растворителе;

е – основание натурального логарифма;

К_с – постоянная Сеченова;

С_эл – концентрация электролита.

Существуют состояния, возникающие в результате большого потребления электролитов, витаминов, минеральной воды. В результате в организме накапливается много электролитов, которые способствуют снижению растворимости кислорода. У человека появляются вялость, слабость, повышенная утомляемость. Содержание белков, липидов и других молекул также влияет на растворимость газов в крови.

№ 57. Коллигативные свойства растворов. Диффузия. Закон Фика. Роль диффузии в процессах переноса веществ в биологических системах.

Некоторые свойства растворов зависят от теплового движения частиц, т.е. определяются не природой компонентов, а количеством частиц в системе. Свойства растворов, которые зависят от числа растворенных частиц, называются коллигативными: диффузия, Броуновское движение, понижение упругости пара над раствором по сравнению с чистым растворителем, повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания растворов по сравнению с растворителем, осмотическое давление.

Диффузия – самопроизвольный процесс выравнивания концентрации вещества в растворе. Термодинамической причиной диффузии является перемещение вещества от боле высокого химического потенциала к более низкому. При выравнивании химического потенциала диффузия прекращается.

Диффузия описывается уравнением Фика: скорость диффузии прямо пропорциональна площади поверхности, через которую проходит вещество, и градиенту концентрации:

dm/dt = - DS (dc/dx), где dm – масса вещества,

dt – время,

D – коэффициент диффузии,

dc/dx – градиент концентрации.

Роль диффузии в биологических системах: перемещение веществ и продуктов обмена, транспорт веществ через мембрану.

Применение диффузии в медицине: диализ, понижение упругости пара над раствором.

№ 58. Давление пара растворителя, причины его уменьшения. Закон Рауля. Относительное понижение давления пара над раствором.

Любая жидкость испаряется, в результате чего создается давление пара над раствором. Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называют насыщенным. Давление такого пара называется давлением (упругостью) насыщенного пара растворителя. При повышении температуры давление насыщенного пара растворителя будет возрастать. Если в летучий растворитель (спирт, воду, бензол) внести нелетучее растворяемое вещество (глюкозу, сахарозу, крахмал, мочевину, белки), то это вещество будет взаимодействовать с молекулами растворителя. Следовательно, число частиц растворителя, переходящего в пар, уменьшится, и давление пара растворителя над раствором понизится.

Закон Рауля (1-я формулировка): давление пара раствора, содержащего нелетучее растворенное вещество, прямо пропорционально мольной доле растворителя:

Р = К_р · N_р-ля

N_р-ля - мольная доля растворителя;

К_р – постоянная Рауля.

Закон Рауля (2-я формулировка): относительное понижение давление пара над раствором прямо пропорционально мольной доле растворенного вещества:

N_р.в-ва = (Р₀ – Р) / Р₀ = ∆Р / Р₀

N_р.в-ва - мольная доля растворенного вещества;

Р₀ – давление пара над растворителем (справочная величина);

Р – давление пара над раствором;

∆Р = Р₀ – Р – понижение давления пара над раствором по сравнению с чистым растворителем.

№ 59. Повышение температуры кипения растворов. Формулы расчета. Эбулиометрическая константа, эбулиометрический способ расчета молярной массы растворенного вещества. Понижение температуры замерзания растворов. Формулы расчета. Криометрическая константа, криометрический способ расчета молярной массы растворенного вещества.

Любая чистая жидкость кипит при температуре, при которой давление ее насыщенного пара равно внешнему давлению. Если в растворитель (воду) поместить какой-либо неэлектролит (сахар), то для того чтобы раствор закипел, его нужно нагреть до более высокой температуры, чем та, при которой закипел растворитель.

Разница между температурами закипания раствора и растворителя есть повышение температуры кипения - ∆Т_кип. Рауль установил, что повышение температуры кипения прямо пропорционально моляльной концентрации растворенного вещества:

∆Т_кип = Т₁ – Т₀

Т₀ – температура кипения чистого растворителя;

Т₁ – температура кипения раствора с С₁.

∆Т_кип = К_э · С_m(х)

С_m(х) – моляльная концентрация;

К_э –эбуллиоскопическая постоянная, для воды равна 0,52 моль/(кг·К), она показывает, на сколько увеличилась температура кипения для одномоляльного раствора по сравнению с растворителем.

∆Т_кип = К_э · (n(х)/m_р-ля) = К_э · (m(х)·1000) / (М(х)·m_р-ля),

где m(х) – масса растворенного вещества;

n(х) – количество растворенного вещества;

m_р-ля – масса растворителя;

М(х) – молярная масса растворенного вещества.

Существует эбуллиоскопический метод определения молярной массы:

М(х) = К_э · (m(х)·1000) / (∆Т_кип·m_р-ля)

Всякая жидкость замерзает при той температуре, когда давление пара над жидкостью будет равно давлению пара над ее льдом. Растворенное вещество будет мешать образованию кристаллов льда, и чем больше будет концентрация раствора, тем при более низкой температуре будет образовываться лед.

Разница между температурами замерзания раствора и растворителя есть понижение температуры замерзания - ∆Т_замерз. Рауль установил, что понижение температуры замерзания прямопропорционально моляльной концентрации растворенного вещества

∆Т_замерз = Т₁ – Т₀

Т₀ – температура замерзания чистого растворителя;

Т₁ – температура замерзания раствора с С₁.

∆Т_замерз = К_кр · С_m(х)

С_m(х) – моляльная концентрация;

К_кр –криоскопическая постоянная, для воды равна 1,86 моль/(кг·К), она показывает, на сколько уменьшилась температура замерзания для одномоляльного раствора по сравнению с растворителем.

∆Т_замерз = К_кр · (n(х)/m_р-ля) = К_кр · (m(х)·1000) / (М(х)·m_р-ля)

где m(х) – масса растворенного вещества;

n(х) – количество растворенного вещества;

m_р-ля – масса растворителя;

М(х) – молярная масса растворенного вещества.

Существует криоскопический метод определения молярной массы:

М(х) = К_кр · (m(х)·1000) / (∆Т_замерз·m_р-ля)

№ 60. Осмос. Условия, необходимые для осмоса. Механизм осмоса. Осмотическое давление. Уравнение Вант-Гоффа для расчета осмотического давления.

Осмос – это одностороннее проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану из растворителя в раствор или из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией. Мембрана должна иметь поры.яч Роль полупроницаемой мембраны выполняют ткани животных и растений (например: стенки кишечника, кровеносных сосудов и других внутренних органов, оболочки растительных клеток), искусственные пленки.

Механизм осмоса: Возьмем раствор глюкозы и раствор воды и разделим их мембраной. Молекулы глюкозы, двигаясь, будут ударяться о стенки мембраны, и отскакивать назад, как упругие шарики. При этом мгновенно возникнет разряженное пространство, в которое будут устремляться молекулы воды. Вода будет подниматься до определенного уровня, где оно прекратится из-за наступления динамического равновесия между осмотическим и гидростатическим давлением.

Осмотическое давление - π – сила, обуславливающая осмос, отнесенная к единице поверхности мембраны. На практике осмотическое давление определяют как:

π = h∙ρ∙g

h – высота поднятия жидкости;

ρ – плотность раствора;

g – ускорение свободного падения.

Величину осмотического давления определяют теоретически по закону Вант-Гоффа:

π = С(х)∙R∙T (кПа)

C(х) – молярная концентрация растворенного вещества (моль/л);

R – универсальная газовая постоянная = 8,314Дж/мольК;

T – абсолютная температура раствора (К).

π = (n(х)/V_р-ра) ∙R∙T,

π = (m(х)/(M(х) ∙V_р-ра))∙R∙T,

где m(х) – масса растворенного вещества;

n(х) – количество растворенного вещества;

М(х) – молярная масса растворенного вещества;

V_р-ра – объем раствора.

№ 61. Роль осмоса и осмотического давления в биологических системах. Изотонические, гипертонические и гипотонические растворы, их применение в медицине. Гемолиз и плазмолиз.

Осмотическое давление есть во всех жидкостях живого организма. Осмотическое давление крови = 780 кПа = 7,7 атм. Концентрация всех частиц в крови создающих осмотическое давление называется осмомолярностью = 0,28-0,32 моль/л.

 

Раствор, имеющий одинаковое с плазмой крови осмотическое давление называют изотоническим раствором. Раствор, имеющий более высокое, чем плазма осмотическое давление называют гипертоническим раствором. Раствор, имеющий более низкое, чем плазма осмотическое давление называют гипотоническим раствором. Если в организм вводить гипертонический раствор, то будет происходить плазмолиз – выход жидкости из клетки (сморщивание клетки). Если в организм вводить гипотонический раствор, то будет происходить гемолиз – втягивание жидкости в клетку (разрыв клетки).

№ 62. Коллигативные свойства растворов электролитов. Изотонический коэффициент. Причина отклонения свойств растворов электролитов от законов Рауля и Вант-Гоффа. Уравнение, связывающее степень диссоциации и изотонический коэффициент.

Как известно, молекулы в растворе распадаются на ионы. На практике было обнаружено, что растворы электролитов вызывают более высокое осмотическое давление, чем это следует по закону Вант-Гоффа. Температура замерзания оказывается более низкой, а температура кипения более высокой, чем следует из закона Рауля. Вант-Гоффом был введен изотонический коэффициент - i, который учитывает эти отличия.

π = i · С(х)·R·T

∆Т_замерз = i · К_кр · С(х)

∆Т_кип = i · К_э · С(х)

∆Р = i · P₀ · N(x)

i = π_практ. / π_теор. = ∆Т_{замерз практ.} / ∆Т_{замерз теор.} = ∆Т_{кип практ.} / ∆Т_{кип теор} = ∆Р_практ / ∆Р_теор.

Изотонический коэффициент отражает процесс диссоциации молекул на ионы. Изотонический коэффициент связан со степенью диссоциации – α:

α = (i – 1) / (n – 1)

i – показывает реальное число ионов, на которое распадается электролит;

n – число ионов.

Например: Na₂SO₄ = 2Na⁺ + SO₄^2-, n = 3.

Отклонение свойств растворов электролитов от законов Рауля и Вант-Гоффа объясняется тем, что электролиты диссоциируют на ионы, в результате число частиц в растворе возрастает, что и ведет к более высокому осмотическому давлению; высокой температуре кипения; низкой температуре замерзания по сравнению с растворами неэлектролитов.

63. Фармпрепарат при 500С в воде подвергается термическому разложению по уравнению первого порядка с константой скорости 0,071 мин-1. Сколько времени нужно нагревать раствор при 500С для того чтобы исходная концентрация вещества, равная 0,01 моль/л уменьшилась до 0,001 моль/л.(Занятие 3.)

64. Константа скорости реакции гидролиза трипептида аланилглицилглицина, которая протекает как реакция первого порядка, равна 0,0116 мин-1. Какое количество исходного вещества (в процентах) прореагирует за 1 час.

65. Реакция разложения пероксида водорода в водном растворе протекает как реакция первого порядка. Период полураспада при данных условиях 15,86 мин. Определите, какое время требуется для разложения 99% взятого количества пероксида водорода.

66. Из 1кг сахарозы при превращении ее в глюкозу и фруктозу в присутствии воды и фермента, сахарозы за 5 часов осталось 0,6 кг. Какое количество сахарозы останется через 2 ч.20 мин. Определите время полураспада.

67. Рассчитайте константу равновесия, если ∆G0298 для данной реакции равно – 4,478 кДж/моль.

68. Для реакции H2 + I2 → 2HI при 4440С константа равновесия равна 50. Определите направление процесса, если исходная смесь имеет следующий состав: C(H2) = 2 моль/л, C(HI) = 10 моль/л.

№69. Температура кипения раствора, содержащего 6,4 г адреналина в 360 г CCl₄ на 0,49⁰К выше температуры кипения чистого CCl₄. К_э = 5,02 кг∙К/моль. Какова молярная масса адреналина?

№70. Этиловый спирт внутривенно иногда вводят при гангрене и абсцессе легкого в виде раствора с массовой долей 20%. Определите, будет ли при 37⁰С этот раствор изотоничен плазме крови? Плотность раствора принять за 1 г/мл.

№ 71. Почему при аллергических реакциях, сопровождающихся отеками тканей, в организм вводят высококонцентрированные растворы хлорида кальция (10%) и глюкозы (20%).

№72. Сколько граммов глюкозы нужно растворить в 270 г воды для повышения температуры на 1 градус?

№73. Осмотическое давление раствора гемоглобина в воде, содержащего 124 г в литре при 17⁰С равно 4400 н/м². Рассчитайте молярную массу гемоглобина.

№74. Осмотическое давление плазмы крови равно 780000 н/м². Рассчитайте, сколько граммов хлорида натрия необходимо для приготовления 200 мл раствора изотоничного плазме крови. Степень диссоциации хлорида натрия равна 95%.

№ 75. Опишите состояние эритроцитов при 310⁰К в растворах сахарозы с массовой долей 8% (плотность 1,03 г/мл) и глюкозы 2% (1,006 г/мл).

№76. Основные положения протолитической теории кислот и оснований. Кислоты и основания по Бренстеду-Лоури, сопряженные кислоты и основания. Константы кислотности и основности. Показатели кислотности (рК_а) и основности (рК_в).

Согласно теории электролитической диссоциации Аррениуса кислотой является любое вещество в состав, которого входит ион водорода, основанием – гидроксид ион. Но в органической и биологической химии для оценки кислотности и основности используют протолитическую теорию кислот и оснований Бренстеда – Лоури (1923г.). По теории понятия кислотность и основность связаны с переносом протона.

Кислотой является любая частица, способная отдать ион водорода.

NH₄⁺ → H⁺ + NH₃⁰

HCl → H⁺ + Cl^-

Основанием является любая частица, способная принять ион водорода.

H₂O + H⁺ → H₃O⁺

NO₃^- + H⁺→ HNO₃

По теории кислота и основание должны находиться в сопряженной системе, т.е. кислота не может существовать без основания.

HA + B = A^- + BH⁺

кислота + основание = сопряженное основание + сопряженная кислота

Из этого уравнения следует: кислота и основание образуют кислотно-основные пары. Чем сильнее кислота, тем слабее будет сопряженное с ней основание и наоборот.