Лекція № 2 . Вчення про розчини

 

2.1 Роль розчинів у життєдіяльності організмів. Механізм процесів розчинення.

Термодинамічний підхід до процесу розчинення. Розчинність речовин.

2.2 Розчинність газів у рідинах. Залежність розчинності газів від тиску (закон

Генрі—Дальтона), природи газу та розчинника, температури. Вплив

електролітів на розчинність газів (закон Сєченова). Розчинність газів у крові.

Кесонна хвороба.

2.3 Розчинність рідин та твердих речовин у рідинах. Залежність розчинності від

температури, природи розчинної речовини та розчинника. Розподіл речовини

між двома рідинами, що не змішуються. Закон розподілу Нернста та його

значення в явищі проникності біологічних мембран.

 

Самостійна робота: Способи вираження кількісного складу розчинів.

2.1.Роль розчинів у життєдіяльності організмів. Механізм процесів

розчинення. Термодинамічний підхід до процесу розчинення. Розчинність

речовин.

Розчини відіграють надзвичайно велике значення в природі Практично вся природа є нічим іншим, як хімією розчинів. Біологічні процеси в рослинах, живих організмах протікають у розчинах. В техніці також дуже багато процесів здійснюється в розчинах. Так, одержання різних солей, кислот, лугів, мінеральних добрив тощо здійснюється теж в розчинах Розчин - це суміш по меншій мірі двох речовин, одна з яких є розчинником. Другим компонентом може бути газ, тверда речовина або рідина

Вивчення властивостей розчинів показує, що їх поведінка підкоряється ряду законів, які необхідно враховувати в медичній практиці.

Розчином називають, ту що знаходиться в стані рівноваги, гомогенну

Систему змінного складу з двох або більш речовин.

Речовини, складові розчина, називають компонентами розчину.

По агрегатному стану розчини можуть бути газоподібними, рідкими і твердими. Наприклад, суміші газів (повітря) є газоподібними розчинами; розчини солей у воді - рідкими; сплави золота з міддю, нікелю з міддю - твердими розчинами.

Для медиків найбільший інтерес представляють рідкі водні розчини.

Будь-який розчин складається з розчинених речовин і розчинника, хоча ці поняття до певної міри умовні. Наприклад, залежно від співвідношення кількостей спирту і води ця система може бути розчином спирту у воді або води в спирті.

Зазвичай розчинником вважають той компонент, який у розчині знаходиться в тому ж агрегатному стані, що і до розчинення. Наприклад, у водному розчині глюкози (тверда речовина) розчинником вважається вода.

У розчинах електролітів незалежно від співвідношення компонентів електроліти розглядаються як розчинені речовини (наприклад, 96 %-вий розчин сірчаної кислоти у воді).

Значення розчинів в життєдіяльності організмів. Багато динамічних процесів протікають лише за умови, що речовини, що беруть участь в них, знаходяться в розчиненому стані. Вчення про розчини представляє для медиків особливий інтерес тому, що найважливіші біологічні рідини - кров, лімфа, сечовина, слина, піт є розчинами солей, білків, вуглеводів, ліпідів у воді. Засвоєння їжі пов'язане з переходом поживних речовин у розчинений стан. Біохімічні реакції в живих організмах протікають в розчинах.

Біорідини беруть участь в транспорті поживних речовин (жирів, амінокислот, кисню), лікарських препаратів до органів і тканин, а також у виведенні з організму метаболітів -(сечовини, білірубіну, вуглекислого газу і т. д.). Склад деяких біологічних рідин приведений в табл.1. Плазма крові є середовищем для кліток - лімфоцитів, еритроцитів, тромбоцитів.

У рідких середовищах організму підтримується постійність кислотності, концентрації солей і органічних речовин. Така постійність називається концентраційним гомеостазом.

 

Таблиця 1.

Йонний склад деяких біорідин, ммоль/л

Біорідина	Na^+	K^+	Ca^2+	Cl ^-	HCO3^-	Вагова доля бі-лку, %
Плазма крові			2,5			6 - 8
Цереброспінальна рідина			1,3			0,03
Синовіальна рідина			-			0,03
Асцитична рідина		3,5	1,8			-
Піт			2,5		-	-
Сльози			-			0,8
Слина	60 - 100	7 - 20	1,5 - 4	60 - 80	10 - 20	0,5
Шлунковий сік	20 - 60	6 - 7	-		-	0,5
Панкреатичний сік						1,2
Сечовина					-	-

Природа процесу розчинення складна. Природно виникає питання, чому деякі речовини легко розчиняються в одних розчинниках і погано розчинні або практично не розчиняються в інших.

Утворення розчинів завжди пов'язане з тими або іншими фізичними процесами. Одним з таких процесів є дифузія розчиненої речовини і розчинника. Завдяки дифузії частинки - молекули, іони - віддаляються з поверхні речовини, що розчиняється, і рівномірно розподіляються за всім обсягом розчинника. Саме тому у відсутність перемішувань швидкість розчинення залежить від швидкості дифузії. Проте не можна лише фізичними процесами пояснити неоднакову розчинність речовин в різних розчинниках.

Великий російський хімік Д. І. Менделєєв (1834-1907) вважав, що важливу роль при розчиненні відіграють хімічні процеси. Він довів існування гідратів сірчаної кислоти H₂SO₄ ^. Н₂O, H₂SO₄ ^. 2H₂O, H₂SO₄^. 4H₂O і деяких інших речовин, наприклад С₂H₅OH ^. ЗH₂O. У цих випадках розчинення супроводжується утворенням хімічних зв'язків частинок речовини, що розчиняється, і розчинника. Цей процес називається сольватацією; у окремому випадку, коли розчинником є вода, - гідратацією.

Як встановлено, залежно від природи розчиненої речовини сольвати (гідрати) можуть утворюватися в результаті фізичних взаємодій: іон-діпольної взаємодії, наприклад, при розчиненні речовин з іонною структурою (NаС1 і ін.); діполь-діпольного взаємодії - при розчиненні речовин з молекулярною структурою (органічні речовини).

Хімічні взаємодії здійснюються за рахунок донорно - акцепторних зв'язків - тут іони розчиненої речовини є акцепторами електронів, а розчинники (Н₂О, NН₃) -донорами електронів (наприклад, утворення аквакомплексів), а також в результаті утворення водневих зв'язків (наприклад, розчинення спирту у воді).

Доказами хімічної взаємодії розчиненої речовини з розчинником є теплові ефекти і зміна забарвлення, супроводжуючі розчинення.

Наприклад, при розчиненні калія гідроксиду у воді виділяється теплота:

 

 

КОН + х Н₂О = КОН (Н₂О) х; ∆Н^о _раств = -55 кДж/моль

 

а при розчиненні натрію хлориду теплота поглинается:

 

NаС1 + x Н₂О = NаС1 (Н₂О) x; ∆Н^о _раств = +3,8 кДж/моль

Теплоту, що виділяється або поглинається при розчиненні 1 моль речовини, називають теплотою розчинення Q _розч.

 

Відповідно до 1-го початку термодинаміки

 

Qрозч. = ΔН^о _розч.

 

Де ΔН^о _розч. - зміна ентальпії при розчиненні даної кількості речовини.

Розчинення у воді безводного міді сульфату білого кольору призводить до появи інтенсивного блакитного забарвлення. Утворення сольватів, зміна забарвлення, теплові ефекти, як і інших фактів, свідчать про зміну хімічної природи компонентів розчину при його виникненні.

Таким чином, відповідно до сучасних уявлень розчинення - фізико-хімічний процес, в якому грають роль як фізичні, так і хімічні взаємодії.

 

2.2 Розчинність газів у рідинах. Залежність розчинності газів від тиску

(закон Генрі—Дальтона), природи газу та розчинника, температури.

Вплив електролітів на розчинність газів (закон Сєченова). Розчинність

газів у крові. Кесонна хвороба.

Розчинність газів в рідинах. Закони Генрі, Дальтона і Сєчєнова. Розчинення газів в рідинах майже завжди супроводжується виділенням теплоти (ентальпія ΔН< 0). Тому розчинність газів з підвищенням температури згідно принципу Ле -шателье знижується. Цю закономірність часто використовують для видалення розчинених газів з води, наприклад СО₂, кип'ятінням. Іноді розчинення газу супроводжується поглинанням теплоти, наприклад розчинення благородних газів в деяких органічних розчинниках. В цьому випадку підвищення температури збільшує розчинність газу.

Газ не розчиняється в рідині безмежно. При деякій концентрації газу X встановлюється рівновага:

Х(г) ↔ Х(р)

 

При розчиненні газу в рідині відбувається значне зменшення об'єму системи. Тому підвищення тиску, згідно принципу Ле - Шателье, повинне приводити до зсуву рівноваги управо, тобто до збільшення розчинності газу. Якщо газ малорозчинний в даній рідині і тиск невеликий, то розчинність газу пропорційна його тиску. Ця залежність виражається законом Генрі (1803):