23. Термодинамика растворения. Энтальпийный и энтропийный факторы и их связь с механизмом растворения. Роль растворов в жизнедеятельности организмов.

Растворы — это термодинамически устойчивые гомогенные систе­мы, состоящие из растворителя, растворенного вещества и продуктов их взаимодействия.

Термодинамика растворения. Растворение — это самопроизволь­ный процесс, поэтому ΔG_{раств-ия} <0. Величина и знак ΔG_paств-я опреде­ляются энтропийным и энтальпийным факторами:

ΔG_{растворения}= ΔН_{растворения} — TΔS_{растворения}.

Энтальпию растворения кристаллического вещества ионного типа можно рассматривать как сумму энтальпии фазового перехода (ф.п.) и эн­тальпии гидратации (гидр.):

ΔН_{растворения} = ΔНф.п.+ ΔН_гидр.

Обычно ΔНф.п. > 0, так как требуется затрата энергии в виде теплоты, света и т. д. для разрушения кристаллической решетки. В то же время при гидратации ионов выделяется энергия, поэтому ΔН_гидр.< 0.

Таким образом, если:

а) | ΔНф.п.| > | ΔН_гилр |, то ΔН_{растворения} >0, процесс эндотермический;

б) | ΔНф.п.| <| ΔH_гидр.|, то ΔН_{растворения} < 0, процесс экзотермический.

Процесс растворения зависит и от энтропийного фактора:

ΔS_{растворения} = ΔSф.п.+ ΔS_гидр

При растворении твердых веществ ΔSф.п. > 0. Гидратация означает порядок в системе (происходит уменьшение числа частиц) и в этом случае ΔS_гидр.< 0. Однако, по абсолютной величине ΔS_гидр. невелико, то есть | ΔS_ф.п.| > |ΔS_гидр|, поэтому, растворение твердых веществ всегда сопровожда­ется увеличением энтропии.

При растворении газов в воде ΔН_ф.п.= 0, так как не надо затрачивать энергию на разрушение кристаллической решетки. Поэтому процесс рас­творения газов почти всегда экзотермический, т.е. ΔН_{раств-ия}<0. Энтро­пия уменьш, т.е.ΔS_{растворения}<0.

26. Идеальные и неидеальные растворы. Полупроницаемые мембраны. Осмос. Осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа.

Идеальные растворы — это такие рас­творы, у которых отсутствуют все виды взаимодействий между частицами растворенного вещества и частицами растворителя, т. е. ΔН= 0. Общий объем раствора равен сумме объемов всех компонентов раствора и ΔV = 0. Образование идеального раствора сопровождается увеличением энтропии и ΔGрастворения < 0. В природе таких растворов нет. Эти растворы близки к сильно разбавленным растворам, в которых взаимодействие между части­цами становится таким малым, что его можно не учитывать.

Неидеальные (реальные) растворы образуются с изменением объема и энтальпии.

Полупроницаемая мембрана — это мембрана, способная пропус­кать через поры строго определенные частицы раствора. Все мембраны клеток являются полупроницаемыми.

Осмос — это преимущественно одностороннее проникновение молекул растворителя через полупрони­цаемую мембрану из растворителя в раствор, или из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией. Необходимое условие возникновения осмоса — это наличие растворителя и раствора, или двух растворов различной концентрации, разделенных полупроницаемой мем­браной..

Осмос — это самопроизвольный процесс. С точки зрения термоди­намики движущая сила осмоса — стремление системы к выравниванию концентраций. При этом энтропия системы увеличивается (ΔS > 0), по­скольку она переходит в менее упорядоченное состояние, а энергия Гиб­бса системы соответственно уменьшается (ΔG<0).

Осмотическое давление – давление, которое надо приложить к мембране со стороны более концентрированного раствора для предотвращения осмоса.

В 1887 г. голландский химик Я. Вант-Гофф сформулировал закон для осмотического давления.

«Осмотическое давление раствора равно тому давлению, которое производило бы растворенное вещество, если бы оно при той же температуре находилось в газообразном состоянии и занимало объем, равный объему раствора».

Вант-Гофф также предложил эмпирическое уравнение для расчета осмотического давления разбавленных растворов неэлектролитов:

Росм. = CRT,где Р_осм. — осмотическое давление, кПа; С — молярная концентрация, Моль/л; Т — абсолютная температура, К; R — универсальная газовая по­стоянная, равная 8,31 Дж/моль К, если осмотическое давление выражается в килопаскалях. Если же осмотическое давление выражается в атмосфе­рах, то R = 0,082 л.атм./К.моль

26. Роль осмоса и осмотического давления в биологических системах. Осмотическое давление плазмы крови. Осмолярность, осмоляльность. Вклад различных компонентов плазмы в поддержание ее осмоляльности.

Биологическая роль осмоса. Все биологические жидкости представляют собой водные растворы электролитов и неэлектролитов, а кле­точные мембраны рассматриваются как полупроницаемые. В процессах распределения и перераспределения воды между внутри- и внеклеточным содержимым, между различными тканями и системами тканей, образую­щих органы, осмос играет в этих процессах ведущую роль.

Форменные элементы не влияют на давление крови, P_осм крови=760-800кПа при 37⁰С. В клинической практике осмотическое давление биологических жидкостей (плазмы крови, мочи, слюны, молока) не измеряют в кПа и ат­мосферах, а измеряют в единицах осмолярности или осмоляльности. Осмолярность или осмоляльность — это суммарная концентрация частиц, не проникающих через полупроницаемую мембрану. Единица из­мерения осмолярности — моль/л; единица измерения осмоляльности — моль/кг. Для разбавленных растворов численные значения осмолярности и осмоляльности практически совпадают. Например, осмолярность (осмо­ляльность) плазмы крови » 0,3 моль/л (моль/кг).

Основной вклад в под­держание осмотического давления плазмы крови вносят ионы натрия Na⁺ и ассоциированные с ними анионы хлора Сl в виде хлорида натрия. Остальной вклад вносят ионы калия К⁺, ионы кальция Са^2-, ионы магния Mg'' с ассоциированными анионами, мочевина, глюкоза, белок.