1.3.2. Коллигативные свойства растворов

Коллигативные свойства растворов – это свойства, не зависящие от природы растворенного вещества, а определяющиеся только числом частиц этого вещества в растворе и природой растворителя. К ним относятся: скорость диффузии; осмотическое давление; понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором; понижение температуры кристаллизации раствора; повышение температура кипения раствора.

Диффузией называется самопроизвольный направленный процесс переноса частиц растворенного вещества и растворителя, который осуществляется при наличии градиента концентрации растворенного веще­ства и приводит к выравниванию концентрации этого вещества по всему объему раствора. Скорость диффузии - количество вещества, переносимого за счет диффузии через единичную площадь поверхности в единицу времени. Скорость диффузии прямо пропорцио­нальна температуре и разности концентраций по обе стороны поверхности, через которую осуществляется диффузия, и обратно пропорциональна вязкости среды и размеру частиц.

Осмосом называется самопроизвольная диффузия молекул растворителя сквозь мембрану с избирательной прони­цаемостью. Осмотическим давлением (P_осм) называют избыточное гидростатическое давление, возникающее в результате осмоса и приводящее к выравниванию скоростей взаим­ного проникновения молекул растворителя сквозь мембрану с избирательной проницаемостью, его величина рассчитывается по уравнению Вант-Гоффа:

P_осм = С_М · R · T,

где С_М – молярная концентрация вещества в растворе, R – универсальная газовая постоянная, T – температура.

С учетом межмолекулярных взаимодействий осмотическое давление для реальных растворов равно:

Р_осм = i · С_М · R · T,

где i – изотонический коэффициент (i > 1 для электролитов, i = 1 для неэлектролитов, и i < 1 для веществ, склонных к ассоциации).

Растворы, имеющие одинаковое осмотическое давление, называются изотоничными. В случае контакта двух растворов с разным осмотическим давлением ги­пертоническим раствором называется тот, у которого большее осмотиче­ское давление, а гипотоническим - меньшее. Гипертонический раствор всасывает растворитель из гипотонического раствора, стремясь выровнять концентрации вещества путем перераспределения растворителя между контактирующими растворами.

Все клетки живых существ являются осмотическими ячейками, которые способны всасывать растворитель из окружающей среды (эндосмос) или, наоборот, его отдавать (экзоосмос), в зависимости от концен­траций растворов, разделенных мембраной. В результате эндоосмоса происходит набухание клетки (тургор) или ее разрушение (лизис). Последствием экзосмоса является сморщивание клетки (плазмолиз).

Роль осмоса в биосистемах. Осмос обуславливает поступление воды и растворенных в ней веществ из почвы по стеблю растения к листьям. Осмотическое давление крови человека довольно постоянно (изоосмия) и составляет 740-780 кПа при 37 °С. Постоянство осмотического давления в крови регулируется выделением паров воды при дыхании, работой почек, выделением пота и т. д. Оно обусловлено присутствием в крови катионов и анионов неорганических солей и в меньшей степени — наличием коллоидных частиц и белков. Осмотическое давление крови, создаваемое за счет белков плаз­мы крови, называемое онкотическим давлением (составляет величину порядка 2,5—4,0 кПа) играет исключительно важную роль в обмене водой между кровью и тканями, в распределении ее между сосудистым руслом и внесосудистым пространством. Осмотическому давлению крови человека соответствует осмолярная концентрация частиц (суммарное молярное ко­личество всех кинетически активных, т. е. способных к самостоятельному движению, частиц, содержащихся в 1 литре раствора, независимо от их формы, размера и природы) от 290 до 300 мОсм/л. В медицинской и фармацевтической практике изотоническими (физиологически­ми) растворами называют растворы, характеризующиеся таким же осмотическим давлением, как и плазма крови: 0,9% раствор NaCl и 5 % раствор глюкозы. В медицине используют гипертонические растворы или марлевые повязки, смоченные гипертоническим раствором NaCl, который в соответствии с закономерностями осмоса всасывает жидкость в себя, что способствует постоянному очищению раны от гноя или устранению отека. Действие слабительных средств также основано на явлении осмоса: MgS0₄ · 7H₂O и Na₂SO₄ · 1OH₂O создают гипертоническую среду в кишечнике и вызывают поступление большого количества воды через его стенки.

Давление насыщенного пара растворителя над раствором всегда будет меньше давления насыщенного пара над чистым растворителем I закон Ф. Рауля (1886):

При постоянной температуре относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над идеальным раствором нелетучего вещества равно мольной доле растворенного вещества:

p / p₀ = Χ,

где p = (p₀ - p), p – давление паров над раствором, p / p₀ – относительное понижение давления пара над раствором.

Температура кипения и замерзания раствора.

Температура кипения жидкости - это температура, при которой давление насыщенного пара над жидкостью становится равным внешнему давлению. Температура замерзания жидкости - это температура, при которой давление насыщенного пара над жидкостью становится равным давлению насыщенного пара над кристаллами этой жидкости. Количественно влияние концентрации нелетучего вещества в растворе на значения его температур кипения или замерзания описывается II законом Рауля:

Повышение температуры кипения или понижение температуры, замерзания идеальных растворов нелетучих веществ прямо пропорционально моляльной концентрации раствора:

T_к = K_э · m_с  и T_з = K_к · m_с,

где K_{э и} K_к – эбуллиоскопическая и криоскопическая константа, соответственно.