Задание № 17

1. От каких факторов зависит растворимость газов в жидких средах?

Растворимость газов в жидких средах в общем случае зависит от природы газа и природы растворителя, от наличия других растворенных веществ; от температуры и давления. Следует различать растворение и химическое взаимодействие растворяемого газа с компонентами раствора.

2. Сформулируйте и напишите математические выражения закона Генри и закона Сеченова.

Закон Генри. Количество газа, растворенного при данной температуре в определенном объеме жидкости при равновесии прямопропорционально давлению газа. Закон Генри справедлив лишь для сравнительно разбавленных растворов при невысоких давлениях и отсутствии химического взаимодействия между молекулами растворяемого газа и растворителем.

Математическое выражение: С(Х) = К_Гр(Х), где

С(Х) – молярная концентрация газа в насыщенном растворе, моль/л;

р(Х) – давление газа над раствором, Па;

К_Г – константа Генри для данного газа в данном растворителе,  .

Константа Генри зависит от природы газа, растворителя и температуры.

Закон Генри является частным случаем общего закона Дальтона: растворимость каждого из компонентов газовой смеси при постоянной температуре пропорциональна парциальному давлению компонента над жидкостью и не зависит от общего давления смеси и индивидуальности других компонентов.

Математическое выражение: p_i = p_общ.(X_i), где

p_i – парциальное давление компонента газовой смеси;

р_общ. – общее давление газовой смеси;

(X_i) – мольная доля газа в смеси.

Растворимость газов в присутствии электролитов описывается законом Сеченова (И.М. Сеченов). Растворимость газов в жидкостях в присутствии электролитов понижается (происходит «высаливание» газов).

Математическое выражение: , где

С(Х) – растворимость газа в присутствии электролита;

С₀(Х) – растворимость газа в чистом растворителе;

С_е – концентрация электролита;

К_с – константа Сеченова, которая зависит от природы газа, растворителя и электролита, а также температуры.

3. Применение законов Генри и Сеченова в биологии и медицине.

а) Как складывается режим парциальных давлений кислорода и углекислого газа в процессе дыхания?

б) Раскройте причину возникновения кессонной и горной болезней.

Ответ:

а) Парциальное давление кислорода и диоксида углерода во вдыхаемом человеком воздухе составляет в среднем соответственно 21,22 и 0,03 кПа. В легких кислород поглощается венозной кровью, превращая гемоглобин в оксигемоглобин. Из венозной крови к альвеолам поступает доставляемый сюда углекислый газ, поэтому в выдыхаемом воздухе меньше кислорода (16,52 кПа) и значительно больше углекислого газа (4,05 кПа), чем во вдыхаемом. А самая низкая концентрация кислорода и самая высокая углекислого газа в альвеолярном воздухе. Кислород диффундирует из воздуха в венозную кровь, потому что парциальное давление его в альвеолярном воздухе (14,39 кПа) выше, чем равновесное парциальное давление его над венозной кровью (8-8,7 кПа), а углекислый газ диффундирует в обратном направлении, потому что равновесное парциальное давление его над венозной кровью (6,1 кПа) выше, чем парциальное давление этого газа в альвеолярном воздухе (5,27 кПа).

б) Закон Генри, в частности, позволяет вскрыть причины возникновения так называемых декомпрессионных заболеваний (кессонная болезнь) у водолазов, кессонщиков, летчиков и представителей некоторых других профессий, которые по роду своей деятельности должны быстро переходить из среды с повышенным атмосферным давлением в среду с более низким давлением. В период пребывания человека в среде с повышенным давлением кровь и ткани насыщаются азотом (отчасти и углекислым газом), а при переходе в среду с более низким давлением (декомпрессии) происходит выделение избыточных количеств растворенных газов, которые не успевают диффундировать из крови через легкие наружу и образуют газовые пробки, что приводит к закупорке и разрыву кровеносных капилляров, накоплению пузырьков газов в подкожной жировой клетчатке, в костях, суставах, костном мозге и тканях нервной системы. При быстром подъеме водолазов, длительно находившихся на большой глубине, выделение растворенных в крови и тканях газов может быть таким бурным, что оно может вызвать тяжелое патологическое состояние. В связи с этим переход от повышенного давления к обычному необходимо проводить постепенно в течение довольно продолжительного времени, под строгим контролем врача.

4. Что означает термин «коллигативные свойства»? Перечислите их. Что их объединяет?

Коллигативными называются такие свойства, которые не зависят от природы компонентов раствора, а зависят только от числа частиц в растворе. К ним относятся: осмос, диффузия, понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения растворов, понижение давления насыщенного пара над раствором.

5. Чем отличаются процессы диффузии и осмоса?

Диффузией в растворе называется самопроизвольный направленный процесс переноса частиц растворенного вещества и растворителя, который осуществляется при наличии градиента концентраций растворенного вещества и приводит к выравниванию концентрации этого вещества по всему объему этого раствора.

Осмосом называется самопроизвольная диффузия молекул растворителя через мембрану с избирательной проницаемостью.

Отличаются тем, что осмос возможен только при наличии избирательной (полупроницаемой) мембраны. При этом в случае диффузии происходит перемещение и молекул растворенного вещества и молекул растворителя, а в случае осмоса перемещаются только молекулы растворителя.

6. Дайте определение понятию "oсмотическое давление". В каких единицах оно измеряется и как его определить?

Осмотическим давлением называют избыточное гидростатическое давление, возникающее в результате осмоса и приводящее к выравниванию скоростей взаимного проникновения молекул растворителя сквозь мембрану с избирательной проницаемостью. Измеряется в единицах давления (Па, атм., мм.рт.ст.). Существуют прямой и косвенный метод измерения осмотического давления. Для прямого измерения применяют различные типы осмометров, а к косвенным методам относят криометрический метод измерения осмотического давления и метод плазмолиза.

7. Сформулируйте закон Вант-Гоффа.

Закон Вант-Гоффа: осмотическое давление изменяется прямо пропорционально молярной концентрации растворенного вещества и прямо пропорционально абсолютной температуре.

8. Для расчёта осмотического давления разбавленных растворов неэлектролитов используется формула:

р = сRT

а) Что означает "с" в формуле?

с – означает молярную концентрацию растворенного вещества

б) Как рассчитать "с", если известны масса, молярная масса вещества и объём раствора?

По формуле: .

в) Какие значения может принимать универсальная газовая постоянная?

См. Задание № 1, вопрос № 9.

9. Изо-, гипер-, гипотонические растворы, их применение в медицинской практике.

В медицине изотоническим раствором называют раствор, который имеет такое же осмотическое давление, как и кровь человека (в среднем 7,7 атм., или 780 кПа). Гипертонический раствор имеет большее, а гипотонический – меньшее осмотическое давление, чем кровь. Изотонические растворы (0,9% раствор NaCl – «физиологический раствор», 5% раствор глюкозы) используются для внутривенного введения и приготовления растворов лекарственных веществ. Гипертонические растворы в небольших количествах вводят (капельно) при глаукоме. В хирургии применяют хирургические повязки 10% раствор NaCl, которые вводят в гнойные раны. Гипертонические растворы «горькой соли» используют в качестве слабительного и т.д.

10. Что такое гемолиз, плазмолиз, лизис, тургор?

При помещении клеток в гипертонический раствор вода из менее концентрированного внешнего раствора переходит внутрь клеток, что приводит к их набуханию, а затем к разрыву оболочек и вытеканию клеточного содержимого. Такое разрушение клеток называют лизисом. В случае эритроцитов этот процесс называют гемолизом.

При помещении эритроцитов в гипертонический раствор вода из клеток уходит в более концентрированный внешний раствор и наблюдается сморщивание (высушивание) клеток. Это явление называется плазмолизом.

Упругость клетки (тургор) обеспечивает эластичность тканей и сохранение определенной формы органов и обусловлена осмотическим давлением (7,7 атм.).

11. Что произойдёт с эритроцитами, если их погрузить:

а) в воду,

б) в 0,5% раствор натрия хлорида,

в) в 1%-ный раствор натрия хлорида?

а) – гемолиз; б) – гемолиз; в) плазмолиз (при прочих равных условиях).

12. Как будет проходить явление осмоса между растворами NaCl (0,9%) и глюкозы (4,5%), разделенными полунепроницаемой перегородкой?

При прочих равных условиях концентрация частиц, создающих осмотическое давление в растворе NaCl 0,308 моль/л, а в растворе глюкозы 0,25 моль/л. Следовательно, осмотическое давление в растворе NaCl будет больше. Поэтому молекулы воды будут переходить из раствора глюкозы в раствор поваренной соли до выравнивания осмотических давлений.

13. Механизм действия гипертонического раствора.

Гипертонический раствор имеет осмотическое давление больше того, с которым его сравнивают. Поэтому растворитель будет переходить через полупроницаемую мембрану в гипертонический раствор.

14. Какую роль играет осмос в биологических системах?

Явление осмоса играет исключительную роль во многих химических и биологических системах. Благодаря осмосу регулируется поступление воды в клетки и межклеточные структуры, обеспечивая эластичность ткани и сохранение определенной формы клеток и органов. Человеческий организм, помимо осмотического давления, характеризуется постоянством и других физико-химических показателей, например кислотности. Допустимые колебания осмотического давления крови весьма незначительны и даже при тяжелой патологии не превышают нескольких десятков кПа.

15. Чем обусловлено осмотическое давление биологических жидкостей?

Осмотическое давление биологических жидкостей обусловлено главным образом присутствием в крови катионов и анионов неорганических солей и в меньшей степени коллоидных частиц и белков. Присутствие в плазме крови форменных элементов (эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и кровяных пластинок) почти не влияет на осмотическое давление. Постоянство осмотического давления в крови регулируется выделением воды при дыхании, работой почек, с потом и т.д.

16. Чем отличается физиологический раствор от изотонического?

В медицинской и фармацевтической практике изотоническими (физиологическими) растворами называют растворы, характеризующиеся таким же осмотическим давлением, как и плазма крови. Такими растворами являются 0,9% раствор NaCl (0,15 моль/л) и 5% раствор глюкозы (0,3 моль/л). Однако в крови кроме ионов натрия и хлора имеются и другие ионы, а также высокомолекулярные соединения и форменные элементы. Поэтому в медицинских целях правильно использовать растворы, содержащие те же компоненты и в том же количестве, что и входящие в состав крови. Эти растворы применяют в качестве кровезаменителей в хирургии.

17. Закон Рауля об относительном понижении давления пара над раствором и его математическое выражение.

Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором нелетучего неэлектролита равно мольной доле растворенного вещества.

Пар, находящийся в равновесии с жидкостью называют насыщенным. Давление такого пара р₀ называют давлением или упругостью насыщенного пара чистого растворителя. Таким образом, математическое выражение закона Рауля следующее: , где

р₀ – давление насыщенного пара над чистым растворителем;

р – давление пара растворителя над раствором нелетучего вещества;

 - мольная доля растворенного вещества (см. Задание№ 2).

Закон Рауля точно соблюдается только для идеальных растворов и приближенно для реальных разбавленных растворов.

18. Каковы причины понижения давления пара над растворами?

Растворение нелетучего компонента будет затруднять испарение растворителя вследствие: уменьшения подвижности молекул растворителя за счет межмолекулярного взаимодействия; уменьшения поверхности испарения; уменьшения активности молекул растворителя в растворе.

19. При каком условии закипает жидкость?

Жидкость закипает в тот момент, когда давление насыщенного пара над жидкостью будет равно внешнему давлению.

20. Где давление насыщенного пара при 100С будет равно атмосферному давлению: над водой или над раствором глюкозы? Почему? Какая жидкость будет кипеть? Что надо сделать со второй жидкостью, чтобы она закипела?

Согласно закону Рауля давление насыщенного пара над раствором глюкозы будет меньше, чем над чистой водой. Если внешнее равно 760 мм рт.ст., то чистая вода закипит при 100^оС, а раствор глюкозы при более высокой температуре.

21. При каком условии кристаллизуется жидкость?

Жидкость кристаллизуется при условии, что давление насыщенного пара растворителя над жидкостью равно давлению насыщенного пара над кристаллами растворителя.

22. Сформулируйте следствия из закона Рауля, запишите их математические выражения и объясните физический смысл эбуллиоскопической и криоскопической констант.

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

Т_кип = ЕВ; Т_зам = КВ, где

Т_кип – повышение температуры кипения раствора,

Т_зам – понижение температуры замерзания раствора,

В – моляльная концентрация раствора, моль/кг,

Е – эбулиоскопическая константа растворителя,

К – криоскопическая константа растворителя.

Физический смысл: эти константы численно равны повышению температуры кипения или, соответственно, понижению температуры замерзания одномоляльного идеального раствора нелетучего вещества по сравнению с чистым растворителем. Для воды Е = 0,52, К = 1,86.

23. Какие растворы называют эквимолярными? Что можно сказать об их температурах замерзания и кипения?

Эквимолярными растворами называются растворы с одинаковыми молярными концентрациями растворенных частиц. Температуры кипения и замерзания таких растворов могут быть неодинаковыми, т.к. эти параметры зависят от моляльности!

Растворы называются эквимолекулярными, если имеют одинаковое соотношение (концентрацию) растворенных частиц и растворителя. Температуры замерзания и кипения таких растворов (в идеальных случаях) должны совпадать.

24. Для каких растворов справедливы законы Рауля и Вант-Гоффа?

Законы Рауля и Вант-Гоффа справедливы только для идеальных растворов.

25. Чем отличается раствор электролита от неэлектролита? В каком растворе больше частиц?

С точки зрения коллигативных свойств, раствор электролита отличается от раствора неэлектролита только числом частиц, находящихся в растворе при формальном одинаково взятом количестве вещества. Если взять 1 моль NaCl и 1 моль глюкозы, то в растворе с NaCl образуется больше частиц в следствии электролитической диссоциации.

26. Что показывает изотонический коэффициент и от чего он зависит?

Изотонический коэффициент показывает какое количество частиц создается в растворе при данных условиях из одной частицы растворенного вещества. Или это отношение реального количества частиц, создающих определенное свойство, к 1 молю исходного вещества. Он зависит от степени электролитической диссоциации вещества: , где:  - степень электролитической диссоциации, k – число частиц, на которые распадается электролит, i – изотонический коэффициент.

27. Молекула хлорида натрия диссоциирует в растворе по уравнению

NaСl  Nа⁺ + Сl^‑.

Почему же изотонический коэффициент будет несколько меньше двух?

Изотонический коэффициент меньше двух из-за дополнительных межмолекулярных взаимодействий, происходящих в реальных растворах (наблюдается частичная ассоциация образовавшихся сольватов).

28. Напишите в лабораторный журнал формулы, по которым можно рассчитать коллигативные свойства для электролитов (см. приложение № 1).

Первый закон Рауля для электролитов:

Второй закон Рауля для электролитов:

Т_кип = iEB; T_зам = iKB.

Закон Вант-Гоффа для электролитов:

 = iCRT.

29. Назовите причины нарушения водно-электролитного баланса организма, приведите примеры.

См. ответ на вопрос 30.

30. Какие состояния, связанные с увеличением количества внеклеточной жидкости (гипергидратация) и ее уменьшением (дегидратация), возникают в организме в зависимости от содержания жидкости и осмотического давления плазмы?

Нарушение водно-электролитного баланса связаны с комплексом причин, приводящих к избытку или недостатку воды и электролитов.

В зависимости от содержания жидкости в организме и осмотического давления плазмы различают шесть состояний, связанных с увеличением количества внеклеточной жидкости (гипергидратация) и ее уменьшением (дегидратация). Организм легче переносит гипергидратацию, чем дегидратацию. Увеличение внеклеточного пространства вдвое и более совместимо с жизнью, а при дегидратации быстрая потеря 20% жидкости смертельна.

Гипертоническая дегидратация. Характеризуется дефицитом жидкости с повышением осмотического давления плазмы. При гипертонической дегидратации все жидкостные пространства уменьшаются. Она вызывается применением концентрированных питательных смесей, потерей гипотонической жидкости при бронхитах, пневмониях, лихорадках, сопровождаемых потоотделением, при водянистом стуле, острой почечной недостаточности, диабете.

Изотоническая дегидратация. Характеризуется дефицитом воды и растворенных веществ при нормальном осмотическом давлении плазмы крови. При этом страдает прежде всего внеклеточное пространство (объем плазмы и межклеточной жидкости). На первом плане стоят нарушения кровообращения. Рвота, кишечная непроходимость, потеря крови, применение мочегонных препаратов, перитонит и ожоги вызывают это явление.

Гипотоническая дегидратация. Характеризуется дефицитом воды и растворенных в ней веществ с падением осмотического давления плазмы. При этом состоянии внеклеточное пространство уменьшается, а клетки пересыщены водой. Гипотоничность плазмы способствует осмотическому перемещению воды из внеклеточной жидкости в клетку. В связи с этим внеклеточное пространство дополнительно теряет воду. Потеря солей при хроническом пиелонефрите, слабительные, бедная натрием диета, восполнение простой водой потерянной жидкости, диурез при диабете обычно приводит к гипотонической дегидратации.

Гипергидратация обычно связана с почечной недостаточностью.

Гипертоническая гипергидратация. Характеризуется избытком воды и растворенных в ней веществ с повышением осмотического давления плазмы. Клетки при этом обезвоживаются. Внеклеточная гипергидратация и внутриклеточная дегидратация, наблюдающаяся при этом, вызываются введением гипертонических солевых рассолов, питьем морской воды.

Изотоническая гипергидратация характеризуется избытком воды и растворенных в ней веществ при нормальном осмотическом давлении плазмы. При изотонической гипергидратации страдает внеклеточное пространство и увеличивается количество внеклеточной жидкости, что выражается в периферических отеках. При наличии отеков организм хотя и пересыщен водой, но непосредственно эта вода не используется. Явление характерно для некоторых заболеваний сердца и цирроза печени, причем введение физиологических растворов усугубляет состояние.

Гипотоническая гипергидратация характеризуется абсолютным или преимущественным пересыщением водой с падением осмотического давления плазмы крови. При гипотонической гипергидратации поражаются преимущественно клетки. Причиной является чрезмерное введение воды или бессолевых растворов сахаров.

Организм обладает концентрационным гомеостазом физиологический механизм регуляции которого связан во многом с функцией почек.

31. Чем предпочтительнее восполнить потерю жидкости в походе:

а) чаем; б) водой; в) минеральной водой; г) соком арбуза; д) рассолом; е) пивом; ж) другой жидкостью?

Исходя из сказанного в пункте 30, для человека без паталогий лучше всего утолять жажду минеральной водой (не газированной, содержащей ионы натрия и калия и др.).

32. Ряд заболеваний характеризуется большой потерей жидкости (например, холера). Какой раствор нужно ввести такому больному внутривенно: изо-, гипо- или гипертонический?

Изотонический раствор.

33. Какую роль в организме играют электролиты?

Электролиты играют колоссальную роль в жизнедеятельности организма. Помимо поддержания осмотического давления, способность электролитов удерживать воду в виде гидратов препятствует обезвоживанию организма и поддерживает гомеостаз, и играет значительную роль в непрерывно происходящих в организме процессах обмена веществ и энергии.