Г лава 6 растворы и их коллигативные свойства

После изучения этой главы вы должны:

• усвоить основные понятия: раствор, растворитель, растворенное вещество;

• знать особенности структуры воды в жидком и твердом со стояниях;

• особенности структуры гидратных оболочек различных ее веществ и понятия о положительной и отрицательной гидратации;

• термодинамику процессов растворения;

• способы выражения концентрации растворов;

• осмос, закономерности этого явления и его роль в жизнедея­тельности организмов;

• законы Рауля о давлении паров растворителя над растворов и изменении температур кипения и замерзания растворов.

Растворы представляют для биологии, физиологии и меди­цины особый интерес, так как все важнейшие биологические системы (цитоплазма, кровь, лимфа, слюна, моча, пот и др.) являются водными растворами солей, белков, углеводов, липидов. Усвоение пищи, транспорт метаболитов, большинство био­химических реакций в живых организмах протекают в раство­рах. Понятие "растворы" включает истинные растворы и колло­идные растворы. Различие между ними заключается прежде всего в размерах частиц и однородности систем. Истинные рас­творы - это однородные гомогенные системы с размером частиц на уровне 10^-10 - 10^-9 м. Коллоидные растворы - это неоднород­ные гетерогенные системы с размером частиц 10^-9- 10^-6 м. Рас­смотрим сначала истинные растворы.

Истинным раствором называется термодинамически устойчивая гомогенная система переменного состава, состоящая из двух и более компонентов, между которыми существуют достаточно сильные взаимодейст­вия.

Компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора, принято называть растворителем, а другой компонент - растворенным веществом. При одинако­вом агрегатном состоянии компонентов растворителем считают обычно то вещество, которое преобладает в растворе. С позиции живых систем наибольший интерес представляют растворы, в которых растворителем является вода.

6.1. Вода как растворитель и ее роль в жизнедеятельности организма

Организм человека на 60 % состоит из воды, из них 42 % приходится на внутриклеточную жидкость, а остальная часть на внеклеточную (межклеточную) жидкость, которую подразде­ляют на внутрисосудистую и интерстициальную (межткане­вую) жидкость.

Вода - это не только среда, но также активный участник процессов жизнедеятельности. Если организм человека теряет 20 % воды, то в клетках происходят необратимые изменения и человек погибает. Потребность в воде взрослого человека составляет 35 г в день на 1 кг массы тела, а грудного ребенка - в 3-4 раза больше.

Большая роль воды в живой природе связана с рядом уни­кальных ее свойств, благодаря которым вода является средой, растворителем и метаболитом для живых организмов. Вследст­вие высокой теплоемкости (75,3 Дж/(моль • К)) и большой теп­лоты испарения (40,8 кДж/моль) вода обеспечивает термостатирование нашего организма. Высокая диэлектрическая про­ницаемость воды (s = 78,5) способствует растворению солей, кислот, оснований и их диссоциации на ионы, так как сила электростатического взаимодействия между ионами обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости среды. Ион­ное состояние веществ в водной среде обуславливает высокие скорости протекания биохимических реакций, быструю мигра­цию ионов через биологические мембраны и практически мгно­венную передачу нервных импульсов.

Высокий дипольный момент молекулы воды (1,82 Д) и спо­собность образовывать четыре водородные связи: две - как донор протонов и две - как акцептор протонов, не только увеличивают растворяющую способность воды по отношению к полярным веществам, но и благоприятствуют формированию определенных структур водных а ссоциатов в самой воде, а также у молекул биополимеров в водных растворах. Перечисленные особенности воды и ее низкая вязкость (0,001 Па • с при 293 К) способствуют выполнению ею транспортных функций, а также возникновению жидкокристаллического состояния у водных растворов некото­рых биосубстратов.

Геометрически молекула воды представляет собой угловую систему, в центре которой находится атом кислорода с sр³-гибри-дизацией валентных атомных орбиталей (разд. 2.1.3). При этом в двух вершинах тетраэдра находятся атомы водорода, а к двум

другим направлены атомные орбитали атома кислорода с неподеленными электронными парами. За счет двух атомов водорода, несущих частично положи­тельный заряд, и двух неподеленных электронных пар атома кислорода каж­дая молекула воды может образовывать четыре водородные связи с соседними молекулами воды. Именно такая меж­ молекулярная система реализуется в замерзшей воде, т. е. у льда (рис. 6.1, а).

Лед имеет тетраэдрическую кристаллическую решетку, где атом кислорода одной молекулы воды расположен в центре тет­раэдра, а в четырех его вершинах находятся атомы кислорода со­седних молекул, которые соединены водородными связями с цен­тральной молекулой и молекулами ближайших тетраэдров. По­добная структура энергетически выгодна при условиях близких к нормальным, и поэтому она устойчива при этих условиях. Ажур­ность и наличие внутренних пустот определяют рыхлость и мень­шую плотность льда (0,92 г/см³) по сравнению с жидкой водой.

При плавлении льда частично рвутся водородные связи и по­являются: ассоциаты, в которых сохраняется каркасная структу­ра за счет водородных связей, полости между ассоциатами и вну­три них, а также отдельные молекулы воды (рис. 6.1, б). В чис­той жидкой воде имеется динамическое равновесие как между ассоциатами, так и между ассоциатами и свободными молекула­ми воды, блуждающими в полостях между ассоциатами или внутри них. Среднее время жизни молекул воды в этих образо­ваниях т_ср=10^-9с. С повышением температуры параллельно происходят два процесса: первый связан с увеличением размеров полостей и уменьшением размеров ассоциатов, что приводит к уменьшению плотности системы; второй - с увеличением степе­ни заполнения полостей отдельными молекулами воды, за счет чего плотность системы увеличивается. В интервале температур от 0 °С до 4 °С преобладает второй процесс, и поэтому плотность воды максимальна при 4 °С (1,000 г/см³), а при температуре вы­ше 4 °С доминирует первый процесс и плотность воды уменьша­ется, так как происходит разрыхление структуры воды. Однако ассоциаты с трехмерной сеткой водородных связей сохраняются в жидкой воде при любой температуре.

В стандартных условиях, согласно статистическим расчетам, около 30 % всех молекул воды находятся в виде отдельных моле­кул, а 70 % входит в состав ассоциатов. Среди них 40 % прихо­дится на стабилизированные ассоциаты с определенной структу­рой, т. е. на "структурированную" воду, а 30 % - на случайные ассоциаты, которые не имеют определенной структуры. Совокуп­ность случайных ассоциатов и отдельных молекул воды состав­ляют "деструктурированную" воду (всего 60 %). В "структуриро­ванной" воде время жизни молекул воды в ассоциатах больше (т > т_ср = 10^-9с), чем среднее время их жизни в воде в целом. В "деструктурированной" воде этот показатель, наоборот, меньше (т < т_ср). Таким образом, обычная чистая вода является сложной динамичной системой, которую можно представить схемой, изо­браженной на рис. 6.2.

На положение равновесия в водной системе оказывают влия­ние многие факторы: температура, акустические, магнитные и электрические поля, а также присутствие ионов Н⁺ и ОН-, воз­никающих за счет диссоциации воды, или радикалов, образую­щихся при радиационном воздействии на воду. В стандартных

Рис. 6.2. Состояние молекул воды в чистой воде

условиях одной из энергетически выгодных структур для ассоциатов чистой воды является льдоподобная структура. При ус­ловиях, отличающихся от стандартных, или при воздействии какого-либо поля возможно возникновение энергетически вы­годных ассоциатов с другой структурой. Подобное происходит в воде, например, после ее обработки при сверхкритических тем­пературе и давлении или при мощном импульсном электриче­ском разряде в объеме жидкости и некоторых других методах обработки воды.

Увеличению структурных единиц воды способствуют:

• расплавление льда (талая вода) с последующим поддер­жанием низкой температуры (ниже 10 °С);

• длительный контакт с поверхностью нерастворимых в во­де минералов: апатита, кальцита, кварца, кремнезема, кремня, шунгита, глины и некоторых других, приводящий к образова­нию родниковой воды;

• растворение в воде веществ, для ионов или молекул кото­рых характерна положительная гидратация (см. дальше);

• воздействие вибрации и различных полей: акустического, магнитного, электрического, обладающих определенными харак­теристиками;

- воздействие сверхкритических температуры и давления.

Вода с повышенным содержанием "структурированной" во­ды, имеющей льдоподобную структуру, для живых организмов полезна и поэтому часто называется "живой" водой. Это можно объяснить тем, что такая вода лучше усваивается организмами, поскольку без существенной перестройки используется для гид­ратации тканей, белков и других биосубстратов.

Наличие в воде различных ассоциатов, имеющих разную структуру и разное время жизни, позволяет обосновать еще одну особенность воды - структурно-информационную память. По мнению автора, эта особенность воды часто лежит в основе не всегда понятных изменений ее физико-химических свойств, био­логических и физиологических функций при воздействии астро-гелиогеофизических факторов или после обработки экстрасен­сами, а также действия гомеопатических средств. Способность перехода в различные структурно-информационные состояния присуща не только чистой воде, но и ее растворам и водным системам живых организмов.

Вода - уникальный растворитель, что объясняется следую­щими ее особенностями:

• высокой диэлектрической проницаемостью (е = 78,5);

• способностью проявлять протонодонорные и протоноакцепторные свойства, так как вода — амфолит;

• способностью проявлять электронодонорные и электроноакцепторные свойства;

- наличием внутренних пустот в жидкой воде из-за ажур­ности ее структуры.

В соответствии с принципом "подобное в подобном" в воде хорошо растворяются вещества, молекулы которых содержат ионные связи или полярные функциональные группы и поэтому хорошо сольватируются водой. В зависимости от сродства к воде функциональные группы подразделяют на гидрофильные ("лю­бящие воду") и гидрофобные ("боящиеся воды"). К гидрофиль­ным относятся ионы и полярные группы: гидроксильная —ОН, амино —NH2, карбоксильная —СООН, нитро —NO2, фосфатная —ОРО(ОН)2, сульфо —SO3H. К гидрофобным относятся неполяр­ные группы: углеводородные радикалы предельных (—C_nH_2n+1), непредельных (—C_nH_2n-1) и ароматических (—С₆Н₅) соединений. Гидрофобные свойства характерны также для веществ, молеку­лы которых неполярны: О2, N2, СО2, CI2, СH4 и так далее. Если молекулы вещества содержат и гидрофильный и гидрофобный фрагменты, то их называют дифильными, а соответствующие ве­щества - дифильными соединениями (например, мыло, фосфолипиды, белки). Дифильные молекулы принято изображать в виде "головастика", у которого головка соответствует по­лярному, а хвост - гидрофобному фрагменту молекулы.

При растворении в воде соединений с ионной связью проис­ходит их диссоциация, а образующиеся ионы окружаются гидратной оболочкой, содержащей плотный и рыхлый слои "свя­занной" воды. В плотном гидратном слое молекулы воды в значи­тельной степени поляризованы и удерживаются сильным иондипольным взаимодействием, а их пространственная структура определяется свойствами иона (катиона или аниона). Между плотным гидратным слоем и "свободной" водой, не участвующей в гидратации ионов, находится рыхлый "деструктурированный" слой гидратной оболочки, состоящий в основном из одиночных молекул воды и мелких ассоциатов. Подвижность молекул воды в рыхлом слое больше, чем в "свободной" воде. Рыхлый слой гидратной оболочки обеспечивает сродство между "свободной" водой и плотным слоем вокруг иона, имеющим специфическую струк­туру в зависимости от природы иона. Толщина плотного и рыхло­го слоев, а также среднее время жизни молекул воды в гидрат­ной оболочке зависят от природы иона электролита (рис. 6.3), его концентрации и температуры.

В зависимости от средней продолжительности жизни моле­кул воды в гидратной оболочке иона различают положитель­ную и отрицательную гидратацию (О. Я. Самойлов, 1957). Ио­ны, имеющие высокую поверхностную плотность заряда, т. е. ионы с большим зарядом и малым радиусом, такие как Li⁺, Na+, Mg²⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Cr³⁺, F-, CI-, CO3 2- , HC0₃- которые проч­но связывают молекулы воды в гидратной оболочке, характе­ризуются положительной гидратацией. В этих случаях среднее время жизни молекул воды в гидратной оболочке иона больше, чем в "свободной" воде, не участвующей в гидратации. Ионы с положительной гидратацией способствуют увеличению в раство­ре содержания "структурированной" воды. Вероятно, поэтому катионы Na⁺ и анионы Сl- в основном сосредоточены в межкле­точной жидкости.

Рис. 6.3. Схема двухслойной гидратной оболочки иона

Для многозарядных катионов А1³⁺, Ре³⁺, Сг³⁺, которые наибо­лее сильно удерживают молекулы воды, время жизни молекул воды в гидратном слое достигает секунд, минут и даже часов. Это объясняется переходом ион-дипольного взаимодействия данных ионов с ближайшими молекулами воды в ковалентную связь ме­жду ними с возникновением комплексных катионов [А1(Н₂0)₆]³⁺, [Fe(H₂0)_e]³⁺, [Cr(H₂0)₆]³⁺, устойчивость которых значительно вы­ше, чем устойчивость любых ассоциатов воды.

И оны с малой поверхностной плотностью заряда: К⁺, Cs⁺, NН₄+, I-, Br-, НРO₄-, Н₂РO₄-, NO₃-, СO₄ - и поэтому слабо притяги­вающие молекулы воды, имеют в гидратной оболочке тонкий плотный "структурированный" слой и толстый рыхлый "деструктурированный" слой (рис. 6.3) и характеризуются отрицатель­ной гидратацией (т_ср< 10^-9 с). Ионы с отрицательной гидратаци­ей способствуют уменьшению в растворе содержания "струк­турированной" воды. Вероятно, поэтому ионы К⁺, HP0₄2-, Н₂Р0₄ являются ионами внутриклеточной жидкости, способствуя уве­личению содержания в ней "деструктурированной" воды.

Рис 6.4. Различия в структуре гидратных оболочек катиона (а) и шпона (б)

При концентрации ионов в водном растворе более 1 моль/л гидратные оболочки ионов взаимно перекрываются, и в таких растворах "свободной" воды уже практически нет. При наличии в водных растворах электролитов молекул полиэлектролитов: белков, нуклеиновых кислот или растворимых органических соединений "свободная" вода исчезает из них при значительно меньших концентрациях веществ в растворе.

Рассмотрим различия в структуре гидратных оболочек ка­тионов и анионов.

К катиону молекулы воды сориентированы неподеленной элек­тронной парой атома кислорода, а атомы водорода направлены на­ружу (рис. 6.4). Аналогичным образом ориентированы и соседние молекулы воды гидратной оболочки катионов. В отличие от катио­на, к аниону молекулы воды гидратной оболочки ориентированы одним атомом водорода, несущим частичный положительный за­ряд, обеспечивающий возникновение различных видов межмоле­кулярного взаимодействия. Другой атом водорода и неподеленные электронные пары направлены в толщу гидратной оболочки, что способствует связыванию ближайших молекул воды не только электростатически, но и за счет водородных связей (рис. 6.4).

П ри растворении в воде веществ, молекулы которых полярны и содержат небольшие гидрофобные группы, например С₂Н₅ОН, NH(CH₃)₂, С₆Н₅СООН, вокруг их молекул, за счет водородных связей между полярными группами и молекулами воды, обра­зуется гидратная оболочка, охватывающая всю молекулу в це­лом и содержащая плотный и рыхлый слои. При этом гидро­фобные группы вещества, стремясь уменьшить свой контакт с молекулами воды за счет гидрофобного отталкивания, вызыва­ют колебания гидратной оболочки, способствуя тем самым уве­личению структурированности в ней молекул воды. Это приво­дит к формированию в гидратной оболочке стабилизированной (льдоподобной) структуры и увеличивает время "оседлой" жиз­ни молекул воды в ней до 10⁷ с, т. е. для молекул органиче­ских соединений характерна положительная гидратация. С увеличением концентрации рас­твора органического веще­ства толщина рыхлого слоя их гидратных оболочек во­круг молекул значительно уменьшается, что может ог­раничить растворимость этих веществ в воде.

При растворении в воде дифильных веществ, молекулы которых кроме полярной груп­пы содержат большие гидрофобные группы, например стеарат натрия С₁₇H35СОONa (мыло) или фосфолипиды, вокруг них не может образоваться единая гидратная оболочка и поэтому про­исходит такая взаимная ориентация их молекул, которая ис­ключает контакт гидрофобного фрагмента с молекулами воды. В случае очень низких концентраций таких веществ в растворе это достигается прежде всего за счет сосредоточения и опреде­ленной ориентации дифильных молекул только в поверхностном слое раствора, где образуется из них мономолекулярный слой, в котором гидрофобные фрагменты выступают над поверхностью воды, а полярные группы находятся в воде (рис. 6.5).

В случае больших концентраций дифильных веществ в вод­ном растворе из их молекул образуются ассоциаты, называемые мицеллами (рис. 6.5), в которых гидрофобные фрагменты спря­таны внутрь. Полярная оболочка мицелл эффективно гидратируется, что способствует стабилизации этих частиц в коллоид­ных растворах (разд. 27.3.1).

Гидратация молекул белков в растворе сопровождается струк­турированием белковой цепи, в результате чего гидрофобные фрагменты этой цепи, взаимодействуя друг с другом, образуют гидрофобное ядро внутри молекулярного ассоциата, из которо­го выталкивается вода, а на поверхности этого ядра в основном располагаются фрагменты, содержащие гидрофильные группы. Эти группы, взаимодействуя с молекулами воды за счет водород­ных связей, способствуют созданию вокруг молекулы белка гидратной оболочки, содержащей плотный и рыхлый слои. Плот­ный водный слой под действием отдельных гидрофобных групп структурируется с образованием льдоподобной структуры. При этом биологические и физиологические функции белка и его растворимость (разд. 11.3; 21.4; 27.3; 27.4) зависят не только от его собственной структуры, но и от структуры его гидратной оболочки. Аналогично обстоит дело с нуклеиновыми кислотами и полисахаридами в живой клетке. Таким образом, вода явля­ется не только основой внутриклеточной среды, где распределе­ны молекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, но и непосредственно участвует в формировании пространственной структуры этих молекул, обеспечивая их биологические и фи­зиологические функции. Каждый грамм ДНК прочно удержива­ет 0,6 мл воды, гликогена - 1,5 мл воды, а белка - 3 мл воды. Поэтому, как справедливо указывал А. Сент-Дьёрдьи: "нельзя говорить о белках, нуклеиновых кислотах, нуклеопротеидах и о воде так, как если бы это были две различные системы. Они об­разуют единую систему, которую нельзя разделить на компонен­ты без разрушения ее сущности" (1940). Эти слова полностью созвучны с теорией растворов Д. И. Менделеева (1887), согласно которой раствор - это новая химическая система, возникающая в результате взаимодействия растворителя с растворенным ве­ществом.

Интересное взаимодействие воды наблюдается при раство­рении в ней веществ, молекулы которых неполярны. Растворе­ние этих веществ происходит из-за ажурности структуры воды и наличия внутренних пустот в ее ассоциатах. В воде незначи­тельно растворяются газы (N₂, 0₂, С1₂, СН₄ С0₂), молекулы ко­торых неполярны. Они растворяются путем внедрения их мо­лекул в структурные полости внутри водных ассоциатов, причем размеры этих полостей должны соответствовать размерам моле­кул газа. При этом молекулы этих веществ удерживаются бли­жайшими молекулами воды за счет индукционных и дисперси­онных взаимодействий. В то же время, вследствие неполярности этих молекул, они вступают в гидрофобное взаимодействие с мо­лекулами воды окружающих их ассоциатов, структурируя их, образуя вокруг них гидратные оболочки с льдоподобной струк­турой. Гидратная оболочка вокруг неполярных веществ рыхлого слоя не имеет, а характер их гидратации - положительный (т_ср> 10^-9с). Во многих случаях из таких растворов можно полу­чить твердые гидраты этих газов, состав которых не стехиометричен, например СН₄ *5,75Н₂0; С1₂* 7,66Н₂0; С₃Н₈* 17Н₂0. Подоб­ные гидраты образуют вещества, используемые в медицинской практике в качестве анестезирующих веществ: закись азота N₂0, хлороформ СНС1₃, диэтиловый эфир (С₂Н₅)₂0, фторотан CF₃CHBrCl (разд. 11.4).

Таким образом, при растворении любых веществ не только про­исходит гидратация образующихся частиц, но и изменяются струк­турно-информационные свойства самой воды.

С уммируя все сказанное о свойствах чистой воды и водных рас­творов различных веществ, следует еще раз подчеркнуть, что вода - чрезвычайно разнообразная, динамичная и сложная сис­тема. В водной системе живого организма прежде всего следует различать "свободную" и "связанную" воду. Еще в 30-е годы XX столетия известный русский физиолог Д. Н. Насонов предпола­гал, что в отличие от межклеточной жидкости, внутриклеточная иода не содержит "свободной" воды, а представляет собой "свя­занную" воду гидратных оболочек компонентов клетки (ионов, молекул, мицелл и органелл). Поэтому состояние воды в орга­низме можно выразить схемой, представленной на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Схема состояния воды в организме

Биологические и физиологические функции биосубстратов сильно зависят от соотношения "структурированная" вода/"деструктурированная" вода, отражающего степень упорядоченности водных систем во внутри- и межклеточных жидкостях. К сожалению, эту величину пока нельзя экспериментально определить в водных системах. Растворимость тех или иных веществ во внутриклеточной жидкости зависит от их проницаемости через мембраны и от содержания "деструктурированной" воды в клет­ке, которое, в свою очередь, определяется состоянием клетки. Содержание "свободной" воды в межклеточных жидкостях -небольшое, и она используется как резерв для гидратации вновь поступающих веществ в организм, для удаления метабо­литов и в качестве первичного компонента для термостатирования организма.

Главная особенность состояния воды в клетке заключается в том, что скорость указанных превращений и время оседлой жизни молекул воды в каждом конкретном состоянии (внутри клетки, между клетками или внутри сосудов) варьируют в чрез­вычайно широких пределах. Кроме того, эти показатели зави­сят: от состояния рассматриваемой системы, от воздействия температуры, давления, вибрации и действия разных полей -акустического, магнитного, электрического. В этом и заключа­ются сложность и загадочность водных систем вообще, а в жи­вых организмах — в особенности.