Глава I. Учение о растворах

Всякий раствор состоит, по крайней мере, из двух компонентов: вещества-растворителя и растворяемого вещества. Например, в 3 % растворе сахара в воде сахар является растворенным веществом, а вода – растворителем. Эти понятия имеют реальный смысл для сильно разбавленных растворов, т. к., например, высококонцентрированные растворы солей представляют собой растворы воды в раздвинутой и разупорядоченной кристаллической решетке электролита. Например, в концентрированной H₂SO₄ содержится 96% H₂SO₄ и только 2 % воды. Здесь вода – растворенное вещество.

Растворителем обычно является жидкость или твердое вещество, а растворяемым – вещество в любом агрегатном состоянии: жидком, твердом или газообразном.

Раствор – это гомогенная физико-химическая система, образованная из двух или более компонентов (соотношение которых может быть переменным) и достигшая энергетически устойчивого равновесного состояния в результате возможных взаимодействий между частицами, ее составляющими.

§ 1. Роль растворов в жизнедеятельности организмов. Вода как растворитель

Растворы имеют важное значение в жизни и практической деятельности человека. Так, процессы усвоения пищи человеком и животными связаны с переводом питательных веществ в раствор. Любая живая клетка содержит в себе сложный раствор. С помощью растворов совершаются сложные процессы в организме. Растворами являются все важные биологические жидкости – кровь, лимфа, протоплазма, моча и т. д.

Вообще там, где есть жизнь, есть растворы. Все химические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности и растений, и животных – это, прежде всего, процессы в растворах.

Каждый земной организм может рассматриваться как водный раствор.

Вода океанов представляет собой водный раствор, содержащий сотни компонентов: ионы металлов и неметаллов, комплексные неорганические ионы, множество различных органических веществ. Именно в этом растворе впервые развились живые организмы, и из этого раствора они получали ионы и молекулы, необходимые для их роста и жизни. С течением времени живые организмы развивались и изменялись, что позволило им покинуть водную среду и перейти на сушу и затем подняться в воздух. Они приобрели эту способность, сохранив в своих организмах водный раствор в виде жидкой составляющей ткани, плазмы крови и межклеточных жидкостей, содержащих необходимый запас ионов и молекул.

Бактерии на 81 % состоят из воды, а их споры – на 50 %. Ткани человека содержат до 70 % воды, кровь даже 92 %, а лимфа 96 %. Трехдневный человеческий зародыш содержит 97 %, трехмесячный 91 %, а восьмимесячный – 81 % воды.

Все живое вещество нашей планеты на 2/3 состоит из воды. На углерод живого вещества приходится лишь 10 %, а 90 % падает на водород и кислород, причем, на последний только 25 %. Без воздуха (кислорода) жизнь возможна (анаэробные организмы), без воды нет. Недаром академик Вернадский считал, что «вода и живое вещество – генетически связанные части организованности земной коры», а выдающийся немецкий физиолог Эмиль Дюбуа Раймон (1818–1896) писал: «Жизнь – это одушевленная вода».

Вода – самое распространенное на Земле вещество. Академик В.И.Вернадский – один из основоположников геохимии писал, что ни одно вещество не может сравниться с водой по своему влиянию на ход основных самых грандиозных процессов на земной поверхности. Примерно ³/₄ земной поверхности покрыто водой. Вода встречается в природе в трех агрегатных состояниях: жидкая вода заполняет океаны, моря, реки и озера; в воздухе она содержится в парообразном состоянии; твердая вода встречается в виде снега и льда.

Вода играет огромную роль в биологических и геологических процессах. Организм содержит от 50 % до 90 % воды и эта вода не пассивное вещество, а среда, деятельно участвующая в процессах обмена.

Большая часть воды в организме находится внутри клеток (70 %), около 23 % внеклеточной воды омывает клетки (межклеточная вода), а остальная (7 %) находится внутри кровеносных сосудов и в составе плазмы крови. В клеточной воде находятся в основном катионы калия и анионы фосфата. Межклеточная жидкость содержит катионы натрия и хлорид- и гидрокарбонат-ионы. В плазме крови, кроме этих ионов, содержатся макромолекулярные ионы белков. Необходимо отметить, что в организме происходит непрерывный обмен воды и растворенных в ней веществ.

Вследствие испарения воды с поверхности кожи человеческий организм избегает перегрева. Суточная потребность в воде взрослого человека составляет в среднем 2,5 л. При этом необходимо учитывать, что вода образуется в организме в процессе его жизнедеятельности. Так, при окислении 100 г углеводов получается 55 мл воды, а 100 г жиров – 107 мл воды. Для удаления вредных отходов жизнедеятельности организма необходимо около 500 мл воды.

Исключительно важная роль воды в процессах жизнедеятельности обусловлена особенностями ее структуры и свойств. Вода обеспечивает всасывание и механическое передвижение питательных веществ, продуктов обмена в организме. Участвуя в процессах набухания, осмоса и других, она создает определенную величину онкотического давления в крови и тканях. Высокие значения теплоемкости, теплопроводности и удельной теплоты испарения воды способствуют поддержанию температуры у теплокровных животных. Являясь высокополярным соединением, вода вызывает диссоциацию электролитов, принимает непосредственное участие в гидролитическом распаде веществ, реакциях гидратации и во многих других физико-химических процессах.