§ 6. Закон вант-гоффа

Между осмотическим давлением разбавленных растворов не электролитов (т.е. растворов, не проводящих электрический ток) и газовым давлением существует количественная аналогия – к осмотическому давлению приложимы все законы газового давления. Эта аналогия выражается законом Вант-Гоффа (1887 г.):

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

Зависимость осмотического давления от объема раствора, количества растворенного вещества и температуры выражается уравнением, аналогичным уравнению Клапейрона-Менделеева для газов:

PV = nRT, (1)

где Р – осмотическое давление раствора;

V – объем раствора;

n – чис­ло молей растворенного вещества;

R – газовая постоянная;

T – абсолютная температура.

Переписываем уравнение (1) следующим образом:

При замене в этом уравнении n/V, т.е. числа молей растворенного вещества в единице объема, на С, получим выражение:

P = CRT, (2)

где С – молярная концентрация. Это уравнение осмотического давления Р, т. е. осмотическое давление прямо пропорционально концентрации С и абсолютной температуре Т, а константа R должна иметь то же значение, что и для газов.

Концентрация растворенного вещества С может быть выражена также через массу растворенного вещества m и его молекулярную массу М:

.

Тогда, подставив это выражение в формулу (2), получим формулу, удобную для вычисления молекулярной массы растворенного вещества:

. (3)

Закон Вант-Гоффа наиболее точно описывает разбавленные растворы при некоторой бесконечно малой концентрации растворенного вещества, исключающей взаимодействие между его частицами. Состояние и поведение растворов в этом случае можно уподобить идеальному газу, поэтому такие растворы называются идеальными.

Осмотическое давление зависит не от природы растворенного вещества и растворителя, а от числа частиц, находящихся в единице объема раствора (тезис, подтверждающий физическую теорию растворов). Например, 1 моль мочевины (60 г) и 1 моль глицерина (92 г), будучи растворены в равных количествах одного и того же растворителя, создают одинаковое давление. Отсюда следует, что эквимолекулярные растворы (растворы одинаковой молярной концентрации) имеют одно и то же осмотическое давление. Такие растворы называются изотоническими, т.е. это растворы с одинаковым осмотическим давлением независимо от состава растворенных веществ, обусловливающих это давление. Жидкость крови, в которой взвешены красные кровяные тельца, – плазма крови является изотонической жидкостью, находящейся в красных кровяных тельцах и других клетках организма.

Когда в организм в терапевтических целях необходимо ввести водные растворы, эти растворы должны иметь осмотическое давление, равное осмотическому давлению плазмы крови, т. е. должны быть изотоническими с ней. Осмотическое давление жидкостей организма человека равно давлению 0,86 % (0,015 моль/л) раствора NaCl (физиологический раствор). Сейчас создаются более совершенные физиологические растворы, содержащие смесь солей (KCl, CaCl₂, MgCl₂, MgSO₄ и др.). Такой состав сходен с составом морской воды. Клетки организмов хладнокровных животных являются изотоническими с более разбавленными растворами NaCl (у лягушек 0,6 % раствором). Жидкости организмов низших морских животных имеют осмотическое давление, почти равное осмотическому давлению морской воды.

Следовательно, растворы с осмотическим давлением, равным осмотическому давлению раствора, взятого за стандарт, называются изотоническими (изос – по гречески равный, tonos – напряжение, давление). Растворы с осмотическим давлением более высоким, чем в стандарте, называются гипертоническими (гипер – сверх, над), с меньшим давлением – гипотоническими (гипо – ниже, под).

В организм человека и животных можно вводить в больших количествах только изотонические растворы. Такие растворы вводят иногда больным по несколько литров в сутки, например, после тяжелых операций для возмещения потерь жидкости с кровью.

В клинической практике применяются и гипертонические растворы. Небольшие количества их вводят внутривенно, например, при глаукоме, характеризующейся повышенным внутриглазным давлением, чтобы «оттянуть» избыточное количество влаги из передней камеры глаза.

В хирургии широко применяют гипертонические повязки, представляющие собой марлевые полоски, смоченные в гипертонических растворах NaCl и введенные в гнойные раны; согласно законам осмоса ток раневой жидкости направляется по марле наружу, что способствует постоянному очищению раны от гноя, микроорганизмов, продуктов распада и пр.

Используемые в качестве слабительных средств плохо всасывающиеся в желудочно-кишечном тракте соли MgSO₄ и Na₂SO₄ применяются также в виде гипертонических растворов. Это вызывает переход больших количеств воды из слизистой оболочки в просвет кишечника, что способствует послабляющему действию сульфатов.