Тема 8. Осмотические свойства растворов. Протолитические равновесия и процессы. Электролитическая ионизация. Степень и константа ионизации
Теоретические сведения
Растворы – сложные многокомпонентные системы, играют исключительно важную роль в живой и неживой природе. Растворами являются важнейшие физиологические жидкости: кровь, лимфа; в них протекает большинство физиологических и биохимических процессов. Обычно, это однородные смеси молекул, атомов, ионов двух и более веществ, между которыми возможны физические и химические взаимодействия, т.е. раствор – это фаза переменного состава.
Совокупность распределяемых частиц называется дисперсной фазой (ионы, молекулы, комплексные частицы, более крупные образования). Дисперсная фаза распределена в дисперсионной среде.
По фазовому состоянию различают: твердые (однородные сплавы), жидкие (однофазные 2-х и более компонентные системы), газообразные растворы (воздух – смесь газов).
По степени дисперсности растворы:
грубодисперсные (l>100 нм) – взвеси, суспензии, эмульсии - неустойчивые системы (оседают);
коллоидные (l=1 – 100 нм) – клеи, лаки и т.д.- устойчивые в присутствии стабилизатора;
истинные растворы (l<1 нм) – растворы солей, сахара в воде – безгранично устойчивые системы, т.к. растворенное вещество находится в виде молекул или ионов.
Истинный раствор - термодинамически устойчивая гомогенная система переменного состава, состоящая из двух и более компонентов, между которыми существуют достаточно сильные взаимодействия.
Разбавленные растворы характеризуются отсутствием взаимодействия между частицами растворённого вещества. Поэтому свойства разбавленных растворов не зависят от природы растворённого вещества, а зависят только от природы растворителя и числа частиц в единице объема, т.е. от концентрации.
Свойства растворов, не зависящие от природы растворённого вещества, а зависящие только от числа частиц называются коллигативными.
К коллигативным свойствам разбавленных растворов относят: скорость диффузии; осмотическое давление; давление насыщенного пара растворителя над раствором; температура кристаллизации; температура кипения.
Диффузия - самопроизвольный направленный процесс переноса частиц растворённого вещества и растворителя, который приводит к выравниванию концентрации этого вещества. Скорость диффузии прямопропорциональна температуре и градиенту концентрации.
Осмос - самопроизвольная диффузия молекул растворителя через мембрану с избирательной проницаемостью. Это явление, открытое Ноллетом в 1748 г. Обусловлено неодинаковой концентрацией растворителя в разделённых мембраной частях раствора и большей подвижностью молекул растворителя в чистом растворителе, чем в растворе, где есть межмолекулярное взаимодействие между растворённым веществом и растворителем.
Осмос приводит к наступлению в системе состояния динамического физико-химического равновесия, характеризуемого равенством скоростей диффузии молекул растворителя через мембрану.
Появляющееся при этом избыточное гидростатическое давление называется осмотическим давлением(π)
Осмотическое давление равно такому давлению, которое оказывало бы растворенное вещество, если бы, находясь в газообразном состоянии при той же температуре, оно занимало тот же объем, который занимает раствор (Закон Вант-Гоффа, 1886 г.). В. Пфеффер и Я.Вант-Гофф, изучая зависимость осмотического давления от внешних факторов, установили, что оно подчиняется газовому закону Менделеева-Клапейрона:
π = СМRT (64)
Для учёта межмолекулярных взаимодействий в реальных растворах Я.Вант-Гофф предложил использовать изотонический коэффициент (i):
для неэлектролитов i = 1, для электролитов i>1, для ассоциатов i<1.
Поэтому растворы электролитов обладают большим значением осмотического давления.
Если π(1) = π(2) – растворы называются изотоническими (для крови 0,86% NaCl)
Если π(1)> π(2) – раствор с π(1) является гипертоническим (для крови 2% NaCl)
Если π(1)< π(2) – раствор с π(1) является гипотоническим (для крови 0,1% NaCl).
Эндосмос – движение растворителя в осмотическую ячейку (клетка) из внешней среды. Условие свн< свнутр и πвнешн< πвнутр. Напряженное состояние клетки называется тургор. Разрушение клеточной мембраны вследствие осмоса приводит к лизису.
Эндосмос – причина гемолиза эритроцитов крови с выделением гемоглобина в плазму (клетка находится в гипотоническом растворе)
Экзосмос – движение растворителя из осмотической ячейки в окружающую среду. Условие свн> свнутр и πвнешн> πвнутр. В результате экзосмоса происходит сжатие (сморщивание клетки) – плазмолиз.
Осмотическое давление человека постоянно и составляет 740 – 780 кПа. Оно имеет очень большое значение в процессах жизнедеятельности, распределяя растворенные вешества и воду в тканях. Постоянство осмотического давления в организме поддерживается за счет работы почек. При уменьшении в организме воды возникает чувство жажды. Утоление ее восстанавливает водно-солевое расновесие и осмотическое давление крови.
Осмотическое давление крови обусловленое наличием белков составляет 2,5 – 4,0 кПа и называется онкотическим давлением.