Лекция 4(растворы, закон Сеченова)

Л4 РАСТВОРЫ И ИХ СВОЙСТВА.

Раствор – это находящаяся в состоянии равновесия гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов.

Раствор состоит из растворителя и растворенного вещества. Растворителем принято считать тот компонент системы, который при образовании раствора не изменяет своего агрегатного состояния или берется в большем количестве. Важнейшие биологические жидкости: кровь, лимфа, слюна, пот являются растворами солей, белков, липидов, углеводов и др. в воде. Биологические жидкости участвуют в транспорте питательных веществ, лекарственных препаратов, в выводе из организма метаболитов – продуктов жизнедеятельности: углекислый газ, мочевина. Тело человека массой 70кг содержит 40кг воды: 25кг приходится на жидкость, находящуюся внутри клеток, а 15кг составляет внеклеточная жидкость. Особенно богаты водой интенсивно функционирующие органы:

• Кора головного мозга – 83% жидкости;

• Почки – 82% ;

• Легкие и сердце – по 79% ;

• Спинной мозг – 69% ;

• Костная ткань – 15% .

Эти данные свидетельствуют о том, что вода является важным компонентом высокоорганизованных биохимических процессов.

Вода обладает особенной структурой, так как при образовании молекул воды происходит гибридизация атомных орбиталей кислорода по типу sp³. Молекула воды имеет тетраэдрическую структуру за счет гибридизации:

Электронная формула: О 1s²2s²2p⁴

Графическая формула: Н Н (+)

2 \ /

1 О (-)

В результате гибридизации в молекуле возникают два полюса: положительный и отрицательный, что обеспечивает высокую полярность молекулы воды, вода – хороший растворитель (соли, кислоты, щелочи). Молекулы воды находятся в ассоциированном состоянии, за счет возникающих водородных связей.

 

Н – О - - Н – О - -

 

Н Н Н Н Н Н

  \ /  \ /

Н – О - - Н – О  О О О

   /\ 

Н Н Н Н

Рис.: Строение ассоциата воды

Высокая температура кипения воды (если судить по структуре молекулы, температура кипения должна быть 78⁰С) так же объясняется возникновением водородных связей. Вода обладает наибольшей диэлектрической проницаемостью (80). Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз ослабевает взаимодействие между ионами в воде по сравнению с вакуумом. Вода лучший растворитель, так как у нее высокая полярность и высокая диэлектрическая проницаемость. В связи с этим в воде достаточно глубоко идет процесс электролитической диссоциации.

Концентрация раствора. Способы ее выражения.

Концентрация раствора – это величина, показывающая отношение количества растворенного вещества к определенной массе или объему раствора или растворителя.

Виды концентраций:

1. Массовая доля – ω – отношение массы растворенного вещества к массе раствора. (Эта единица измерения часто используется в фармации.)

ω(х) = m(х) / m_р-ра (доля единицы);

ω(х) = (m(х) / m_р-ра) ∙ 100% (%).

2. Молярная концентрация – отношение количества растворенного вещества к объему раствора.

С(х) = n(х) / V_р-ра (моль/л).

Растворы с молярной концентрацией готовят в специальной посуде для приготовления растворов точной концентрации – мерных колбах.

3. Моляльная концентрация – отношение количества растворенного вещества к массе растворителя.

С_m(х) = n(х) / m_р-ля (моль/кг).

4. Молярная концентрация эквивалента – отношение количества растворенного вещества эквивалента к объему раствора.

С(f_эх) = n(f_эх) / V_р-ра (моль/л = н).

n(f_эх) = m(х) / М(f_эх).

f_э = 1 / z.

где n(f_эх) – количество эквивалента вещества.

m(х) – масса вещества.

М(f_эх) – молярная масса эквивалента вещества.

f_э – фактор эквивалентности – безразмерная величина – число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества эквивалентна одному иону водорода в данной кислотно-основной реакции или одному электрону в данной окислительно-восстановительной реакции.

z – основность кислоты, кислотность основания, число электронов участвующих в окислительно-восстановительной реакции. Например, для H₂SO₄ z = 2.

Эквивалент – реальная или условная частица вещества, которая может присоединять, высвобождать или быть другим образом эквивалентна одному иону водорода в данной кислотно-основной реакции или одному электрону в данной окислительно-восстановительной реакции.

Задача: Определите молярную концентрацию эквивалента при растворении 4,9 г серной кислоты в 200 мл раствора.

Для решения используем формулы: С(f_эх) = n(f_эх) / V_р-ра и n(f_эх) = m(х) / М(f_эх).

n(1/2 H₂SO₄) = m(H₂SO₄) / М(1/2 H₂SO₄) = 4,9г / (1/2 ∙ 98г/моль) = 0,1 моль.

С(1/2 H₂SO₄) = n(1/2 H₂SO₄) / V_р-ра = 0,1 моль / 0,2 л = 0,5 моль/л = 0,5 н.

5. Молярная доля - ǽ (кси) - отношение количества данного компонента к сумме количеств всех компонентов раствора.

ǽ(х) = n(х) / (n_i(х_i) + n_р-ля) (доля единицы, %);

ǽ(х) = (n(х) / (n_i(х_i) + n_р-ля)) ∙ 100% (%).

6. Объемная доля – φ (фи) – отношение объема растворенного вещества к объему раствора.

φ(х) = V(х) / V_р-ра (доля единицы);

φ(х) = (V(х) / V_р-ра) ∙ 100% (%).

7. Титр раствора – Т – отношение массы растворенного вещества к объему раствора.

Т(х) = m(х) / V_р-ра (г/мл).

Механизм и термодинамика процесса растворения.

Растворение – это физико-химический процесс. Это было доказано Д.И.Менделеевым в гидратной теории.

Стадии растворения:

1. При растворении вещества происходит разрушение его структуры под действием молекул воды и распределение частиц растворяемого вещества между молекулами растворителя(воды) – это физический процесс. Процесс эндотермический.

Молекулы воды подходят к кристаллу поваренной соли. К ионам натрия отрицательным концом, к ионам хлора – положительным, и начинают оттягивать их к себе.

диполь воды

ион натрия

ион хлора

2. Одновременно происходит взаимодействие молекул растворителя с частицами растворяемого вещества – это химический процесс, так как в результате образуются гидраты (если растворитель – вода) или сольваты (если используется другой растворитель). Соответственно, процессы растворения называются: гидратации или сольватации. Это экзотермические процессы.

Na⁺ Cl^-

Рис.: Гидратированные ионы натрия и хлора (гидраты).

При гидратации происходит изменение цвета раствора. Гидратированные ионы не взаимодействуют между собой из-за наличия гидратной оболочки.

1стадия: ∆Н_{разрушения кристал. решетки} > 0, эндотермический процесс, 2стадия: ∆Н_{гидротации} < 0, экзотермический процесс. Поэтому теплота растворения может иметь различный знак, в зависимости от того какой процесс преобладает:

∆Н_{растворения} = ∆Н_{разрушения кристал. решетки} + ∆Н_{гидратации}

При растворении твердых веществ с ионной связью всегда будет преобладать ∆Н_{разрушения кристал. решетки}, отсюда общий тепловой эффект – эндотермический, растворы будут охлаждаться. При растворении веществ с ковалентной связью и жидких всегда преобладает ∆Н_{сольватации}, отсюда общий тепловой эффект – экзотермический, растворы будут нагреваться. При растворении газов ∆Н_{разрушения кристал. решетки} = 0, поэтому общий тепловой эффект определяется только ∆Н_{сольватации}.

Но не будем забывать, что при растворении происходит изменение энтропии. Для твердых и жидких веществ ∆S > 0, а для газов ∆S < 0.

∆G = ∆Н - Т∆S

∆G < 0, для твердых веществ: ∆Н > 0 или ∆Н < 0 и ∆S > 0

для жидкостей: ∆Н < 0 и ∆S > 0 ненасыщенные растворы.

для газов: ∆Н < 0 и ∆S < 0

∆G = 0 – насыщенные растворы.

∆G > 0 – пересыщенные растворы.

Пересыщенные растворы могут стоять без изменений так же долго, как и равновесные. Насыщенный раствор – раствор, содержащий при данной температуре максимальное количество вещества. Концентрация насыщенного раствора численно равна растворимости вещества.

Растворимость – показывает массу растворенного вещества (в граммах) в 100 г растворителя при определенной температуре (обычно 20-25⁰С). Растворимость веществ зависит от природы растворенного вещества, изменяется от температуры и давления (газов). Для повышения растворимости необходимо учитывать тепловой эффект процесса растворения. Если процесс эндотермический, то вещества лучше растворяются с повышением температуры, если экзотермический, то – с понижением температуры.

Для увеличения растворимости газов используют изменение давления. Эта зависимость была установлена Генри. Закон Генри: количество газа, растворенного при определенной температуре, прямо пропорционально давлению газа.

С(х) = К_г · Р(х)

К_г – постоянная Генри (моль/(Па·л))

Закон Генри лежит в основе лечения кессонной болезни, в барокамере. Кессонная болезнь возникает у водолазов, летчиков, альпинистов – людей подвергающихся резким перепадам давления. При нырянии происходит резкое увеличение давления и кислород в большом количестве попадает в капилляры. При быстром поднятии на поверхность давление падает, кислород собирается в пузырьки и закупоривает капилляры. С течением времени у человека появляются характерные симптомы: тремор, шаткая походка в результате снижения поступления крови в мозг, смерть. Для лечения этого заболевания используют барокамеру, в которой люди дышат воздухом с повышенным содержанием кислорода под давлением. В результате улучшается кровообращение в капиллярах.

Еще один пример с шампанским. При открытии бутылки происходит резкое уменьшение давления, в результате чего растворенные газы собираются в пузырьки, и мы наблюдаем «пенный выстрел».

Закон Сеченова И.М.: растворимость газов в жидкости в присутствии электролита понижается, происходит как бы высаливание газа. (Высаливание – соль бросают в смесь воды и спирта, происходит разделение смеси, спирт всплывает.)

С(х) = С₀ · е^{- КсСэл}

где, С(х) – растворимость газа в присутствии электролита;

С₀ – растворимость газа в чистом растворителе;

е – основание натурального логарифма;

К_с – постоянная Сеченова;

С_эл – концентрация электролита.

Существуют состояния, возникающие в результате большого потребления электролитов, витаминов, минеральной воды. В результате в организме накапливается много электролитов, которые способствуют снижению растворимости кислорода. У человека появляются вялость, слабость, повышенная утомляемость. Содержание белков, липидов и других молекул также влияет на растворимость газов в крови.