Глава 5. Растворы и их коллигативные свойства. (9-11)

1. Особенности строения молекулы воды и особенности жидкого состояния воды, ее уникальные физико – химические свойства и ее роль в жизнедеятельности организма. Вода – растворитель газообразных, жидких и твердых веществ.

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 (ԑ=78,5) способствует растворению солей, кислот, основания и их диссоциации на ионы, так как сила электростатического взаимодействия между ионами обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости среды.

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 ассоциатов 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.

 Она выполняет роль универсального растворителя, в котором происходят основные биохимические процессы живых организмов Уникальность воды состоит в том, что она достаточно хорошо растворяет как органические, так и неорганические вещества, обеспечивая высокую скорость протекания химических реакций и в то же время — достаточную сложность образующихся комплексных соединений

Наличие в воде различных ассоциатов, имеющих разную структуру и разное время жизни, позволяет обосновать еще одну особенность воды – структурно – информационную память.

Вода – амфолит.

В зависимости от сродства к воде функциональные группы подразделяют на гидрофильные и гидрофобные. К гидрофильным относятся ионы и полярные группы: гидроксильная, амино, карбоксильная, нитро, фосфатная, сульфо. К гидрофобным относятся неполярные группы: углеводородные радикалы предельных и непредельных и ароматических соединений.

Вода является лучшим растворителем для твердых, жидких и газообразных веществ. Мы привыкли к тому, что вода свободно растворяет соли и сахар, и никто этому не удивляется. А что вода растворяет металл, или вместо гниения мертвой органики происходит на самом деле ее растворение - никто над этим даже не задумывается. А ведь все происходит именно так!

Сверхтонкие частицы фемтополя воды, имея высокий энергетический уровень, проникают в твердое пространство и, благодаря отталкивающим силам, возникающим при взаимодействии полей, разрушают его - растворяют. Так, проникая например, в черный металл, частицы фемтополя воды вызывают постепенное разрушение верхнего слоя, а затем происходит его окисление.

В живом организме фемтополе свободной (капиллярной) влаги, взаимодействуя с энергетикой клеток, продвигает по капиллярам питательную среду и обеспечивает биохимический процесс. В мертвой же органике с прекращением биохимического процесса фемтополе внешней влаги, а потом и капиллярной, начинает разрушать клетки - растворять первичную органическую материю клетки проникновением частиц фемтополя воды. Начинается процесс, который принято называть гниением.

Достаточно прекратить доступ внешней и капиллярной влаги к клеткам мертвой органики, как процесс их растворения прекращается. Для длительного сохранения органики необходимо кроме изоляции ее от внешней влаги, удалить полностью капиллярную гигроскопическую воду.

Учебник: 125-134.

2. Понятие о диффузии. Осмос. Осмотическое давление и факторы, влияющие на его величину. Закон Вант-Гоффа. Изотонический коэффициент, его значения для разбавленных растворов различных веществ. Сравните при одинаковой температуре и молярной концентрации осмотическое давление растворов следующих веществ:

а)NaCl, C₆H₁₂O₆, CaCl₂;

б)CH₃COOH, KCl, C₂H₅OH

Диффузией в растворе называется самопроизвольный направленный процесс переноса частиц растворенного веществ и растворителя, который осуществляется при наличии градиента концентрации растворенного вещества и приводит к выравниванию концентрации этого вещества по всему объему раствора.

Осмосом называется самопроизвольная диффузия молекул растворителя сквозь мембрану с избирательной проницаемостью.

Осмотическим давлением (π) называют избыточное гидростатическое давление, возникающее в результате осмоса и приводящее к выравниванию скоростей взаимного проникновения молекул растворителя сквозь мембрану с избирательной проницаемостью.

Факторы: число частиц в растворе, температура.

Закон Вант-Гоффа: «Осмотическое давление подчиняется объединенному газовому закону Менделеева – Клайперона π=icRT»

Изотонический коэффициент – для учета межмолекулярных взаимодействий в реальных растворах

i=

Для растворов неэлетролитов, молекулы которых не диссонируют и мало склонны к ассоциации, i = 1.

Для водных растворов электролитов вследствие диссоциации I > 1, причем максимальное его значении (I_max­) для данного электролита равно числу ионов в его молекуле. NaCl i_{max­ ­}= 2, CaCl₂ i_{max­ ­}=3, Na₃PO₄ i_{max­ ­}=4, Al₂(SO­₄)₃ = 5.

Для растворов, в которых вещество находится в виде ассоциатов, i < 1, что характерно для коллоидных растворов. Для растворов белков и ВМС величина i зависит от концентрации и природы этих веществ.

Сравните при одинаковой температуре и молярной концентрации осмотическое давление растворов следующих веществ:

а)NaCl, C₆H₁₂O₆, CaCl₂ (по изотоническому коэффициенту) NaCl и CaCl₂ – электролиты, i для электролитов всегда > 1, следовательно, осмотическое давление электролитов NaCl и CaCl­₂ будет больше осмотического давления неэлетролита C₆H₁₂O₆, потому что i для неэлетролитов всегда = 1. (π=icRT). Осмотическое давление CaCl₂ (3) < NaCl (2) (по количеству ионов). CaCl₂ > NaCl > C₆H₁₂O₆

б)CH₃COOH, KCl, C₂H₅OH Осмотическое давление KCl > осмотического давления CH₃COOH и C₂H₅OH. CH₃COOH > 2, HCl = 2, C₂H₅OH <1. CH₃COOH > HCl > C₂H₅OH.

Учебник: 140-142.

3. Фазовые равновесия. Диаграмма состояния воды. Давление насыщенного пара над растворами. I – ый закон Рауля. Температура кипения и кристаллизации растворов. II – ой закон Рауля, его применение к реальным системам.

Фазовые равновесия:

1. При температуре кипения в равновесии сосуществуют две фазы: жидкая и пар.

Температура кипения жидкости– это температура, при которой давление насыщенного пара над жидкостью становится равным внешнему давлению.

2. При температуре замерзания в равновесии сосуществуют три фазы: твердая, жидкая и пар.

Температура замерзания жидкости– это температура, при которой давление насыщенного пара над жидкостью становится равным давлению насыщенного пара над кристаллами этой жидкости.

Фазовая диаграмма воды

Линия Ap⁰– линия испарения, разделяющая жидкое и парообразное состояния, - определяет значение давления и температуры, при которых осуществляется кипение чистой воды.

Линия AB– линия плавление – показывает условия существования двухфазной жидкой системы лед – жидкая вода.

Линия AD– линия сублимации – разграничивает твердое и парообразное состояния воды.

В тройной точке A, отвечающей температуре замерзания воды или плавления льда при внешнем давлении, равном давлению насыщенного пара (+0,01^oС; 0,006 атм), находясь в равновесии друг за другом, одновременно сосуществуют все три фазы: твердая, жидкая и парообразная.

Давление пара, при котором при данной температуре в системе «жидкость – пар» наступаетдинамическое равновесие, характеризующееся равенством скоростей испарений и конденсации (U_исп=U_конд), называетсядавлением насыщенного пара.

Франсуа Мари Рауль (1886)сформировал свойпервый законследующим образом:

«При постоянной температуре относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над идеальным раствором нелетучего вещества равно молярной доле растворенного вещества».

(p⁰–p)/p⁰=n/(n+N)

Температура кипения раствора нелетучего вещества всегда выше, чем температура кипения чистого растворителя.

Температура замерзания вещества всегда ниже, чем температура замерзания чистого растворителя.

Второй закон Франсуа Мари Рауля:

«повышение температуры кипения или понижение температуры замерзания идеальных растворов нелетучих веществ прямо пропорционально моляльной концентрации раствора:

_кип=K_эбb(X) (K_эб – эбулиоскопическая константа)

_зам=K_крb(X) (K_кр – криоскопическая константа)

Для реальных растворов в формулы вводится изотонический коэффициент, так как для реальных растворов нужно учитывать межмолекулярные взаимодействия:

_кип=iK_эбb(X)

_зам=iK_крb(X)

Законы Франсуа Мари Рауля используются для экспериментальных методов определения молярных масс растворимых веществ – эбулиоскопии и криоскопии основанных на измерении температуры кипения и температуре замерзания растворов этих веществ.

Учебник: 149 - 152.