Презентация - Физико-химические свойства растворов

Лекция 4 Физико-химические свойства растворов

План 4 .1 Растворы и их классификация. 4 .2 Термодинамика растворения. 4 .3 Растворимость газов, жидкостей и твердых веществ в воде.

4 .1 Растворы - это гомогенные устойчивые системы переменного состава, состоящие минимум из двух компонентов: растворителя и растворенного вещества .

С точки зрения термодинамики все компоненты раствора равноценны; растворителем принято считать компонент, агрегатное состояние которого совпадает с агрегатным состоянием раствора.

Если нельзя определить растворитель по этому признаку, то им считается компонент с большей массой .

а) по агрегатному состоянию Газообразные :воздух, смесь О 2 и СО 2 (карбоген) для активации дыхательного центра; Жидкие : биологические жидкости человека; Твердые : сплавы металлов, растворы H 2 в платиновых металлах Классификация растворов

б) по размеру частиц растворенного вещества Истинные (молекулярные) 10 -9 м, Коллоидные 10 -9 10 -7 м (кровь) Грубодисперсные 10 -7 м где - диаметр частицы растворенного вещества , м

1) жизнь зародилась в мировом океане; современные животные и человек унаследовали от океанических предков неорганический состав крови, сходный с составом морской воды Растворы играют важнейшую роль в биосфере:

2) усвоение питательных веществ и лекарственных препаратов происходит в растворенном виде; 3) в растворах протекают биохимические реакции. Важнейшим биогенным растворителем является вода.

Вода - самое распространенное на земле вещество. Общий объем воды в биосфере 1,5 10 9 км 3. В живых организмах - 2,3 10 3 км 3 . Считают, что большая часть воды имеет биогенное происхождение, т.е. проходит через метаболические превращения организмов. Суточное потребление воды 2л.

Содержание воды в организме : а)новорожденного 80%; б) мужчины 60%; в) женщины 55%.

Содержание воды в органах и тканях человека: а) в печени 96% б) в легких 86% в) в крови и почках 83% г) в тканях мозга и мышечной ткани 75% д)в костях 22%.

Вода in vivo делится на два бассейна: внеклеточная жидкость а) интерстициальная жидкость(окружает клетки), б) внутрисосудистая (плазма крови) в) трансцеллюлярная жидкость (в полых формах ЖКТ) внутриклеточная

Потеря 2/3 объема внеклеточной жидкости смертельно опасна. Избыток воды также опасен для здоровья: отеки, водянки, набухание клеток.

Вода, благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам, выполняет многочисленные функции в организме человека

а) ее высокая полярность (молекулы воды являются диполями) делает воду одним из лучших растворителей как для неорганических, так и для многих органических веществ;

б) ее высокая теплоемкость обеспечивает температурный гомеостаз организма; в) большая теплота испарения воды защищает тело человека от перегрева;

г)способность воды диссоциировать на ионы позволяет ей участвовать в кислотно-основном равновесии; д) вода является субстратом многих биохимических ре-акций (гидролиз, гидратация);

е) вода влияет на активность ферментов , регулируя скорость биохимических реакций.

Растворение - это самопроизвольный обратимый физико-химический процесс, включающий три основные стадии. 4 .2 Термодинамика растворения

Стадия атомизации- разрушение кристаллической решетки растворяемого о вещества; процесс эндотермический ( ат Н О);

2) стадия сольватации (гидратации) - образование сольватных (гидратных) оболочек вокруг частиц растворенного вещества; процесс экзотермический, ( сол Н

3) стадия диффузии - равномерное распределение растворенного вещества по всему объему раствора, ( диф Н О).

Таким образом, теплота растворения ( р Н ) является величиной интегральной: p H ат Н сол Н диф Н p H - тепловой эффект растворения 1 моль вещества в бесконечно большом объеме растворителя.

При растворении большинства твердых веществ p H 0 , т.к. теплота, поглощаемая на стадии атомизации не компенсируется теплотой, выделяющейся на стадии сольватации

При растворении газов p H 0 , т.к. при их растворении атомизация не протекает (газообразные вещества не образуют кристаллических решеток )

При растворении жидкостей друг в друге p H 0 , т.к. главной стадией растворения является диффузия, протекающая без заметного теплового эффекта.

Как любой обратимый процесс, растворение доходит до равновесия. Раствор, находящийся в равновесии с избытком растворяемого вещества, называется насыщенным.

В состоянии равновесия скорость растворения равна скорости кристаллизации Жидкая фаза Твердая фаза Растворение Кристаллизация

Растворы Ненасыщенные : содержат меньше растворенного вещества, чем насыщенные Насыщенные Пересыщенные : содержат больше растворенного вещества, чем насыщенные (неустойчивы)

4 .3 Растворимость (S) - это способность вещества растворяться в данном растворители . Она равна содержанию растворенного вещества в его насыщенном растворе при данной температуре.

Растворимость зависит от природы веществ и термодинамических параметров системы. Факторы, влияющие на растворимость

Влияние природы веществ на растворимость описывается правилом: «Подобное растворяется в подобном».

Другими словами, полярные вещества хорошо растворяются в полярных растворителях, а неполярные - в неполярных. Например: Na C l хорошо растворим в воде и плохо в бензоле; I 2 хорошо растворим в бензоле и плохо в воде.

Растворение газов в воде можно представить схемой: А (г) Н 2 О А (р-р) р Н

а) В соответствии с принципом Ле Шателье при повышении температуры равновесие смещается влево, т.е. растворимость уменьшается , а при понижении температуры – вправо, растворимость увеличивается.

Газ Температу ра 0 С 0 20 100 N 2 0,0235 0,0154 0,0095 O 2 0,0489 0,0310 0,0172 NH 3 1150 690 95 Таблица 1. Растворимость газов (л/1л Н 2 О) при р 1 атм.

б) В соответствии с принципом Ле Шателье при увеличении давления равновесие смещается вправо, т.е. растворимость газов растет.

Зависимость растворимости газа от давления описывается уравнением Генри (1803 г.): S k p, где k - константа Генри, p – давление газа над раствором.

Закон Генри позволяет вскрыть причины возникновения кессонной болезни .

Она возникает у водолазов, летчиков и представителей других профессий, которые по роду деятельности быстро переходят из среды с высоким давлением в среду с низким давлением.

В период пребывания человека в среде с высоким давлением его кровь и ткани насыщаются азотом (N 2 ) и частично углекислым газом (СО 2 ) . Накопления кислорода не происходит, так как он расходуется на физиологические процессы в организме.

При быстром переходе человека в среду с низким давлением происходит выделение избыточных количеств растворенных газов, которые не успевают диффундировать через легкие и образуют газовые пробки в тканях и кровеносных сосудах.

Это приводит к закупорке и разрыву кровеносных капилляров, накоплению пузырьков газа в подкожной жировой клетчатке, в суставах, в костном мозге.

Симптомы: головокружение, зуд, мышечные и загрудинные боли, нарушение дыхания, паралич и смерть.

29 июня 1971 от кессонной болезни погибли трое советских космонавтов, возвращающихся на Землю.

в) На растворимость газов влияет присутствие электролитов в растворе. Эта зависимость описывается уравнением Сеченова (1859 г.): S S 0 e -kc где S и S 0 - растворимость газа в растворе электролита и чистой воде, с - концентрация электролита, k - константа Сеченова

Чем выше концентрация электролита в растворе, тем ниже растворимость газов. Вот почему растворимость газов в воде больше, чем в плазме.

Газ Растворимость, объемные доли в воде в плазме О 2 0,0263 0,0255 N 2 0,0137 0,0135 CO 2 0,387 0 , 381 Таблица 2. Растворимость газов в чистой воде и плазме крови при 38 0 С

Растворение жидкости в воде можно представить схемой: А (ж) Н 2 О А (р-р)

Основной стадией растворения жидкости в жидкости является диффузия, скорость которой возрастает с увеличением температуры.

Соответственно, взаимная растворимость жидкостей усиливается с ростом температуры.

Различают три типа жидкостей: а)неограниченно растворимые друг в друге: Н 2 SO 4 / Н 2 О , С 2 Н 5 ОН/Н 2 О; б) ограниченно растворимые: С 6 Н 6 /Н 2 О в) абсолютно нерастворимые: Hg/H 2 O.

Если в систему из двух несмешивающихся жидкостей добавить третий компонент, то отношение его концентраций в каждой жидкости есть величина постоянная при данной температуре (закон Нернста- Шилова)

Закон Нернста- Шилова Фаза 1 Фаза 2 A A ' A ' A K K – константа распределения

Закон Нернста-Шилова – теоретическая основа экстракции- одного из способов разделения смесей.

Растворение твердых веществ описывается схемой: А (к) Н 2 О А (р-р), р Н О

Гетерогенное равновесие между труднорастворимым электролитом (солью, основанием или кислотой) и его ионами в насыщенном растворе описывается схемой: A n B m ( к ) n A (aq) m B - (aq).

Данное равновесие характеризуется при помощи константы растворимости K s , являющейся константой гетерогенного равновесия : K s A n B - m

Для бинарных электролитов n m 1 , K s A B - соответственно S 2 К s S К s

Например: Ba SO 4 ( к ) Ba 2 (aq) SO 4 2- (aq) K S Ba 2 SO 4 2- 1 , 1 10 -10 , S 1 , 1 10 -10 1 , 05 10 -5 M.

Чем меньше K s , тем ниже растворимость вещества и легче формируется осадок труднорастворимого электролита.

Осадок выпадает из насыщенных и пересыщенных растворов. В насыщенном растворе A B - K s В пересыщенном растворе A B - K s Условия образования осадка труднорастворимых электролитов

Одним из наиболее важных гетерогенных процессов in vivo является образование костной ткани.

Основным минеральным компонентом костной ткани является кальций гидроксофосфат (гидроксоаппатит) Са 5 (РО 4 ) 3 ОН.

Формирование костной ткани В крови при р Н 7,4 в приблизительно равных количествах находятся анионы НРО 4 2– и Н 2 РО 4 – , а также катионы Са 2 .

К S (C а НРО 4 ) 2,7 10 –7 , К S (C а(Н 2 РО 4 ) 2 ) 1 10 –3 вследствие чего на первой стадии образуется менее растворимая соль Са НРО 4 : Са 2 НРО 4 2– Са НРО 4 Формирование костной ткани

3Са НРО 4 Са 2 2ОН – Са 4 Н(РО 4 ) 3 2Н 2 О Са 4 Н(РО 4 ) 3 Са 2 2ОН – Са 5 (РО 4 ) 3 ОН Н 2 О К S (Са 5 (РО 4 ) 3 ОН) 10 -58 Формирование костной ткани

При избытке ионов Са 2 в крови равновесие сдвигается вправо и наблюдается обызвествление костей.

При недостатке Са 2 равновесие сдвигается влево, происходит разрушение костной ткани. У детей это приводит к рахиту , у взрослых развивается остеопороз

У больного остеопорозом позвонки деформированы и истончены (слева), У здорового человека позвонки не изменены, а костная ткань остаётся плотной (справа)

При недостатке кальция в костной ткани его место могут занять ближайшие электронные аналоги: бериллий и стронций. Их накопление вызывает соответственно бериллиевый и стронциевый рахит (повышенная ломкость и хрупкость костей).

При попадании радиоизотопа Sr -90 в костную ткань происходит облучение костного мозга, что может привести к лейкозу и другим онкологическим заболеваниям. Кальций блокирует накопление организмом радиоактивного стронция.

Благодарим за внимание!!!