Тема 2. коллигативные свойства растворов

Решение

1. Найдём массу 20% раствора.

m=ρ×V= 1,140×1000=1140г.

2. Найдём массу и число моль кислоты.

m (H₂SO₄)= m(р-ра)×ω = 1140×0,2=228г; n=m/M=228/98=2,33моль.

3. Найдём массу и число моль воды.

m(Н₂О) = 1140 – 280=912г; n=912/18=50,67моль.

4. Найдём молярную долю χ.

χ(х) = n(x)/Σn_i χ(H₂SO₄) = 2,33/53=0,044.

5. Найдём молярную концентрацию.

С(х) = n(х)/V(р-ра). С(H₂SO₄) = 2,33/1л =2,33моль/л.

6. Найдём молярную концентрацию эквивалента

С(1/z(х)) = n(1/z(х))/V(р-ра).

С(1/2H₂SO₄) = 2×2,33/1л = 4,66моль/л.

7. Найдём моляльность раствора.

b(x) = n(x)/m(р-ля) b(H₂SO₄) = 2,33×1000/912=2,55моль/1000гр-ля.

8. Найдём объём заданного раствора, необходимого для приготовления 500мл 0,1М раствора.

m(H₂SO₄) = C×M×V = 0,1×98×0,5=4,9г H₂SO₄.

m (р-ра) = 4,9/0,2=24,5г V=m/ρ =24,5/1,140 =21,5мл.

При изучении общих свойств растворов необходимо обра­тить особое внимание на осмотическое давление, давление пара раствора, замерзание и кипение растворов, отметив зна­чение этих закономерностей в природе.

Коллигативные свойства – это свойства вещества, которые не зависят от природы, а зависят только от концентрации веществ (частиц) в растворе:

· диффузия;

· осмотическое давление;

· температура замерзания;

· температура кипения;

· давление насыщенного пара растворителя над раствором.

диффузия – это самопроизвольный процесс переноса частиц растворенного вещества и растворителя по градиенту концентрации растворенного вещества, приводящий к выравниванию концентраций частиц и их скоростей.

Причина: стремление системы к максимальной энтропии. Несмотря на хао­тический характер теплового движения частиц в системе, диф­фузия частиц как результат этого движения всегда направлена от большей концентрации к меньшей. Направленный характер диффузия имеет до тех пор, пока есть различия в концентра­ции частиц в отдельных частях системы. После выравнивания концентрации частиц происходит выравнивание и скоростей их диффузии в разных направлениях.

Количество вещества, переносимого за счет диффузии через единичную площадь поверхности в единицу времени, называет­ся скоростью диффузии. Скорость диффузии прямо пропорцио­нальна температуре и разности концентраций по обе стороны поверхности, через которую осуществляется диффузия. В то же время скорость диффузии обратно пропорциональна вязкости среды и размеру частиц.

Рассмотрим случай, когда на пути диффузии частиц рас­творенного вещества и растворителя находится мембрана с из­бирательной проницаемостью, через которую свободно прохо­дят молекулы растворителя, а молекулы растворенного веще­ства практически не проходят. Лучшей избирательной прони­цаемостью обладают мембраны, изготовленные из природных тканей животного и растительного происхождения (стенки ки­шок и мочевого пузыря, различные растительные ткани).

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

В начальный момент при осмосе скорости диффузии моле­кул растворителя через мембрану от растворителя к раствору (υ_р-ля) и от раствора к растворителю (υ_р-ля) будут раз­личными (υ_р-ля > υ_р-ля)вследствие:

· неодинаковой концентрации растворителя в разделенных частях системы с¹_р-ля > с^II_р-ля;

· большей площади поверхности мембраны, свободной от частиц растворенного вещества со стороны чистого растворителя, в чем со стороны раствора s, где часть поверхности мембраны занята частицами растворенного вещества, т. е. s^I > s^II;

· большей подвижности молекул растворителя в чистом рас­творителе, чем в растворе, где есть межмолекулярное взаимо­действие между веществом и растворителем, уменьшающее под­вижность молекул растворителя.

Из-за этих различий через некоторое время, вследствие умень­шения разности концентрации растворителя в разделенных час­тях системы и появления избыточного гидростатического дав­ления со стороны раствора, скорости диффузии растворителя будут изменяться по-разному: υ_р-ля – уменьшаться, а υ_р-ля – увеличиваться. Это обстоятельство обязательно приведет к на­ступлению в системе состояния динамического физико-химичес­кого равновесия, характеризующегося равенством скоростей диф­фузии молекул растворителя через мембрану υ_р-ля = υ_р-ля.

Появляющееся избыточное гидростатическое давление в сис­теме является следствием осмоса, поэтому это давление называ­ется осмотическим.

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.

В. Пфеффер и Я. Вант-Гофф, изучая количественную зави­симость осмотического давления от внешних факторов, уста­новили, что оно подчиняется объединенному газовому закону Менделеева - Клапейрона: π = cRT,

где c - молярная концентрация вещества в растворе, моль/л.

Из этого уравнения видно, что осмотическое давление не зави­сит от природы растворенного вещества, а зависит только от числа частиц в растворе и от температуры. Однако это уравнение справедливо только для растворов, в которых отсутствует взаи­модействие частиц, т. е. для идеальных растворов. В реальных растворах имеют место межмолекулярные взаимодействия меж­ду молекулами вещества и растворителя, которые могут приво­дить или к диссоциации молекул растворенного вещества на ионы, или к ассоциации молекул растворенного вещества с об­разованием из них ассоциатов.

Диссоциация молекул вещества в водном растворе харак­терна для электролитов. В результате диссоциа­ции число частиц в растворе увеличивается.

Ассоциация наблюдается, если молекулы вещества лучше взаимодействуют между собой, чем с молекулами растворите­ля. В результате ассоциации число частиц в растворе умень­шается.

Для учета межмолекулярных взаимодействий в реальных растворах Вант-Гофф предложил использовать изотонический ко­эффициент i. Для молекул растворенного вещества физический смысл изотонического коэффициента:

^.

Для растворов неэлектролитов, молекулы которых не дис­социируют и мало склонны к ассоциации, i = 1.

Для водных растворов электролитов вследствие диссоциа­ции i > 1, причем максимальное его значение (i _max) для данно­го электролита равно числу ионов в его молекуле:

NaCl СаС1₂ Na₃PO₄ Al₂(SO₄)₃.

i_max 2 3 4 5

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

С учетом межмолекулярных взаимодействий осмотическое давление для реальных растворов равно:

i > 1 для электролитов

π = i cRT, причем i = 1 для неэлектролитов

i < 1 для ассоциатов

Это уравнение правильно отражает наблюдаемое в эксперименте осмотическое давление растворов с одинаковой массовой долей вещества, но с различной природой и состоянием растворенного вещества.

При осмосе молекулы растворителя преимущественно дви­жутся через мембрану в том направлении, где концентрация частиц вещества больше, а концентрация растворителя меньше. Другими словами, в результате осмоса происходит всасывание растворителя в ту часть системы, где концентрация частиц ве­щества больше. Если осмотическое давление у растворов одина­ковое, то они называются изотоническими и между ними про­исходит подлинно равновесный обмен растворителем. В случае контакта двух растворов с разным осмотическим давлением ги­пертоническим раствором называется тот, у которого осмотиче­ское давление больше, а гипотоническим – раствор с меньшим осмотическим давлением. Гипертонический раствор всасывает растворитель из гипотонического раствора, стремясь выровнять концентрации вещества путем перераспределения растворителя между контактирующими растворами.

Осмотическая ячейка – это система, отделенная от окру­жающей среды мембраной с избирательной проницаемостью. Все клетки живых существ являются осмотическими ячейка­ми, которые способны всасывать растворитель из окружающей среды, или, наоборот, его отдавать в зависимости от концен­траций растворов, разделенных мембраной.

Эндоосмос – движение рас­творителя в осмотическую ячейку из окружающей среды. Условие эндоосмоса: с_нар < с_вн , (π_нар < π_вн),

где с_нар и с_вн – концентрации вещества в наружном растворе ячей­ки и

во внутреннем растворе;

π_нар и π_вн – осмотические давления соответствующих растворов.

В результате эндоосмоса вода диффундирует в клетку, про­исходит набухание клетки с появлением напряженного состояния клетки называемого тургор. В растительном мире тургор помогает растению сохранять вертикальное положение и опре­деленную форму.

Если разница в концентрациях наружного и внутреннего рас­твора достаточно велика, а прочность оболочки клетки неболь­шая, то эндоосмос приводит к разрушению клеточной мембраны и лизису клетки. Именно эндоосмос является причиной гемоли­за эритроцитов крови с выделением гемоглобина в плазму. Эндоосмос происходит, если клетка оказывается в гипо­тоническом растворе.

Экзоосмос – движение раство­рителя из осмотической ячейки в окружающую среду. Условие экзоосмоса: с_нар > с_вн (π_нар > π_вн).

В результате экзоосмоса вода диф­фундирует из клетки в плазму и происходит сжатие и сморщивание оболочки клетки, называемое плазмолизом. Экзоосмос имеет место, если клетка оказывается в гипертонической среде. Явле­ние экзоосмоса наблюдается, например, при посыпании ягод или фруктов сахаром, а овощей, мяса или рыбы – солью. При этом происходит консервирование продуктов питания благодаря унич­тожению микроорганизмов вследствие их плазмолиза.

При приготовлении физиологических растворов необходимо учитывать их осмотические свойства, поэтому их концентрацию выражают через осмолярную концентрацию (осмолярность).

Осмолярнаяконцентрация – суммарное молярное ко­личество всех кинетически активных, т. е. способных к самостоятельному движению частиц, содержащихся в 1 литре раствора, независимо от их формы, размера и природы.

Осмолярная концентрация раствора связана с его молярной кон­центрацией через изотонический коэффициент c_осм= ic(X).

Осмос является одной из причин, обуславливающих поступление воды и растворенных в ней веществ из почвы по стеблю или стволу растения к листь­ям, так как π_почвы< π_корней < π_{листьев}. Осмотическое давление расти­тельных клеток колеблется от 5 до 20 ат, а у растений пустынь достигает даже 70 ат.

Особенностью высших животных и человека является по­стоянство осмотического давления во многих физиологических системах и прежде всего в системе кровообращения. Постоян­ство осмотического давления называется изоосмией. Осмотиче­ское давление человека довольно постоянно и составляет 740–780кПа (7,4–7,8атм) при 37°С. Оно обусловлено главным обра­зом присутствием в крови катионов и анионов неорганических солей и в меньшей степени – наличием коллоидных частиц и белков. Присутствие в плазме крови форменных элементов (эри­троцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и кровяных пластинок) поч­ти не влияет на осмотическое давление. Постоянство осмотиче­ского давления в крови регулируется выделением паров воды при дыхании, работой почек, выделением пота и т. д.

Осмотическое давление крови, создаваемое за счет белков плаз­мы крови, называемое онкотическим давлением, хотя и составляет величину порядка 2,5–4,0 кПа, но играет исключительно важную роль в обмене водой между кровью и тканями, в распределении ее между сосудистым руслом и внесосудистым пространством.

Онкотическое давление – это осмотическое давление, создаваемое за счет наличия белков в биожидкостях организма. Онкотическое давление крови составляет 0,5 % суммарного осмо­тического давления плазмы крови, но его величина соизмерима с гидростатическим давлением в кровеносной системе. Гидростатическое давление крови падает от артериальной части кровеносной системы к венозной. Если в артериальной части ка­пилляров гидростатическое давление больше онкотического дав­ления, то в венозной - меньше. Это обеспечивает перемещение воды из артериальных капилляров в межклеточную жидкость тканей, а венозные капилляры, наоборот, втягивают межклеточ­ную жидкость. Причем интенсивность такого переноса воды прямо пропорциональна разности между р_гидр и π_онк.

При понижении онкотического давления крови, которое на­блюдается при гипопротеинемии (понижение содержания белка в плазме), вызванной голоданием, нарушением пищеварения или выделением белка с мочой при болезни почек, указанное соот­ношение давлений р_гидр и π_онк нарушается. Это приводит к пере­распределению жидкости в сторону тканей, и в результате воз­никают онкотические отеки ("голодные" или "почечные").

Осмотическому давлению крови человека соответствует осмолярная концентрация частиц от 290 до 300 мОсм/л. В фармацевтической практике изотоническими (физиологически­ми) растворами называют растворы, характеризующиеся таким же осмотическим давлением, как и плазма крови. Такими растворами являются 0,9 %-ный раствор NaCl (0,15 моль/л), в кото­ром i= 2, и 5 %-ный раствор глюкозы (0,3моль/л). Во всех случаях, когда в кровяное русло, мышечную ткань, спинномозговой ка­нал и т. д. с терапевтическими целями вводят растворы, необхо­димо помнить о том, чтобы эта процедура не привела к "осмоти­ческому конфликту" из-за различия осмотических давлений вво­димого раствора и данной системы организма. Если, например, внутривенно ввести раствор гипертонический по отношению к крови, то вследствие экзоосмоса эритроциты будут обезвоживаться и сморщиваться (плазмолиз). Если же вводимый раствор гипотоничен по отношению к крови, то наблюдается "ос­мотический шок", и вследствие эндоосмоса может произойти раз­рыв зритроцитарных оболочек – гемолиз. Начальная стадия гемолиза происходит при местном снижении осмотиче­ского давления до 360–400 кПа (3,5–3,9 ат), а полный гемолиз – при 260–300 кПа (2,5–3,0).

Изменение осмотического равновесия в биосистемах орга­низма может быть вызвано нарушением обмена веществ, секре­торными процессами и поступлением пищи. Кроме того, всякое физическое напряжение, усиливающее обмен веществ, может способствовать повышению осмотического давления крови. Не­смотря на эти нарушения, осмотическое давление крови под­держивается постоянным, хотя химический состав крови может значительно изменяться. При возникновении осмотической ги­пертонии крови соединительная ткань, находящаяся в месте нарушения, отдает воду в кровь и забирает из нее соли почти сразу и до тех пор, пока осмотическое давление крови или тка­невой жидкости не возвратится к нормальному значению. После этой быстрой реакции включаются почки, которые отвечают на увеличение количества каких-либо солей повышенным их выделением, пока не будет восстановлен нормальный состав соединительной ткани и крови. Осмотическое давление мочи, сохраняя норму, может изменяться в пределах от 7,0 до 25 атм (690–2400 кПа). Подобная регуляция имеет определенные гра­ницы, и поэтому для ее усиления может потребоваться поступ­ление воды или солей извне. Здесь вступает в действие вегета­тивная нервная система. Чувство жажды после физической ра­боты (повышенный обмен веществ) или при почечной недоста­точности (накопление веществ в крови из-за недостаточного их выделения) – это проявление осмотической гипертонии. Обрат­ное явление наблюдается в случае солевого голода, вызываю­щего осмотическую гипотонию.

Воспаление возникает в результате резкого местного усиле­ния обмена веществ. Причиной воспаления могут быть различные воздействия: химические, механические, термические, инфек­ционные и радиационные. Вследствие повышенного местного об­мена веществ усиливается распад макромолекул на более мелкие молекулы, что увеличивает концентрацию частиц в очаге воспа­ления. Это приводит к местному повышению осмотического дав­ления, выделению в очаг воспаления большого количества жид­кости из окружающих тканей и образованию экссудата. В меди­цинской практике используют гипертонические растворы или марлевые повязки, смоченные гипертоническим раствором NaCl, который в соответствии с закономерностями осмоса всасывает жидкость в себя, что способствует постоянному очищению раны от гноя или устранению отека. В некоторых случаях для этих же целей используют этиловый спирт или его концентрированные водные растворы, которые гипертоничны относительно живых тканей. На этом основано их дезинфицирующее действие, так как они способствуют плазмолизу бактерий и микроорганизмов.

Действие слабительных средств – горькой соли MgSO₄×7Н₂О и глауберовой соли Na₂SO₄×10H₂O – также основано на явлении осмоса. Эти соли плохо всасываются через стенки кишечника, поэтому они создают в нем гипертоническую среду и вызывают поступление в кишечник большого количества воды через его стенки, что приводит к послабляющему действию. Следует иметь в виду, что распределение и перераспределение воды в организ­ме происходит и по другим, более специфическим механизмам, но осмос играет в этих процессах ведущую роль, а значит, он играет ведущую роль и в поддержании гомеостаза.

Любая жидкость при температуре ниже критической может находиться в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и парообразном. Между этими состояниями наблюдаются сложные фазовые равновесия, которые включают обратимые взаимные превращения. Положения этих фазовых равновесий зависит от температуры и внешнего давления. Переходы жидкости в другие фазовые состояния (парообразное и твёрдое) характеризуются соответственно температурами кипения и плавления. Растворы замерзают при более низкой температуре, чем чистый растворитель. Обозначив температуру замерзания растворителя через t_o, а раствора через t₀, найдем относи­тельное понижение температуры замерзания раствора ∆t_зам = t_о–t₁. На основании полученных экспериментальных данных Рауль установил, что понижение температуры замерзания раствора пропорционально его моляльной концентрации:

∆t_зам = К×Сm,

где К – криоскопическая постоянная растворителя;

С_m – моляльная концентрация раствора, моль/1000г растворителя.

Криоскопическая константа (К) – величина, показывающая, на сколько градусов одномоляльный раствор данного неэлектролита замерзает ниже, чем чистый растворитель. Криоскопическая постоянная зависит только от природы растворителя и не зависит от при­роды растворенного вещества. Для воды К=1,86⁰С, для бензола – 5,12°С, для нитробензола – 6,9°С и т. д. Метод, основанный на измерении понижения температуры замерзания растворов, называют криоскопическим методом. Методом криоскопии можно определять молекулярные массы растворенных веществ неэлектролитов.

Из уравнения Рауля следует, что определение молярной массы растворенного вещества (неэлектролита) сводится к определению t_зам. Формула ∆t = t_o – t_{зам. р.} = К × С_m(В) = К×mв×1000/М_в× m_о;

где t_o – температура замерзания чистого растворителя:

t_{зам. р.} – температура замерзания раствора;

С_m(В) – моляльность растворенного вещества;

m_в – масса растворенного вещества;

М_в – молярная масса растворенного вещества;

m_о – масса растворителя;

К – криоскопическая постоянная (коэффициент для воды К= 1,86).

Она находит практическое применение для расчета антифризов, т. е. жидкостей с пониженной точкой замерзания и применяемых в системе охлаждения автомобилей и тракторов. Например, такой антифриз, как 55 %-ный раствор этиленгликоля в воде не замерзает даже при температуре –40°С.

Закон Рауля в виде уравнения справедлив только лишь для растворов неэлектролитов. Однако свойства растворов изменяются прямо пропорционально числу растворенных частиц. Если растворяется электролит, то в результате диссоциации его на ионы общее число частиц в растворе возрастает. В связи с этим в растворах электролитов понижение давления пара, понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения больше, чем в растворах неэлектролитов одной и той же моляльной концентрации. Для разбавленных растворов электролитов уравнения принимают вид ∆t_эам = i ∙ K ∙ C_m, где i – изотонический коэффициент Вант-Гоффа. Он показывает, во сколько раз общее число частиц в растворе (ионов и непродиссоциированных молекул) больше первоначального числа молекул электролита, внесенного в раствор. Изотонический коэффициент рассчитывают по формуле i = t_эксп/t_теор, где t_эксп – относительное понижение температуры замерзания раствора, полученное экспериментальным путем; t_теор – относительное понижение температуры замерзания раствора, полученное расчетным путем.

Методика выполнения вариантов заданий

На теоретические вопросы ответы подготовить по учебным пособиям и лекциям.

Задача. Сколько граммов мочевины (NH₂)₂CO следует растворить в 250 г воды, чтобы температура кипения повысилась на 0,26°? Эбуллиоскопическая константа воды – 0,52°.

Дата добавления: 2014-11-29