Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Растворы.
Растворы - это физико-химическая система, состоящая из двух или большего числа веществ и имеющая переменный состав в некотором интервале соотношения компонентов.
Велика роль растворов в процессах жизнедеятельности. Кровь, лимфа, желудочный сок, кишечный сок и другие биологические жидкости являются растворами. В жидких средах организма поддерживается постоянство рН, концентрации солей, органических веществ. Такое постоянство называется концентрационным гомеостазом. Растворы занимают промежуточное положение между смесями веществ и химическими соединениями. С механическими смесями растворы сближает переменность по составу, а с химическими соединениями - тепловые эффекты, сопровождающие растворение большинства веществ. Компонентами раствора являются растворитель и растворенное вещество.
С термодинамической точки зрения растворителем является тот компонент, который находится в том же агрегатном состоянии, что и раствор в целом. Если компоненты до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии (например, спирт и вода), то растворителем является тот компонент, который находится в большем количестве. В растворах электролитов независимо от их концентрации электролит рассматривается как растворенное вещество. Например, в 70%-ном растворе азотной кислоты НNО3 растворенным веществом является HNO3, хотя она находится в большем количестве (70% по массе), а растворителем – вода.
Растворы классифицируются по следующим признакам:
I. По агрегатному состоянию они делятся:
• жидкие растворы (кровь, желудочный сок, растворы кислот, солей, щелочей);
• газообразные растворы (воздух, наркозные смеси);
• твердые растворы (сплавы различных металлов).
II По размеру частиц растворенного вещества:
• истинные растворы с размерами частиц меньше 10-9 м.
• коллоидные растворы и растворы ВМС с размером от частиц от 10-9до 10-7 м.
Истинные растворы и растворы ВМС гомогенны и термодинамически устойчивы. Коллоидные растворы микрогетерогенны и термодинамически неустойчивы.
III По молярной массе растворенного вещества:
• растворы НМС - вещества с молярной массой Мr < 5000 г/моль;
• растворы ВМС - веществ с молярной массой Мr > 5000 г/моль.
Главной особенностью растворов ВМС является существенное разлете между макромолекулами полимеров и молекулами растворителя, которые являются НМС.
V По наличию или отсутствию электролитической диссоциации:
• Растворы электролитов (растворы многих неорганических соединений - кислот, солей, щелочей). Их электропроводимость больше электропроводимости чистого растворителя.
• Растворы неэлектролитов - растворы многих органических соединении. Их электропроводимость мало отличается от электропроводимости чистого растворителя.
• Растворы амфолитов, т.е. веществ, которые диссоциируют как по кислотному так и по основному типу (напр. α-аминокислоты).
Образование растворов.
Термодинамика процесса растворения.
С термодинамической точки зрения процесс растворения вещества в каком-либо растворителе будет протекать самопроизвольно происходит, если происходит уменьшение энергии Гиббса (ΔG<0)
ΔG=ΔH-TΔS
Рассмотрим влияние энтальпийного и энтропийного факторов на величину приращения энергии Гиббса Δ G в процессе растворения веществ.
1.Влияние энтальпийного фактора. В процессе растворения вещества энтальпия системы может повышаться пли понижаться. Как известно, ΔH зависит от изменения объема системы:
ΔH=ΔE+pΔV. При растворении твердых и жидких веществ объем системы практически не изменяется. Поэтому ΔV=0, следовательно ΔH=ΔЕ,тогда ΔG=ΔE-TΔS. Таким образом, если при растворении вещества обьем системы практически не меняется, то решающим фактором, влияющим на величину ΔH, а следовательно, и на величину ΔG, будет изменение внутренней энергии системы ΔE. Теплота, выделяемая или поглощаемая при растворении 1 моль вещества называется теплотой растворения Qраств. В соотвеоствии с первым началом термодинамики Qраств=ΔHраств.
Изменение энтальпии растворения (ΔH) - это изменение энтальпии при растворении 1 моль вещества.
ΔHраств=ΔHкрист ΔHсол
ΔHкрист (кристаллическое) - это изменение энтальпии при разрушении кристаллической решетки вещества. Разрушение кристаллической структуры вещества является эндотермическим процессом, поэтому ΔHкрист>0.
ΔHсол (сольватации) - это изменение энтальпии в процессе сольватации. Сольватация - это процесс взаимодействия частиц растворенного вещества с молекулами растворителя. Это экзотермический процесс, т.е. ΔHсол<0.
При растворении газообразных веществ ΔHкрист=0, поэтому энтальпия растворения ΔHраств=ΔHсол, следовательно ΔHраств>0, т.е. растворение газов является экзотермическим процессом.
При растворении веществ с молекулярной кристаллической решеткой, а также жидкостей, ΔHсол>ΔHкрист следовательно, в итоге ΔHраств<0 - есть экзотермический процесс.
При растворении веществ с ионной кристаллической решеткой в большинстве случаев ΔHсол<ΔHкрист поэтому ΔHраств>0 - эндотермический процесс.
2. Влияние энтропийного фактора. При переходе вещества из упорядоченного твердого и жидкого состояния в раствор в системе повышается беспорядок, поэтому энтропия S увеличивается, ΔS>0. Это способствует протеканию процесса растворения, т.к. уменьшает энергию Гиббса, ΔG<0.
Влияние энтропийного фактора на ΔG будет особенно заметным при высоких температурах. Поэтому растворимость твердых и жидких веществ в основном повышается при повышении температуры. При переходе вещества из газообразного состояния в растворенное в системе повышается упорядоченность, поэтому энтропия уменьшается ΔS<0. Влияние энтропийного фактора на ΔG будет минимальным при низких температурах, поэтому растворимость газов в основном повышается при понижении температуры.
Растворимость веществ.
Растворимость веществ - это способность веществ растворяться в том или ином растворителе.
Процесс растворения веществ в каком-либо растворителе будет протекать самопроизвольно до тсх пор, пока в системе установится состояние равновесия. При этом ΔG =0. Такой раствор называют насыщенным. Количественно растворимость веществ характеризуют коэффициентом растворимости, который показывает, сколько грамм вещества растворяется при данной температуре в 100 граммах растворителя с образованием насыщенного раствора.
Насыщенным называется раствор, находящийся в динамическом равновесии с избытком растворенного вещества. На растворимость растворимость веществ влияние следующие факторы:
1. Природа компонентов раствора. Вещества с полярными ковалентнымн связями (напр. хлороводород НСI), а также с ионными связями (напр. бромид калин КВr) лучше растворяются в неполярных растворителям (напр, нафталин лучше растворяется в бензине, чем в воде). На растворимость органических соединений оказывает влияние наличие в их молекулах большого количества гидрофильных полярных групп. Гидрофильность полярных групп в молекулах органических соединений убывает в следующем порядке;
1) карбоксильная группа -СООН;
2) гидроксильная группа -ОН;
3) альдегидная группа -СНО;
4) аминогруппа -NН2;
5) меркаптильная группа -SН.
Хорошая растворимость в воде многих белков обусловлена наличием в их молекулах большого количества гидрофильных полярных групп.
11.Влияние внешних факторов температуры и давления.
Поскольку при образовании насыщенного раствора устанавливается истинное равновесие, те ΔG=0, то для определения влиянии температуры и давления на растворимость веществ пользуются принципом Ле-Шателье. Для этого нсо6ходимо учитывать знаки ΔH и ΔV. Знак ΔН будет определять характер действия температуры на растворимость веществ, а знак ΔV -характер действия давления на растворимость веществ. Поскольку процессы жизнедеятпьности связаны с растворением в крови различных газообразных веществ (СО2, О2 и др.) то рассмотрим влияние температуры на растворимость газов в жидкостях. Растворение газов в жидкостях обычно сопровождается выделением тепла, ΔHраств<0. Тогда в соответствии с принципом Ле-Шателье повышение температуры будет понижать растворимость газов в жидкостях. Растворение газов в жидкостях сопровождается уменьшением объема газов (ΔV>0), поэтому в соответствии с принципом Ле-Шателье увеличение давления будет способствовать росту растворимости газов в жидкостях. Малорастворимые газы подчиняются закону Генри, открытому в 1803 г. Количество газа, растворенное при данной температуре в определенном объеме жидкости при равновесии прямопропорционально давлению газа над растворам.
С(Х)=Кг(Х)-Р(X), где:
С(Х) - концентрация газа Х в насыщенном растворе, моль дм-3 ;
Кг - константа Генри, моль дм -3 Па-1, Кг зависит от природы газа и растворителя, от температуры;
Р(Х) - давление газа над раствором. Па.
При растворении в жидкости смеси газов при постоянной температуре растворимость каждого из компонентов газовой смеси пропорциональна парциальному давлению компонента над жидкостью и не зависит от общего давления газовой смеси и индивидуальности других компонентов. Это закон Дальтона. Парциальным называется часть общего давления, которое приходится на долю каждого газа в газовой смеси. Т.о. общее давление газовой смеси складывается из суммы парциальных давлений газов, входящих в состав данной смеси.
Pобщее=P1+P2+P3+…Pi
Знание законов Генри и Дальтона позволяет анализировать газообмен в организме, протекающий в основном в легких. Поступление газов из воздух в кровь, а также выделение их из организма подчиняется этим законам. Между парциальным давлением газов в крови и в воздухе существует различие, которое и обеспечивает газообмен в организме. Знание законов Генри и Дальтона позволяет объяснить патологии. которые возникают у человека, при его нахождении в условиях высокогорья (4-5 км над уровнем моря), а также на больших глубинах, под водой. В условиях высокогорья возникает т.н. горная болезнь вследствие кислородной недостаточности (гипоксии), т.к. на большие высотах в воздухе уменьшается парциальное давление кислорода, вместе с этим уменьшается его содержание в крови. Во втором случае возможна кессонная болезнь (встречается у водолазов). На глубине около 40 м резко возрастает общее давление. Оно становится близким к 400 кПа (~4 атмосферы). Растворимость газов в крови при этом значительно увеличивается. Растворимость азота в соответствии с законом Генри повышается в 4 раза. При быстром подъеме водолаза с глубины растворенные газы выделяются, т.к. их растворимость уменьшается. Выделяясь в просвет кровеносных сосудов в виде пузырьков, газы вызывают эмболию, т.е. закупорку кровеносных сосудов. Эмболия сопровождается сильными болями, головокружением, и может привести к гибели организма. Для лечении кессонной болезни больных помешают в барокамеры, где создается повышенное давление. При этом газы вновь растворяются в крови. Затем в течение нескольких суток давление в барокамере медленно снижают избыток газов при этом легко удаляется из организма через легкие. Для лечения некоторых видов анемии , газовой гангрены и другие заболеваний применяют оксигенобаротерапию. Больных при этом помещают в специальные палаты с повышенным парциальным давлением кислорода в воздухе, что способствует улучшению снабжения тканей кислородом.
111.Влияние электролитов на растворимость газов.
Выдающийся русский ученый Иван Михайлович Сеченов изучал растворимость газов в физиологических жидкостях и солевых растворах. В 1950 г. Сеченов остановил, что растворимость газов в растворах электролитов меньше, чем в чистых растворителях. Это закон Сеченова.
С(X)=Со(X)e-KcCэ ,где:
С(Х) - растворимость газа Х в растворе электролита;
С0(Х) - растворимость газа Х в чистом растворителе;
е -основание натурального логарифма (е=2,7183);
Кс - константа Сеченова , зависит от природы газа и электролита, а также от температуры;
Сэ - концентрация электролита, моль дм-3.
Одной из причин понижения растворимости газов в растворах электролитов является гидратация ионов электролита, в результате чего в растворе уменьшается концентрация свободных молекул растворителя, и т.о. понижается его растворяющая способность. В крови и других биологических жидкостях содержатся ионы электролитов (напр., К+, Nа+, Са2+, Мg2+, НРО2-, НСО3-, С1- и другие). Благодаря присутствию электролитов растворенные газы легко удаляются из биологических жидкостей. Это имеет огромное значение в процессах дыхания и обмена веществ в оргазме.