Вчення про розчини. Колігативні властивості розчинів

Визначення та поняття
Розчини – це гомогенні термодинамічно стійкі системи, що складаються з 2-х і більше речовин, співвідношення яких визначається їх взаємною розчинністю.
Розчин – це однорідна система, яка складається з двох і більше компонентів: розчинника, розчинених речовин і продуктів їх взаємодії.

Визначення та поняття
Розчинність– це здатність речовини розчинятися в тому чи іншому розчиннику.
Розчинник – це речовина, якої за масою або за об'ємом більше.

Класифікація розчинів
За агрегатним станом:
Газоподібні (повітря – N2+O2+He+CO2)
Рідкі (NaOH+H2O; NaCl + H2O)
Тверді (сплави – Fe+Ni+Co)
2. За здатністю проводити електричний струм:
Розчини електролітів - проводять електричний струм (водні розчини OH-, H+, солей)
Розчини нелектролітів – не проводять електричний струм (розчини більшості органічних речовин та оксидів )

Классифікация розчинів
3. Розчини ділять на насичені, ненасичені і пересичені.
Насичені розчини - це розчини в яких при даній температурі не може розчинятися додаткова кількість розчиненої речовини.
4. За розміром часток
розчиненої речовини:
Істині та
Колоїдні або дисперсні

Розчинність
Кількісно розчинність (Р) виражають відношенням маси речовини (г) до об'єму або маси розчинника ( л).
Р=m(речовини)/V(розчинника)
За розчинністю речовини ділять на:
Розчинні;
Малорозчинні;
Нерозчинні.

Дисперсні системи
Дисперсні системи це гетерогенні системи, які характеризуються дисперсністю.
Дисперсність – це величина, зворотна розміру часток. До дисперсних системх відносять суспензії та емульсії.
Суспензіями називають мікрогетерогені системи з рідким дисперсійним середовищем і твердόю дисперсною фазою.
Емульсіями називають дисперсні системи, в яких дисперсійне середовище і дисперсійна фаза рідкі.

Ідеальні розчини
Розчин складається з розчиненої речовини та розчинника (В). Між одноіменними молекулами, а також між молекулами різноіменних речовин існує взаємодія.
Ідеальні розчини – це розчини у яких сили взаємодії між одноіменними і різноіменними частками є рівними і ними можна знехтувати.

Фізична теорія утворення розчинів .
Засновниками даної теорії є Арреніус, Оствальд та Вант-Гофф. Ці вчені розглядали процес розчинення як рівномірний механічний розподіл часток розчиненої речовини по всьому об'єму розчинника.

Хімічна теорія утворення розчинів
Основні тези хімічної теорії були представлені в 1887 році Д. І. Менделєєвим. В подальшому цю теорію розвивали І. А. Каблуков, Н. С. Курнаков.
Хімічна теорія розглядає розчини, як системи, утворені частками розчинника, розчиненої речовини і нестійких хімічних сполук, які утворюються між ними.

Гідрати (сольвати) виникають не за рахунок основних хімічних зв'язків, а за рахунок Ван-дер-Ваальсових сил або водневого зв'язку. Оскільки енергія цих зв'язків є незначнόю, то сполуки, що утворились не відрізняються великою міцністю і можуть легко руйнуватися. При розчиненні речовин з іонною структурою молекули розчинника утримуються біля іона силами іон-дипольної взаємодії.
Хімічна теорія утворення розчинів

При розчиненні речовин з молекулярною структурою сольвати (гідрати) утворюються внаслідок диполь-дипольної взаємодії. Диполі розчиненої речовини можуть бути при цьому постійними або наведеними, тобто індукованими дією розчинника.
Хімічна теорія утворення розчинів

Сучасна теорія утворення розчинів
Сучасна теорія розчинення об'єднує фізичну і хімічну теорії і розглядає розчинення, як складний фізико-хімічний процес, що складається з двох стадій:
1. Стадії гідратації (сольватації) на якій молекули води (розчинника) оточують молекули речовини, утворюючи гідрати або сольвати.
2. На другій стадії відбувається дифузія гідратів (сольватів) в різні частини системи. Цей процес призводить до однорідності системи.

Сучасна теорія утворення розчинів
Стадія гідратації екзотермічна, а стадія розчинення ендотермічна. Загальний тепловий ефект процесу складається з суми двох теплових ефектів:
ΔНзаг = ΔНст. гідрат. + ΔНст. р-чинення
Якщо ΔНст. гідрат. > ΔНст. р-чинення, при розчиненні таких речовин у воді тепло виділяється.
Наприклад: розчинення кислоти сульфатної у воді. Якщо ΔНст. гідрат. < ΔНст. р-чинення, то для розчинення таких речовин у воді необхідно затратити енергію. Наприклад: розчинення натрій тіосульфату у воді, розчинення сахарози у воді.
Якщо ΔНст. гідрат.≈ΔНст. р-чинення, на розчинення таких речовин температурний фактор майже не впливає.

Розчинність твердих речовин

Як правило, з підвищенням температури розчинність більшості твердих речовин підвищується. При обережному охолодженні таких систем отримують пересичені розчини.
Розчинність твердих речовин

Розчинність газів
На розчинність газів у рідинах впливає температура і тиск.
Залежність розчинності газів від тиску виражають законом Генрі:
Маса газу, який розчиняється за постійної температури в даному об'ємі речовини, прямо пропорційна порціальному тиску газу
W=kp,
де W-масова концентрація,
р-тиск,
k-коефіцієнт пропорційності (стала Генрі)

Газові закони
Закон Сєченова - розчинність газів в рідинах знижується в присутності електролітів
де So - розчинність газу в чистій воді;
S - розчинність газу в розчині електроліту, за тієї ж температури;
С – концентрація електроліту;
e- основа натурального логарифму;
K - емпірична константа, що залежить від природи газу, електроліту та температури.
S=Soe-KC

Кесо́нна хвороба — різке зниження тиску призводить до "закипання" крові через виділення розчинених в ній газів.
Розчинені в крові гази починають виділятися у вигляді пухирців і руйнувати стінки клітин та кровоносних судин, блокувати кровотік, що може призвести до паралічу або смерті.
Виникає у водолазів при різкому піднятті з глибин на поверхню, коли тиск різко зменшується і одночасно зменшується розчинність газів у крові.

Гірська хвороба - виникає як кисневе голодування при підйомі в гори (перебування в розрідженому повітрі з низьким парціальним тиском кисню)
ОТЖЕ,
ІСНУЄ ЗБІЛЬШЕННЯ РОЗЧИННОСТІ ГАЗІВ ПРИ ЗРОСТАННІ ТИСКУ І ЗМЕНШЕННЯ РОЗЧИННОСТІ ГАЗІВ В КРОВІ ПРИ ЗМЕНШЕННІ ТИСКУ!

Способи вираження концентрації
1. Масова частка W – це відношення маси розчиненої речовини (m р-ни) до маси розчину(mp-ну)
Молярна частка Wm – це відношення кількості розчиненої речовини (n) до загальної кількості всіх речовин в розчині (Σn).

Способи вираження концентрації
3. Молярна концентрація (См) показує яку кількість речовини (n) розчинено в 1 л розчину(V)
4. Молярна концентрація еквиваленту (Сн) показує яка кількість моль еквівалентів (nек) розчиненої речовини міститься в 1 літрі розчину

Способи вираження концентрації
6. Титр (Т) показує скільки грамів речовини (m р-ни) розчинено в 1 мл розчину(V р-ну)
5. Моляльність (Сm) показує яка кількість речовини (n) припадає на 1 кг розчинника (m р-ка)

Закон Рауля. Колігативні властивості розчинів.
Ф. Рауль встановив, що: Для ідеальних (розбавлених) розчинів тиск насиченої пари розчинника над розчином рi є пропорційним його молярній частці х1 в розчині
Р = Рi0Хi,
де Рi0 - тиск насиченої пари чистого розчинника
Чистий розчин-ник
Розчин

Закон Рауля. Колігативні властивості розчинів.
Друге формулювання цього закону:
Відносне зниження тиску насиченої пари розчинника над розчином дорівнює молярній частці розчиненої речовини.
Відносне зниження тиску насиченої пари розчинника над розчином не залежить від природи розчиненої речовини, а визначається тільки числом часток у розчині. Такі властивості розчинів називають колігативними.

Кріоскопія
Зменшення тиску насиченої пари над розчином призводить до зниження температури замерзання. Іншими словами температура замерзання розчинника завжди вище, ніж температура замерзання розчину.
ΔТзам = К·m,
де m - моляльність, К - кріоскопічна стала.
Кріоскопічна стала чисельно дорівнює температурі замерзання одномоляльного розчину.

Кріоскопія

Колігативні властивості розчинів. Ебуліоскопія
Підвищення температури кипіння розчинів нелетких речовин ΔTк = Tк р-ка – Tк р-ну є пропорційним зниженню тиску насиченої пари і прямо пропорційним моляльній концентрації розчину.
Температура кипіння розчину нелеткої речовини завжди вище, ніж температура кипіння розчинника.
ΔТкип = Е·m,
де m - моляльність, Е - ебулиоскопічна стала
Ебулиоскопічна стала чисельно дорівнює температурі кипіння одномоляльного розчину.

Ебуліоскопія
1 — колба; 2 — трубка; 3 — градуйована мензурка; 4 — отвір для випускання пари; 5 — термометр Бекмана; 6 — запобіжна трубка
Холодильник
Нагрівання
3
4
5
2
6

Закон Рауля

Дифузія та осмос в розчинах
Дифузія — це мимовільний процес вирівнювання концентрації розчиненої речовини в результаті хаотичного теплового руху часток розчину. Швидкість дифузії описується законом Фіка:

Дифузія в організмі:
Транспорт (перенос) поживних речовин та продуктів обміну в тканинах.
Газообмін в легенях: внаслідок різниці тиску СО2 і О2 венозної крові і повітря - кисень з легень проникає у кров, а з крові - в тканини.
Внаслідок дифузії газів
склад повітря біля
поверхні Землі
однорідний.

Осмос.
Осмотичний тиск.
Процес дифузії речовини через напівпроникну мембрану називають осмосом. А той тиск, який необхідно прикласти в процесі осмосу до розчину осмотичної клітинки, щоб досягти рівноваги, називаєють осмотичним тиском.
Я. Вант-Гофф з'ясував, що осмотичний тиск розбавлених розчинів підкоряється законам ідеального газу і сформулював наступний закон, який носить назву закону Вант-Гоффа :

Закон Вант-Гоффа
Осмотичний тиск розчину дорівнює такому тиску, який мала би розчинена речовина, якщо б вона за даної температури була в газоподібному стані й займала б такий же об'єм, який займає розчин.
Розрахунок осмотичного тиску проводять за формулою:
або

Закон Вант-Гоффа
В розчинах електролітів кількість часток в одиниці об'єму розчину більше, так як кожна молекула речовини дисоціює на певну кількість іонів.
Розрахунок осмотичного тиску розчинів електролітів проводять за формулою:

Усі тканинні рідини (кров, лімфа) є водними розчинами органічних та мінеральних речовин, низько- та високомолекулярних електролітів та неелектролітів. Вони мають певний осмотичний тиск (π). При патологічних явищах у тканинах він може коливатись (напр. в осередку запалення у 2-3 рази перевищує норму).
3. Осмотичний тиск крові людини
при 37°С (310°К) рівний 740-780 кПа або 7,4 – 7,7 атм.
(він зумовлений
електролітним складом крові, зокрема вмістом NaCl).

Частину осмотичного тиску, зумовлену білками крові (альбумінами, глобулінами) називають онкотичним тиском (3,5 – 3,9 кПа), що становлять 0,5% загального тиску крові.
При зниженні вмісту білка в крові (голодування, порушення діяльності травного тракту, втрата білка з сечею при захворюванні нирок) виникає різниця онкотичного тиску у тканинах та крові.
При цьому вода накопичується у тканинах і виникають онкотичні набряки підшкірної клітковини ("голодні" та "ниркові" набряки).

Ізотонічність
Кров, лімфа та інші тканинні рідини організму людини мають осмотичний тиск приблизно 800 кПа., такий же осмотичний тиск у 0,9% водного розчину натрій хлориду.

Осмотичному тиску крові людини відповідає осмомолярна концентрація розчинених в плазмі речовин, яка становить
0,287- 0,303 моль/л.
4. ІЗОТОНІЧНИЙ РОЗЧИН – це розчин,
який має осмотичний тиск, рівний осмотичному тиску рідин організму
(крові, плазми, лімфи та ін.):
це 0,85 - 0,9% розчин NaCl (0,146 моль/л),
та 4,5 - 5% розчин С6Н12О6 (0,303 моль/л).
Фізіологічні розчини
(вводять внутрівенно без обмежень)

За величиною осмотичного тиску розчини поділяються на:
1. ізотонічні – мають осмотичний тиск, який рівний стандарту (напр. крові, тобто ~ 750 кПа);
2. гіпертонічні – мають більший
осмотичний тиск (і вищу концентр.);
3. гіпотонічні – мають нижчий осмотичний тиск ( і меншу концентрацію розчинених речовин.)

Еритроцит помістили в :
0,1 % NaCl 0,9 % NaCl 10 % NaCl
Ендоосмос Екзоосмос
ГІПОТОНІЧНИЙ ІЗОТОНІЧНИЙ ГІПЕРТОНІЧНИЙ
нічого не
ГЕМОЛІЗ змінилося ПЛАЗМОЛІЗ

ГІПЕРТОНІЧНІ розчини - вводять в кров
повільно в невеликих кількостях.
ПЛАЗМОЛІЗ - різке зменшення об’єму та зморщення еритроцита при втраті води.
використовують в хірургії як зовнішні для змочування марлевих пов’язок, які вводять
у гнійні рани (за законом осмосу рідина з рани прямує по марлі назовні, що сприяє очищенню рани від гною, мікроорганізмів, продуктів розкладу);
як послаблююче (напр. МgSO4, Nа2SO4, які погано всмоктуються шлунково-кишковим трактом), внаслідок осмосу відбувається перехід великої кількості води із слизової оболонки в просвіт кишечника.

ГІПОТОНІЧНІ розчини внутрішньовенно НЕ ВВОДЯТЬ!!!
Це зумовлено явищем ГЕМОЛІЗУ -молекули води надходять всередину еритроцитів, внаслідок чого вони збільшуються в об’ємі і руйнуються, оболонка розтріскується.
Процес гемолізу незворотний.
Початкова стадія гемолізу настає при зниженні осмотичного тиску у плазмі до 400-360 кПа, а повний гемоліз - при зниженні тиску до 260-300 кПа.

Осмос відіграє важливу роль у багатьох біологічних процесах:
Мембрана, що оточує клітину, проникна лише для молекул води, кисню, деяких розчинених у крові поживних речовин і продуктів клітинної життєдіяльності. Для великих білкових молекул, вона непроникна. Тому білки, важливі для біологічних процесів, залишаються всередині клітини.
Гемодіаліз - видалення продуктів життєдіяльності або отруйних речовин з крові за допомогою діалізу (для хворих з порушенням функції нирок - апарат «штучна нирка».