Коллигативные свойства растворов 1 Лекция 5 для студентов 1 курса, обучающихся по специальности Медицинская кибернетика Лектор: ст.преподаватель Руковец Татьяна Анатольевна Красноярск, 2013 Кафедра биологической химии с курсами медицинской, фармакологической и токсикологической химии

Цель лекции Дать представление о коллигативных свойствах разбавленных растворов электролитов для понимания роли осмоса в биологии и медицине. 2

План лекции Актуальность темы Понятие о коллигативных свойствах разбавленных растворов электролитов Осмос и осмотическое давление Закон Вант Гоффа Значение осмоса в биологии и медицине Гемолиз и плазмолиз Осмометрия Давление насыщенного пара раствора. Закон Рауля. Следствия закона Рауля : изменение температуры фазовых переходов (t кип, t пл ) Криоскопия и эбулиоскопия Значение знаний коллигативных свойств растворов 3

Коллигативные свойства - это свойства растворов, которые не зависят от природы растворенного вещества, его массы, размеров, а зависят только от количества отдельных его частиц в растворе. 4

Коллигативные свойства Для разбавленных растворов ( а значит, по своему состоянию близких к идеальным ) такими свойствами являются : Осмотическое давление Понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором по сравнению с чистым растворителем Повышение температуры кипения раствора и понижение температуры замерзания раствора по сравнению с чистым растворителем 5

Актуальность Изучение коллигативных свойств разбавленных растворов служит одним из наиболее распространенных способов определения М ( Х ), степени диссоциации α, изотонического коэффициента i. кроме того, зная одно свойство, можно рассчитать и все остальные 6

Осмос и осмотическое давление 7 Исходная позиция Убираем пере- городку Оставляем пере- городку Перегородка полупроницаемая сахар вода сахар вода h Любая система самопроизвольно стремится к максимальному беспорядку Результат Двусторонняя диффузия Односторонняя диффузия воды h – разность гидростатических столбов, мм рт.ст. Итог: Концентрация сахара

Осмос и осмотическое давление ОСМОС – это односторонняя диффузия растворителя из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией через полупроницаемую перегородку. 8

Осмос и осмотическое давление Односторонняя диффузия растворителя через полупроницаемую перегородку ( осмос ) будет происходить до тех пор, пока её не остановит определенная разность гидростатических столбов. Давление, которое надо приложить со стороны раствора с большей концентрацией, чтобы остановить осмос, называется осмотическим давлением раствора. 9

От чего зависит осмотическое давление ? В. Пфеффер (1877) установил, что Р осм зависит прямо пропорционально от концентрации растворенного вещества и температуры. Вант - Гофф – « зависимость осмотического давления раствора от указанных факторов должна выражаться по тому же закону, что и зависимость давления идеального газа от этих факторов ». 10

Закон Вант - Гоффа (1887) Осмотическое давление раствора равно тому давлению, которое производило бы растворенное вещество, если бы оно при той же температуре находилось в газообразном состоянии и занимало объем, равный объему раствора. 11

Закон Вант - Гоффа ( продолжение ) Р осм идеального раствора можно вычислить по уравнению Менделеева - Клайперона : PV = nRT где Р = Р осм, V – объем, занимаемый раствором, n – число молей растворенного вещества, R – универсальная газовая постоянная = 0,082 л · атм / моль · град. К = 8,31 л · кПа / моль · град. К 12

Закон Вант - Гоффа ( продолжение ) или Р осм = = C M RT Осмотическое давление растворов неэлектролитов прямо пропорционально молярной концентрации раствора. Растворы, имеющие одинаковое осмотическое давление, называются изотоническими Раствор А является гипертоническим по отношению к раствору В, если Р осм ( А ) > Р осм ( В ) Раствор А является гипотоническим по отношению к раствору В, если Р осм ( А ) < Р осм ( В ) 13 n V RT (1)

Осмотическое давление растворов электролитов Электролиты в растворе распадаются на ионы, и концентрация кинетических (« дочерних ») частиц становится больше аналитической. Поэтому осмотическое давление растворов электролитов больше осмотического давления растворов неэлектролитов. И для Р осм ( эл - та ) пришлось вводить множитель i, называемый изотоническим коэффициентом. Р осм ( эл - та ) = i C M RT 14

Изотонический коэффициент i показывает, во сколько раз осмотическое давление электролитов больше осмотического давления неэлектролитов при одинаковой их аналитической концентрации. i = 1+ α (s – 1), где α – степень диссоциации электролита s – число частиц, на которое распадается одна молекула 15

Роль осмоса в биологических процессах Осмос является одной из причин поступления воды и растворенных в ней веществ из почвы к листьям растений. Давление, создаваемое этой водой, придает клеткам упругость и напряжение ( тургор ). 16

Роль осмоса в биологических процессах ( продолжение ) Осмос лежит в основе целого ряда физиологических процессов, протекающих в организме человека и животных : Распределение воды в тканях При купании в морской воде замечается покраснение глаз с незначительными болевыми ощущениями ( осмос воды из глазного яблока в морскую воду ) При купании в пресной воде болевые ощущения, резь в глазах более заметны, ибо при этом осмос воды направлен внутрь глазного яблока. 17

Плазмолиз Если растительная ( или животная ) клетка попадает в среду раствора с повышенной концентрацией солей и других растворимых веществ, то это приводит к осмосу, при котором вода диффундирует из клетки к раствору. При этом протоплазма отслаивается от оболочки, клетка сморщивается, а все растение теряет тургор и устойчивость. Это явление называется плазмолизом. 18

Р осм ( крови человека ) = const и достигает 740 – 780 кПа или 7,4 – 7,8 атм при 37 0 С Оно обусловлено гл. образом присутствием в крови катионов и анионов и в меньшей степени – осмотическими свойствами коллоидных частиц – белков. Осмотическое давление, создаваемое белками, называют онкотическим давлением ( это 2,5 – 4 кПа ) 19

Осмолярная концентрация растворенных в крови веществ 20 В медицинской и фармацевтической практике изотоническими называют растворы, осмотическое давление которых равно осмотическому давлению плазмы крови: Р осм (р-ра) =Р осм (плазмы крови )

Физиологические растворы это изотоничные крови растворы : 0,85 % NaCl 4,5 – 5 % раствор глюкозы Нефизиологические растворы Если Р осм ( р - ра ) > Р осм ( плазмы ), то раствор является гипертоническим. Если Р осм ( р - ра ) < Р осм ( плазмы ), то раствор является гипотоническим. 21

Плазмолиз эритроцитов Если вводимый в вену р - р гипертоничен, то будет происходить осмос воды из эритроцитов в окружающую плазму. Эритроциты обезвоживаются и сморщиваются 22 Р1Р1 Р2Р2 Р2Р2 >Р1Р1 Плазмолиз

Гемолиз эритроцитов Если вводимый в вену р - р гипотоничен по отношению к плазме, то осмос воды будет осуществляться в обратном направлении – внутрь эритроцитов. Эритроциты увеличиваются в объеме, что может привести к разрыву оболочки. В результате гемоглобин выходит в плазму. Это явление называется гемолизом или эритроцитолизом. 23 Р1Р1 Р2Р2 Н2ОН2О Р 2 < P 1

Гемолиз эритроцитов ( продолжение ) Начальная стадия гемолиза наступает уже при снижении осмотического давления плазмы до 360 – 400 кПа (3,6 – 4,0 атм ), а полный гемолиз – при снижении Р осм до 260 – 300 кПа (2,6 – 3,0 атм ) 24

Гемолиз и плазмолиз 25

26 Давление насыщенного пара над раствором. Пар – это газообразное состояние в - ва, которое есть при любой температуре и над любым веществом, будь оно твердым или жидким. А ж А г - Q испарение конденсация А т А г – Q сублимация кристаллизация (1) (2)

27 Давление насыщенного пара над раствором ( продолжение ) Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным при данной температуре. Максимальное давление, которое оказывает такой пар на стенки сосуда, называется давлением насыщенного пара ( Р насыщ. )

28 Давление насыщенного пара над раствором ( продолжение ) Процессы испарения или сублимации – это эндотермические процессы. Поэтому, согласно принципу Ле - Шателье, повышение температуры смещает равновесие (1) и (2) вправо ( чтобы ослабить это воздействие – забрать тепло ).

29 Давление насыщенного пара над раствором ( продолжение ) Таким образом, давление насыщенного пара Р насыщ. повышается с повышением температуры у любых веществ ( будь то чистая вода или раствор ).

30 Давление насыщенного пара над раствором ( продолжение ) Давление насыщенного пара растворителя над раствором при любой температуре будет ниже, чем над чистым растворителем. Молекулярно - кинетическая теория это объясняет тем, что растворенное в воде вещество ( нелетучее само по себе ) связывает молекулы воды, и при данной температуре их будет меньше переходить в газообразное состояние.

31 Закон Рауля Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором по сравнению с чистым растворителем при данной температуре равно мольной доле растворенного вещества : Р о - Р РоРо =N(х) где Р о – давление насыщенного пара над чистым растворителем, Р – давление насыщенного пара над раствором, N – мольная доля растворенного вещества.

32 Мольная доля N(X) = Учитывая, что массы веществ в системе пропорциональны их массовым долям, т. е. мы получим выражение закона Рауля в виде : n(x) n(x)+n(р-ля) m(x) m(р-ля) = ω(x) ω(р-ля) ΔРΔР РоРо = ω(x) ω(р-ля) М(р-ля) М(х)М(х)

33 Закон Рауля ( продолжение ) Нетрудно показать, что закон Рауля может быть выражен и через моляльную концентрацию С м ΔРΔР РоРо = ω(x) 1 - ω(х) М(р-ля) М(х)М(х) ΔРΔР РоРо = С % (x) 100 – С % (х) М(р-ля) М(х)М(х) – ΔРΔР РоРо = СМСМ 1000 М(р-ля) –

34 Что такое моляльная концентрация ? Моляльная концентрация С М – это количество моль растворенного вещества в 1000 г растворителя : – n(x) = СМСМ – m(р-ля) 1000 = m(х) m(р-ля) М(х)М(х) 1000 СМСМ – = ω(х)ω(х) ω (р-ля) М(х)М(х) 1000 = C % (х)· 10 ω (р-ля)

35 Понятно, что закон Рауля может быть выражен и через мольную долю растворителя N( р - ля ). Давление насыщенного пара растворителя над раствором пропорционально мольной доле растворителя : N(р-ля) Р РоРо = [1 - N(х)]= РоРо Закон Рауля (продолжение)

36 Закон Рауля для электролитов ( продолжение ) Для разбавленных растворов электролитов во все полученные выражения закона Рауля необходимо ввести изотонический коэффициент. Например, Р о - Р РоРо =ί N(х) ΔРΔР РоРо =

37 Следствия закона Рауля Рауль установил, что повышение температуры кипения раствора Т кип или понижение температуры замерзания раствора Т з по сравнению с чистым растворителем пропорционально моляльной концентрации неэлектролита : где К э - эбулиоскопический коэффициент, К кр – криоскопический коэффициент, имеющие размерность градК · кг / моль Δ t кип = К Э С М – Δ t з = К кр С М –

38 Физический смысл К э и К кр Если взять 1 М раствор неэлектролита, тогда К э покажет насколько градусов повысится температура кипения 1 М раствора, а К кр покажет насколько градусов понизится температура замерзания 1 М раствора по сравнению с чистым растворителем. Вывод : эти константы не зависят от природы растворенного вещества, его концентрации, а зависят только от природы растворителя. – – – –

39 растворитель Н 2 О бензол этанол К э град К кг/моль 0,52 2,57 1,23 К кр град К кг/моль 1,86 5,12 - Константы К э и К кр

40 Для растворов электролитов Экспериментальное определение Δ t з и Δ t кип лежит в основе таких методов исследования, как криометрия и эбулиометрия. По этим данным можно определять М ( х ), ί, и степень чистоты образцов, а также другие коллигативные свойства, например, и Р осм по и можно рассчитать С м Δ t кип = ί К Э С М Δ t з = ί К кр С М – – Δ t кип Δ tзΔ tз

Выводы Законы Рауля лежат в основе экспериментальных методов определения молярных масс растворимых веществ – эбулиоскопии и криоскопии. Осмос играет значительную роль биологии ( поступление воды из почвы по стеблю к листьям ; а также в медицине и фармации ( применение изотонических растворов, действие некоторых слабительных средств. 41

Конец лекции Благодарю за внимание ! 42