Химические равновесия в биологических системах
Анализ химических равновесий играет значительную роль при решении биохимических проблем. Как правило, в этих целях используют термодинамический подход. Это действительно удобно, так как термодинамический аппарат дает возможность анализировать только начальное и конечное состояние без учета интермедиатов (промежуточных продуктов), число которых может составлять несколько десятков.
С другой стороны, если сложную биологическую систему трудно описывать при помощи термодинамических средств, то её разделяют на более простые компоненты. Важные составные части, поддаю-щиеся термодинамическому анализу, включают в себя:
1) метаболические реакции;
2) кислотно-основные равновесия;
3) окислительно-восстановительные реакции;
4) ионные процессы;
Суть термодинамического анализа заключается в следующем: по термодинамическим характеристикам (DH0, DS0, DG0) определяют значение константы равновесия, которое в дальнейшем используют для расчета равновесного состава системы. Иногда решают обратную задачу: проводят химический анализ биологической системы (клетки, мышцы и т. д.), по закону действующих масс рассчитывают величины констант имеющихся химических равновесий, по которым, в свою очередь, рассчитывают термодинамические величины.
Рассмотрим некоторые примеры.
Пример 5.Одной из стадий метаболизма глюкозы является реакция изомеризации глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат:
глюкозо-6-фосфат ⇄ фруктозо-6-фосфат ΔG0 = 1,7 кДж/моль.
Определить, является ли реакция практически обратимой (или необратимой) при 370С, указать направление смещения равновесия и рассчитать степень превращения.
Решение.
По формуле (30) рассчитаем константу равновесия:
;
.
Так как значение K < 1 (но не << 1), то реакция является практически обратимой, а равновесие при стандартных условиях смещено влево.
Обозначим исходное количество (молярную концентрацию) и количество прореагировавшего глюкозо-6-фосфата за «а» и «х» соответственно. Тогда:
[фруктозо-6-фосфат] = x;
[глюкозо-6-фосфат] = а - x.
Подставим переменные в выражение для K:
.
Решая это уравнение, найдем:
Таким образом, только 34% глюкозо-6-фосфата подвергается изомеризации.
Формулы, связывающие степень превращения (выход) с константой равновесия, для реакций различных типов, приведены в таблице 3.
Пример 6.Фермент альдолаза катализирует переход фруктозо-1,6-дифосфата (ФДФ) в дигидроацетонфосфат (ДГАФ) и глицеральдегид-3-фосфат (ГАФ), протекающий обратимо по уравнению:
ФДФ ⇄ ДГАФ + ГАФ
В физиологических условиях (t0 » 370C) концентрации этих соединений в эритроцитах составляют: C (ФДФ) = 35 мкмоль/л; C (ДГАФ) = 130 мкмоль/л; C (ГАФ) = 15 мкмоль/л. Определить направление самопроизвольного протекания процесса в данных условиях, если ΔG0 = 23,8 кДж/моль.
Решение.
Запишем для данной реакции уравнение изотермы Вант-Гоффа:
Таким образом, в реальных условиях ΔG < 0 и реакция будет самопроизвольно протекать в прямом направлении.
Таблица 3. Формулы для расчета степени превращения[14].
| Уравнение реакции | 
| Уравнение реакции | х |
| A ⇄ B | 
| A ⇄ 2B | 
|
| A + B ⇄ C + D | 
| A ⇄ B + С | 
|
| A + B ⇄ 2C | 
| A + B ⇄ C | 
|
а - исходное количество (молярная концентрация) реагентов;
x - количество (молярная концентрация) прореагировавшего вещества;
K - константа равновесия.
Примеры решения задач
Задача №1
При определённых условиях в системе установилось равновесие:
2А + B ⇄ 2C.
Равновесные концентрации веществ составили: [A] = 4 моль/л; [B] = 6 моль/л; [C] = 12 моль/л. Определить:
1) значение константы равновесия;
2) является ли при данных условиях реакция практически обратимой (или необратимой);
3) направление смещения равновесия;
4) исходные концентрации веществ A и B.
Решение.
Значение константы равновесия найдем через закон действующих масс:
Так как 1 < KC < 105, то реакция является практически обратимой и равновесие смещено вправо.
Исходные концентрации равны сумме равновесных концентраций и концентраций вступивших в реакции веществ. Последние можно определить из стехиометрических соотношений:
С(A)прореаг. = [C] = 12 моль/л;
С(B)прореаг. = 
= 6 моль/л.
Отсюда:
С0(A) = [A] + С(A)прореаг. = 4 + 12 = 16 моль/л;
С0(B) = [B] + С(B)прореаг. = 6 + 6 = 12 моль/л.
Задача №2
Реакция образования йодистого водорода протекает по уравнению:
H2(газ) + I2(газ) ⇄ 2HI(газ).
Исходные концентрации веществ: С0(H2) = 0,02 моль/л; С0(I2) = 0,04 моль/л. Известно, что равновесие в системе установилось, когда в реакцию вступило 50% Н2. Вычислить константу химического равновесия и определить направление смещения равновесия при:
1) увеличении концентрации I2;
2) уменьшении концентрации HI;
3) увеличении давления.
Решение.
Исходя из уравнения реакции, определяем концентрации веществ, прореагировавших между собой:
С(H2)прореаг. = 0,5·0,02 = 0,01 моль/л;
С(I2)прореаг. = С(H2)прореаг. = 0,01 моль/л.
Находим равновесные концентрации:
[HI] = 2×С(H2)прореаг. = 0,02 моль/л (по уравнению реакции);
[H2] = С0(H2) - С(H2)прореаг. = 0,02 - 0,01 = 0,01 моль/л;
[I2] = С0(I2) - С(I2)прореаг. = 0,04 - 0,01 = 0,03 моль/л.
Подставляем равновесные концентрации в выражение для константы равновесия:
Увеличение концентрации I2 и уменьшение концентрации HI приведет к сдвигу равновесия в направлении прямой реакции. Увеличение давления не вызовет сдвига равновесия, так как число моль газов в левой и правой частях уравнения одинаково.
Задача №3
При определённых условиях константа равновесия реакции:
CO2(газ) + H2(газ) ⇄ CO(газ) + H2O(пар)
равна 1.
Исходные концентрации СO2 и H2 составили соответственно 0,2 моль/л и 0,8 моль/л. Рассчитать равновесный состав системы.
Решение.
Обозначим концентрации С(СО2) и С(Н2), вступивших в реакцию, через «х». Тогда:
[СO2] = [H2O] = x;
[СO2] = 0,2 - х;
[H2] = 0,8 - х.
Запишем выражение для константы равновесия:
x2 = 0,16 - 0,2x - 0,8x + x2
x = 0,16.
Равновесные концентрации всех веществ равны:
[СO] = [H2O] = 0,16 моль/л;
[СO2] = 0,2 - 0,16 = 0,04 моль/л;
[H2] = 0,8 - 0,16 = 0,64 моль/л.
Задача №4
Рассчитать константу химического равновесия KС для реакции:
NO2(газ) + SO2(газ) ⇄ NO(газ) + SO3(жидк.)
по известным данным:
| NO2 | SO2 | NO | SO3 | |
 , кДж/моль
| –300 | –370 |
Определить является ли реакция практически обратимой (или необратимой) при 250С.
Решение.
Рассчитаем стандартную энергию Гиббса реакции по первому следствию из закона Гесса:
= SО3 + NO - NO2 - SO2 = -32 кДж.
< 0, следовательно, процесс самопроизвольно протекает в прямом направлении.
Величину KC найдем по уравнению (30¢¢¢):
KC > 105, т. е. при данной температуре реакция является практически необратимой.
Задача №5
Для реакции: фумарат + H2O ⇄ малат значения константы равновесия при 250С и 350С равны соответственно 4 и 8.
Рассчитать:
1) стандартную энтальпию реакции;
2) константы равновесия при 300С.
Решение.
Стандартную энтальпию рассчитаем по уравнению изобары химической реакции (33):
Примем T1 = 298 K, T2 = 303 K и преобразуем уравнение (33):
.
Отсюда:
Вопросы для самоконтроля
1. Какие реакции называют обратимыми? Какие необратимыми? Приведите примеры.
2. Что называется химическим равновесием? Сформулируйте термодинамическое и кинетическое определение состояния химического равновесия.
3. Прекращаются ли реакции после наступления равновесия?
4. Как формулируется закон действующих масс для обратимой реакции?
5. Концентрации каких фаз входят в выражение закона действующих масс для обратимой реакции?
6. Что такое константа равновесия?
7. От каких факторов зависит и от каких не зависит константа равновесия?
8. Может ли K быть равной нулю?
9. Какова взаимосвязь между KС и KP?
10. Сформулируйте принцип Ле Шателье. Какие факторы влияют на химическое равновесие?
11. Сформулируйте частные принципы смещения равновесия при изменении температуры, концентрации, давления.
12. Смещает ли равновесие в системе введение в неё катализатора?
Варианты задач для самостоятельного решения
*Для расчета степени превращения можно воспользоваться формулами, приведёнными в таблице 3.
Вариант №1
1. Реакция взаимодействия азота с водородом протекает по уравнению: N2 + 3H2 ⇄ 2NH3. В состоянии равновесия концентрации веществ оказались равны: [N2] = 0,8 моль/л; [H2] = 1,2 моль/л; [NH3] = 1,6 моль/л. Определить:
1) величину константы равновесия;
2) является ли при данных условиях реакция практически обратимой (или необратимой);
3) направление смещения равновесия при данных условиях;
4) исходные концентрации веществ A и B.
2. Ключевой ступенью в биосинтезе триацилглицеринов (жиров) является переход глицерина в глицерин-1-фосфат при помощи АТФ:
глицерин + АТФ ⇄ глицерин-1-фосфат + АДФ
В устойчивом состоянии в живой клетке [АТФ] = 10-3 моль/л и [АДФ] = 10-4 моль/л. Найти соотношение глицерин/глицерин-1-фосфат, если KC = 1,8.
3. Первой стадией метаболизма глюкозы является реакция:
глюкоза + АТФ ⇄ глюкозо-6-фосфат + АДФ,
для которой ΔG0 = -16,7 кДж/моль.
Определить, является ли реакция практически обратимой (или необратимой) при 370С, указать направление смещения равновесия и рассчитать степень превращения, при условии равенства начальных концентраций глюкозы и АТФ.
Вариант №2
1. Константа равновесия для реакции: A + B ⇄ C + D при 800С равна 1. Исходные концентрации веществ A и B составили соответственно 2 и 6 моль/л. Рассчитать равновесный состав системы.
2. Муравьиная кислота диссоциирует в растворе по уравнению:
HCOOH ⇄ HCOO- + H+.
Рассчитать константу равновесия, если начальная концентрация кислоты равна 0,05 моль/л, а концентрация формиат-ионов в состоянии равновесия составляет 0,005 моль/л.
3. Для реакции трансаминирования:
глутамат + пируват ⇄ α-кетоглутарат + аланин
при 300 K константа равновесия равна 1,11.
Определить направление протекания реакции, если:
С(глутамат) = С(пируват) = 0,000025 моль/л;
С(α-кетоглутарат) = С(аланин) = 0,005 моль/л.
Вариант №3
1. Реакция протекает по уравнению: A + B ⇄ 2C. Начальные концентрации веществ A и B составляли соответственно 3 и 6 моль/л. На момент наступления химического равновесия в реакцию вступило 30% A. Определить:
1) величину константы равновесия;
2) является ли при данных условиях реакция практически обратимой (или необратимой);
3) направление смещения равновесия при данных условиях.
2. В водном растворе фермент фумараза позволяет достичь равновесия:
фумарат + H2O ⇄ малат,
которое устанавливается при избытке воды.
При 350С константа равновесия равна 8. Найти начальную концентрацию фумарата, если равновесная концентрация малата составила 0,04 моль/л.
3. Стандартная энергия Гиббса (ΔG0) для реакции гидратации цис-аконитовой кислоты, протекающей по уравнению:
цис-аконитат + H2O ⇄ изоцитрат,
составляет -1,68 кДж/моль.
Рассчитать константу равновесия этой реакции и сделать вывод о практической обратимости этой реакции при 370С. Определить степень превращения, считая концентрацию воды постоянной.
Вариант №4
1. В состоянии химического равновесия в системе: 2A + B ⇄ 2C концентрации веществ составили: [A] = 5 моль/л; [B] = 3 моль/л; [С] = 8 моль/л. Определить:
1) величину константы равновесия;
2) является ли при данных условиях реакция практически обратимой (или необратимой);
3) направление смещения равновесия при данных условиях;
4) исходные концентрации веществ A и B.
2. Пировиноградная кислота диссоциирует в растворе по уравнению:
CH3COCOOH ⇄ CH3COCOO- + H+.
Рассчитать константу равновесия, если начальная концентрация кислоты равна 0,05 моль/л, а концентрация пируват-ионов в состоянии равновесия составляет 0,016 моль/л.
3. Важной реакцией при зрительном возбуждении является гидролиз гуанозинтрифосфата (ГТФ):
ГТФ + H2O ⇄ ГДФ + фосфат,
протекающий при избытке воды.
При 370С константа равновесия равна 2·103. Определить направление протекания процесса при следующих концентрациях веществ: С(ГТФ) = 0,5 ммоль/л; С(ГДФ) = 5 ммоль/л; С(фосфат) = 15 ммоль/л.
Вариант №5
1. Константа равновесия для реакции: A + B ⇄ 2C равна 4. Исходные концентрации веществ A и B составили соответственно 3 и 6 моль/л. Рассчитать равновесный состав системы.
2. В печени протекает обратимый процесс:
глюкозо-6-фосфат ⇄ фруктозо-6-фосфат.
Найти константу равновесия, если исходная концентрация глюкозо-6-фосфата равна 0,05 моль/л, а равновесная концентрация фруктозо-6-фосфата составила 0,0475 моль/л.
3. Стандартная энергия Гиббса (ΔG0) для реакции гидролиза глицил-глицина, протекающей при избытке воды по уравнению:
глицил-глицин + H2O ⇄ 2 глицин
составляет -15 кДж/моль.
Рассчитать константу равновесия этой реакции и сделать вывод о практической обратимости этой реакции при 370С. Определить степень превращения, приняв начальную концентрацию глицил-глицина равной 0,01 моль/л.
Вариант №6
1. Реакция протекает по уравнению: A + B ⇄ 2C. Начальные концентрации веществ A и B составляли соответственно 2 и 4 моль/л. На момент наступления химического равновесия в реакцию вступило 40% A. Определить:
1) величину константы равновесия;
2) является ли при данных условиях реакция практически обратимой (или необратимой);
3) направление смещения равновесия при данных условиях.
2. Второй стадией метаболизма глюкозы является реакция:
глюкозо-1-фосфат ⇄ фруктозо-1-фосфат,
константа равновесия которой при 250С равна 0,5. Найти выход фруктозо-1-фосфата (степень превращения глюкозо-1-фосфата), если исходная концентрация глюкозо-1-фосфата равна 0,1 моль/л.
3. При определённых условиях константа равновесия реакции этерификации, протекающей по уравнению:
CH3COOH + C2H5OH ⇄ CH3COOC2H5 + H2O,
равна 4.
Определить направление протекания процесса при следующих концентрациях веществ: С(CH3COOH) = C(CH3COOH) = 0,25 моль/л; С(CH3COOC2H5) = 0,5 моль/л; С(H2O) = 2 моль/л.
Вариант №7
1. Равновесие в реакции: C2H2 + 2H2 ⇄ C2H6 установилось при концентрациях веществ: [C2H2] = 2 моль/л; [H2] = 3 моль/л; [C2H6] = 8 моль/л. Определить:
1) величину константы равновесия;
2) является ли при данных условиях реакция практически обратимой (или необратимой);
3) направление смещения равновесия при данных условиях;
4) исходные концентрации веществ A и B.
2. Для реакции 2NO2 ⇄ N2O4 при 250С константа равновесия равна 210. Вычислить значение константы равновесия при 400С, если стандартная энтальпия реакции равна -57,4 кДж/моль.
3. Стандартная энергия Гиббса (ΔG0) для реакции окисления этанола в уксусный альдегид, протекающей по уравнению:
C2H5OH + 0,5O2 ⇄ CH3CHO + H2O
составляет -190 кДж/моль. Рассчитать константу равновесия этой реакции и сделать вывод о практической обратимости этой реакции при 250С. Определить степень превращения, считая концентрацию воды постоянной.
Вариант №8
1. Константа равновесия для реакции: 2A + B ⇄ 2C равна 2. Исходные концентрации веществ A и B составили соответственно 10 и 5 моль/л. Рассчитать равновесный состав системы.
2. Уксусная кислота диссоциирует в растворе по уравнению:
CH3COOH ⇄ CH3COO- + H+.
Рассчитать константу равновесия, если начальная концентрация кислоты равна 0,05 моль/л, а концентрация ацетат-ионов в состоянии равновесия составляет 0,0001 моль/л.
3. Для реакции гидролиза АТФ, протекающего по уравнению:
АТФ + H2O ⇄ АДФ + Фосфат,
при 370С константа равновесия равна 2,3·105.
Определить направление протекания процесса в эритроцитах, если концентрации фосфата и АТФ превышают концентрацию АДФ, равную 2,5·10-5 моль/л, в 8 и 13 раз соответственно, а вода присутствует в значительном избытке.
Вариант №9
1. Реакция протекает по уравнению: A + B ⇄ 2C. Начальные концентрации веществ A и B составляли соответственно 3 и 5 моль/л. На момент наступления химического равновесия образовалось 2 моль/л вещества С. Определить:
1) величину константы равновесия;
2) является ли при данных условиях реакция практически обратимой (или необратимой);
3) направление смещения равновесия при данных условиях.
2. Константа равновесия процесса изомеризации 3-фосфо-глицерата в 2-фосфоглицерат при 20 и 300С составляет соответственно 0,1558 и 0,1569. Найти стандартную энтальпию реакции.
3. Третьей стадией гликолиза является реакция:
фруктозо-6-фосфат + АТФ ⇄ фруктозо-1,6-дифосфат + АДФ,
для которой ΔG0 = -14,2 кДж/моль.
Рассчитать константу равновесия этой реакции и сделать вывод о практической обратимости этой реакции при 250С. Определить степень превращения при условии равенства начальных концентраций фруктозо-6-фосфата и АТФ.
Вариант №10
1. Константа равновесия для реакции: A + B ⇄ C + D равна 1. Исходные концентрации веществ A и B составили 2 моль/л, а веществ C и D - 1 моль/л. Рассчитать равновесный состав системы.
2. Константа равновесия реакции:
глутамат + пируват ⇄ кетоглутарат + аланин
при 250С равна 1,5. Найти соотношение аланин/пируват, если равновесные концентрации глутамата и кетоглутарата равны соответственно 10-3 и 10-2 моль/л.
3. На четвертой стадии гликолиза фруктозо-6-фосфат распадается на дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Константа равновесия этого процесса равна 10-4. Определить направление самопроизвольного протекания процесса в физиологических условиях (t0 » 370C), если концентрации этих соединений составляют: C (фруктозо-6-фосфат) = 45 мкмоль/л; C (дигидроксиацетонфосфат) = 120 мкмоль/л; C (глицеральдегид-3-фосфат) = 20 мкмоль/л.
Вариант №11
1. В состоянии химического равновесия в системе: A + B ⇄ 2C концентрации веществ составили: [A] = 2 моль/л; [B] = 4 моль/л; [С] = 8 моль/л. Определить:
1) величину константы равновесия;
2) является ли при данных условиях реакция практически обратимой (или необратимой);
3) направление смещения равновесия при данных условиях;
4) исходные концентрации веществ A и B.
2. Молочная кислота диссоциирует в растворе по уравнению:
CH3CH(OH)COOH ⇄ CH3CH(OH)COO- + H+.
Рассчитать константу равновесия, если начальная концентрация кислоты равна 0,05 моль/л, а концентрация лактат-ионов в состоянии равновесия составляет 0,003 моль/л.
3. Для реакции:
H3PO4 + аденозин ⇄ АМФ + H2O
стандартная энергия Гиббса (ΔG0) составляет 14 кДж/моль.
Рассчитать константу равновесия этой реакции и сделать вывод о практической обратимости этой реакции при 250С. Определить степень превращения аденозина.
Вариант №12
1. Реакция протекает по уравнению: A + 2B ⇄ 3C. Начальные концентрации веществ A и B составляли соответственно 8 и 12 моль/л. На момент наступления химического равновесия в реакцию вступило 60% A. Определить:
1) величину константы равновесия;
2) является ли при данных условиях реакция практически обратимой (или необратимой);
3) направление смещения равновесия при данных условиях.
2. Константа равновесия процесса изомеризации:
3-фосфоглицерат ⇄ 2-фосфоглицерат
при 200С равна 0,1558. Определить равновесный состав системы, если начальная концентрация 3-фосфоглицерата составляет 0,15 моль/л.
3. Для реакции гидролиза АТФ, протекающего по уравнению:
АТФ + H2O ⇄ АДФ + Фосфат,
при 370С константа равновесия равна 2,3·105.
Определить направление протекания процесса в мышечной клетке, находящейся в состоянии покоя, если концентрации АТФ, АДФ и фосфата равны соответственно 5; 0,5 и 5 ммоль/л, а вода присутствует в значительном избытке.
Вариант №13
1. В состоянии химического равновесия в системе: A + 3B ⇄ 2C концентрации веществ составили: [A] = 0,1 моль/л; [B] = 0,4 моль/л; [С] = 1,6 моль/л. Определить:
1) величину константы равновесия;
2) является ли при данных условиях реакция практически обратимой (или необратимой);
3) направление смещения равновесия при данных условиях;
4) исходные концентрации веществ A и B.
2. Константа равновесия реакции:
глутамат + оксалоацетат ⇄ кетоглутарат + аспартат
при 250С равна 7. Найти соотношение аспартат/глутамат, если равновесные концентрации оксалоацетата и кетоглутарата равны соответственно 10-4 и 10-3 моль/л.
3. Стандартная энергия Гиббса (ΔG0) для процесса изомеризации:
дигидроксиацетонфосфат ⇄ глицеральдегид-3-фосфат
составляет 7,5 кДж/моль.
Рассчитать константу равновесия этой реакции и сделать вывод о практической обратимости этой реакции при 250С. Определить степень превращения дигидроксиацетонфосфата.
Вариант №14
1. В состоянии химического равновесия в системе: A + B ⇄ 2C концентрации веществ составили: [A] = 0,5 моль/л; [B] = 0,4 моль/л; [С] = 0,08 моль/л. Определить:
1) величину константы равновесия;
2) является ли при данных условиях реакция практически обратимой (или необратимой);
3) направление смещения равновесия при данных условиях;
4) исходные концентрации веществ A и B.
2. Константа равновесия реакции:
2-фосфоглицерат ⇄ фосфоенолпируват + H2O,
протекающей при избытке воды, равна 0,5. Найти равновесные концентрации веществ, если начальная концентрация 2-фосфоглицерата равна 0,05 моль/л.
3. Для реакции:
пируват + аспартат ⇄ аланин + оксалоацетат,
при 300С константа равновесия равна 0,22.
В цитоплазме некоторых клеток компоненты содержатся в следующих концентрациях: С(пируват) = С(аспартат) = 10-2 моль/л; С(аланин) = 10-4 моль/л; С(аспартат) = 10-5 моль/л. Определить направление самопроизвольного протекания процесса при 300С.
Вариант №15
1. Ядовитый газ фосген образуется по реакции:
CO + Cl2 ⇄ COCl2.
Начальные концентрации CO и Cl2 составили 2 моль/л. При определённых условиях равновесие установилось, когда в реакцию вступило 80% CO. Определить:
1) величину константы равновесия;
2) является ли при данных условиях реакция практически обратимой (или необратимой);
3) направление смещения равновесия при данных условиях.
2. На момент наступления равновесия в системе:
фумарат + H2O ⇄ малат
концентрация фумарата снизилась от 0,5 до 0,4 моль/л. Найти константу равновесия, считая концентрацию воды постоянной.
3. Для процесса:
АДФ + фосфат ⇄ АТФ + H2O,
протекающего при избытке воды, ΔG0 = 31 кДж/моль. В мышце лягушки rectus abdominis концентрации АДФ, АТФ и фосфата составляют соответственно 1,25; 0,5 и 2,5 ммоль/л. Определить направление протекания процесса при 250C.
Глава 4
РАСТВОРЫ
Растворы - это гомогенные системы переменного состава, состоящие из двух и более веществ, называемых компонентами. По агрегатному состоянию растворы могут быть газообразными (воздух), жидкими (кровь, лимфа) и твёрдыми (сплавы). В медицине наибольшее значение имеют жидкие растворы, которые играют исключительную роль в жизнедеятельности живых организмов. С образованием растворов связаны процессы усвоения пищи и выведения из организма продуктов жизнедеятельности. В форме растворов вводится большое количество лекарственных препаратов.
Для качественного и количественного описания жидких растворов используются термины «растворитель» и «растворённое вещество», хотя в некоторых случаях такое разделение является достаточно условным. Так, медицинский спирт (96% раствор этанола в воде) скорее следует рассматривать как раствор воды в спирте. Все растворители делятся на неорганические и органические. Важнейшим неорганическим растворителем (а в случае биологических систем – единственным) является вода. Это обусловлено такими свойствами воды, как полярность, низкая вязкость, склонность молекул к ассоциации, относительно высокие температуры кипения и плавления. Растворители органической природы разделяют на полярные (спирты, альдегиды, кетоны, кислоты) и неполярные (гексан, бензол, четыреххлористый углерод).
Процесс растворения в равной степени зависит как от природы растворителя, так и от свойств растворённого вещества. Очевидно, что способность образовывать растворы выражена у разных веществ по-разному. Одни вещества могут смешиваться друг с другом в любых количествах (вода и этанол), другие – в ограниченных (вода и фенол). Однако, следует помнить: абсолютно нерастворимых веществ не существует!
Склонность вещества растворяться в том или ином растворителе можно гипотетически определить, используя простое эмпирическое правило: подобное растворяется в подобном. Действительно, вещества с ионным (соли, щёлочи) или полярным (спирты, альдегиды) типом связи хорошо растворимы в полярных растворителях, например, в воде. И наоборот, растворимость кислорода в бензоле на порядок выше чем в воде, так как молекулы O2 и C6H6 неполярны.
Степень сродства соединения к определённому типу растворителя можно оценить, анализируя природу и количественное соотношение входящих в его состав функциональных групп, среди которых выделяют гидрофильные (притягивающие воду) и гидрофобные (отталкивающие воду). К гидрофильным относят полярные группы, такие как гидроксильная (-OH), карбоксильная (-COOH), тиольная (-SH), амино (-NH2). Гидрофобными считают неполярные группы: углеводородные радикалы алифатического (-CH3, -C2H5) и ароматического (-C6H5) рядов. Соединения, имеющие в своем составе как гидрофильные, так и гидрофобные группы, называют дифильными. К таким соединениям относят аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты.
Теории растворов
В настоящее время признаны две основные теории растворов: физическая и химическая.