Розчини – це гомогенні термодинамічно стійкі системи змінного складу, які складаються з двох, або більше компонентів та продуктів їх взаємодії
Вчення про розчини
Вступ.
Розчини – це найпоширеніші системи у живій природі. Вони відіграють виключно важливу роль у життєдіяльності організмів. Вода як універсальний розчинник твердих, рідких і газоподібних речовин є тим середовищем, у якому відбуваються більшість хімічних реакцій, в тому числі й різноманітні фізіологічні та біохімічні процеси у живих організмах (перетравлювання їжі, всмоктування в кров поживних речовин та виведення з організму шкідливих продуктів обміну тощо). Основні біологічні системи – плазма крові, лімфа, сеча, спинномозкова рідина – містять у розчиненому стані різні неорганічні та органічні речовини. Зокрема, плазма крові складається з води (90-92 %) і сухої речовини (8-10 %). З органічних речовин там містяться білки (альбуміни, глобуліни, фібріноген), небілкові нітрогеновмісні сполуки (амінокислоти, поліпептіди), продукти розпаду білків і нуклеїнових кислот (сечовина, креатин, сечова кислота, креатинін), глюкоза, жири, ліпоїди та ін. Мінеральні речовини представлені в основному солями з катіонами Натрію, Калію, Кальцію, Магнію та аніонами Хлору, гідрогенкарбонат- і гідрогенфосфат-іонами.
Основна частина води в організмі (70%) міститься всередині клітин разом з катіонами Калію і фосфат-аніонами;, 23% - у міжклітинній рідині з йонами Натрію, хлорид- і гідрогенкарбонат-іонами; 7% - всередині кровоносних судин і в плазмі крові, де. Крім зазначених іонів, ще містяться макромолекулярні іони білків.
З віком вміст води в організмі людини змінюється: якщо в ембріоні він становить 97%, у новонародженого – 77%, то у зрілому віці – 50 – 60%. Після 50 років організм людини починає втрачати воду, якої може містити до 40% від маси тіла. В організмі дорослих чоловіків води більше, ніж у жінок, приблизно на 10%. Ця різниця пов’язана із більшим вмістом жиру у жіночому організмі.
В організмі людини відбувається постійний обмін води і розчинених в ній речовин. Добова потреба у воді дорослої людини становить у середньому 2,5 дм3.
Величезна роль води у біологічних системах зумовлена багатьма її унікальними та аномальними властивостями. Завдяки чому вода є єдиним розчинником у живих організмах. Висока теплоємність води – основний чинник терморегуляції теплокровних тварин і людини. Цікаво, що мінімальна теплоємність води відповідає температурі 36,790С, тобто нормальній температурі тіла людини. Випаровування води з поверхні шкіри запобігає перегріванню організмів.
Велике значення для перебігу біологічних процесів відіграють такі властивості води, як мала в’язкість, більша густина у рідкому, ніж у твердому стані, велика діелектрична проникливість. Остання властивість лежить в основі доброго розчинення у воді сполук з іонним та ковалентним полярним зв’ками, їх електролітичної дисоціації. Саме такий стан речовин зумовлює найбільшу швидкість перебігу біохімічних процесів, швидку міграцію іонів крізь клітинні мембрани, миттєву передачу нервових імпульсів тощо.
Аномальні властивості води зумовлені дипольною будовою її молекул, виникненням міжмолекулярних водневих зв’язків і естафетною передачею іонів Гідрогену.
Доведено, що структура води в нашому організмі наближається до структури переохолодженої води, або льоду. Одна з моделей полягає в тому, що „охолоджена” вода побудована в основному із структурних елементів (кластерів), стабілізованих водневими зв’язками і окремих молекул, які заповнюють проміжки між структурними елементами. Структурований характер води дозволяє деяким авторам у гіпотетичному порядку порушувати питання про інформаційну роль води у живих системах та наявність у водних розчинів структурної пам’яті.
У діапазоні від 0°С до 100°С вода знаходиться у різних агрегатних станах, які відрізняються структурою рідкої і кристалічної фаз. Розміри кристалів дорівнюють 0,2-0,3 нм. Значна частина води клітин (до 40%) є структурованою водою, тобто входить до складу гідратних оболонок біомолекул. Вода сприяє утворенню просторових структур білків і нуклеїнових кислот, приєднуючись за допомогою водневих зв’язків до біологічних кополімерів.
Саме в інтервалі температур 30 - 45°С (температурний діапазон життя теплокровних тварин) структура води найсприятливіша для процесів гідратації. Цей інтервал температур є енергетично оптимальним для стану рідких мікро кристалів води. Температура 5 - 10°С відповідає температурі весняного пробудження насіння. Висловлено припущення про можливу роль структури води як датчика, що надсилає сигнали гіпоталамусу, який керує всією системою терморегуляції нашого організму.
Велике значення має здатність води до дисоціації, що визначає кислотно-основні властивості водних розчинів. Здатність води до фотолізу та радіолізу визначає наявність у клітинах вільних кисневих радикалів, а значить – прооксидантних і антиоксидантних систем.
Усі біологічні рідини організму розділені на басейни або сектори. Два головних басейни:
- позаклітинна рідина (відносний об’єм якої з віком зростає);
- внутрішньоклітинна рідина (відносний об’єм з віком зменшується).
Позаклітинна рідина і внутрішньоклітинна рідина розділені плазматичними мембранами клітин.
У свою чергу, басейн позаклітинної рідини поділяється на три відсіки:
1. Інтестиціальна рідина, що оточує клітини. Цей відсік містить і лімфу. Іноді лімфу відносять до внутрішньосудинної рідини через її унікальну транспортну роль стосовно білків і ліпопротеїдів, а також функції переносу лімфоцитів. Відносний об’єм інтерстеціальної рідини значно більший у ранньому дитинстві.
2. Внутрішньосудинна рідина – плазма крові. Відносний об’єм плазми мало змінюється з віком.
3. Трансцелюлярна рідина знаходиться в серозній та інших спеціалізованих порожнинах тіла, а також у порожнистих органах шлунково-кишкового тракту.
Гістогематичний міжтканинний бар’єр відокремлює внутрішньосудинну рідину від інтерстиціальної, а трансцелюлярна рідина відокремлюється епітеліальними мембранами. Розділення рідин у секторах забезпечує різний їх склад, що у свою чергу формує градієнти іонів і тисків, важливі для реалізації фізіологічних функцій організму.
У здорового дорослого індивіда існує нульовий водний баланс. Негативний водний баланс призводить до дегідратації. Вона спричиняє зменшення загального об’єму крові (гіповолемію), циркуляторну недостатність і тканинну гіпоксію. Смерть при повному позбавленні води настає в дорослої людини за 6 – 8 днів, тому що добовий дефіцит водного балансу (негативний водний баланс) складає при цьому 0,7 л за рахунок неминучих втрат води.
Позитивний баланс призводить до гіпергідратації. Їх кінцевим результатом є :
- набряки, тобто нагромадження води в міжклітинному секторі;
- водянки, тобто нагромадження транс целюлярної води, в основному у серозних порожнинах;
- набрякання клітин – внутрішньоклітинна гіпергідратація.
Розчини. Їх склад і типи
Визначення розчинів
Розчини – це гомогенні термодинамічно стійкі системи змінного складу, які складаються з двох, або більше компонентів та продуктів їх взаємодії.
Хімічні речовини, при змішуванні яких утворюється розчин та які можна виділити із нього у чистому вигляді, називають компонентами розчину. Речовину, яка при розчиненні не змінює свого агрегатного стану, або входить до складу розчину у більшій кількості, називають розчинником. Другим компонентом розчину є розчинена речовина (одна або кілька). Частинками розчиненої речовини є окремі молекули або іони з розміром менше 1 нм, які рівномірно розподілені між молекулами розчинника. Важливо, що при утворенні розчину компоненти частково втрачають свої фізичні властивості.
Розчини посідають проміжне місце між механічними сумішами і хімічними сполуками. Від суміші розчин відрізняє те, що будь-який його мікроскопічний об’єм, який знаходиться у стані динамічної рівноваги, має однаковий хімічний склад і фізичні властивості, як і вся маса розчину. Важливо і те, що утворення розчинів супроводжується тепловим ефектом та зміною об’єму.
2.2. Класифікація розчинів. Класифікують розчини за різними ознаками.
1. За агрегатним станом розчини поділяють на газоподібні, рідкі і тверді. Для газових систем характерний хаотичний рух молекул усіх компонентів, дуже слабка взаємодія між ними і відсутність певної структури. Тому компонент зберігає характерні для нього фізичні та хімічні властивості. З огляду на це, газові розчини за звичайного тиску можна розглядати як фізичну суміш. Прикладом такого розчину є повітря.
Рідкі розчини можна одержати розчиненням у рідині газів (наприклад, амоніаку, гідроген хлориду (хлороводню), кисню у воді), твердих речовин (натрій хлориду або цукру уводі. Йоду в етанолі) і рідин (етанолу у воді, бензену в ацетоні).
Тверді розчини (сплави) утворюються при кристалізації рідких розплавів металів. Кристалічну гратку твердого розчину утворюють частинки усіх компонентів, які розміщені неупорядковано.
2. За вмістом розчиненої речовини розчини поділяють на розведені і концентровані. Розведеним вважають розчин, у якому вміст розчиненої речовини не перевищує 30%, а у концентрованому розчині масова частка розчиненої речовини становить понад 30%.
3. За здатністю речовини розчинятись за даних умов у даній масі розчинника розчини бувають ненасиченими, насиченими, пересиченими.
Якщо у даній масі розчинника якась маса речовини ще може розчинитись, то такий розчин за даних умов є ненасиченим.
У разі, коли досягнуто границі розчинення, тобто кількість речовини, що переходить у розчин за одиницю часу, дорівнює кількості речовини. Що виділяється у вигляді твердої фази, - розчин називають насиченим.
Якщо речовини розчинено більше, ніж її потрібно для насичення за даних умов. То такий розчин є пересиченим.. Ця система нестійка, тому за найменшої зміни умов (потирання скляною паличкою об стінки посуду, внесення маленького кристалу розчиненої речовини) розпочнеться процес кристалізації.
3. Термодинаміка процесу розчинення
Сучасна теорія розчинів розглядає розчинення як фізико-хімічний процес взаємодії між частинками різної полярності.
Основним фізико-хімічним параметром, яким визначають природу розчинника і полярність його молекул, є дипольний момент µ. Полярними розчинниками є вода, кислоти спирти, кетони тощо. Вода має найбільший дипольний момент і тому є добрим розчинником сполук з іонним та ковалентним полярним зв’язками. Встановлено, що речовини з неполярним ковалентним зв’язком легко розчиняються у неполярних розчинниках (бензен, сірковуглець, хлороформ, тетрахлорметан, ефір) і важко розчиняються у полярних.
При розчиненні твердих речовин у рідинах одночасно відбуваються такі процеси:
1.Орієнтація полярних молекул навколо частинок розчиненої речовини та утворення нових іон-дипольних зв’язків.
2. Руйнування кристалічної гратки розчиненої речовини, перехід її у рідкий стан та рівномірний розподіл у всьому об’ємі рідкої фази. Цей процес є ендотермічним, тобто супроводжується поглинанням теплоти (ΔН › 0).
3. Взаємодія окремих молекул чи іонів розчиненої речовини із розчинником з утворенням сольватів (гідратів), що завжди супроводжується виділенням теплоти (ΔН ‹ 0).
Залежно від співвідношення величин енергій наведений процесів, сумарна ентальпія може бути додатною або від’ємною. Якщо вона є додатною, то процес розчинення буде супроводжуватись вбиранням теплоти. Саме таким тепловим ефектом характеризується розчинення деяких солей (калій хлориду, амоній хлориду, амоній нітрату тощо) у воді. Тому, згідно з принципом рухомої рівноваги Ле-Шательє, при підвищенні температури їх розчинність у воді збільшується.
Якщо сумарна ентальпія від’ємна, тоді процес розчинення буде супроводжуватися виділенням теплоти (розчинення лугів, етанолу, сульфатної кислоти у воді). В останньому випадку виділяється дуже велика кількість теплоти, тому готуючи розчин сульфатної кислоти, треба лити кислоту до води, а не навпаки.
При розчиненні у рідинах твердих або рідких речовин, які добре сольватуються, ентропія системи збільшується, а при розчиненні газів – зменшується.
Розчини, утворення яких не супроводжується зміною об’єму і теплового ефекту, називають ідеальними. Властивості таких розчинів визначаються лише концентрацією.
До моделі ідеального розчину наближаються безмежно розведені розчини.