Теория растворов и осмотическое давление

ОСНОВЫ ТЕОРИИ
РАСТВОРОВ
ВОДА И ЕЕ БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ. РАСТВОРЫ И
ИХ СВОЙСТВА
Основные функции воды в организме
Обеспечение процессов всасывания и
механического передвижения питательных веществ
 Поддержание оптимального осмотического
давления в крови и тканях
 Обеспечение функционирования белков,
нуклеиновых кислот, полисахаридов
 Участие в процессах биосинтеза,
ферментативного катализа, гидролиза
 Поддержание температуры тела
Содержание воды в организме от массы человека:
 эмбрион (97%),
 новорожденный (77%),
 взрослый (18-55 лет): 54% - женщины, 61% - мужчины
Внутриклеточная вода 70%
Вода
организма
Межклеточная вода 23%
Кровь, лимфа 7%
Растворы – это гомогенные (однородные)
термодинамически устойчивые системы переменного
состава, которые содержат два или более компонентов.
Наибольшее значение в медицине имеют жидкие
растворы, в которых растворителем является вода.
Способность к образованию растворов выражена у разных
веществ в различной степени. Одни вещества способны
смешиваться друг с другом в любых количествах (этанол и
вода), другие - в ограниченных (соли, аминокислоты и вода).
В зависимости от способности растворяться в воде все
вещества разделяют на:
 гидрофильные – соединения, легко растворяющиеся в
воде (соли, органические соединения полярными
функциональными группами: –ОН, –NH2, –SH, –СООН);
 гидрофобные – соединения, не растворяющиеся в воде
(органические соединения с неполярными
углеводородными радикалами: СН3–(СН2)n–, С6Н5–)
 дифильные – соединения, содержащие как
гидрофильные, так и гидрофобные группы (аминокислоты,
белки, нуклеиновые кислоты)
Растворимость – это способность вещества растворяться в
том или ином растворителе. Определяется природой
вещества и растворителя и условиями осуществления
процесса растворения: температурой, давлением.
Насыщенный раствор – это раствор, который содержит
максимально возможное количество растворяемого
вещества при определенной температуре и давлении.
Ненасыщенный раствор – это раствор, в котором при
данных температуре и давлении возможно растворение
дополнительного количества уже содержащегося в нем
вещества.
Коэффициент растворимости (s) показывает массу
вещества, которую нужно растворить в 100 г растворителя
при данной температуре для получения насыщенного
раствора.
Например, s(NaCl) = 36 г/100 г H2O при t = 20°C.
СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ СОСТАВА РАСТВОРА
Массовая доля (ω) — отношение массы компонента X (растворенного
вещества, иона, растворителя) к массе раствора:
𝒎(𝑿)
𝝎=
𝒎раствора
𝝎% = 𝝎 ∙ 𝟏𝟎𝟎%
Молярная концентрация (С, моль/л) — отношение количества
компонента X (растворенного вещества, иона) к объему раствора:
𝑪=
𝝂(𝑿)
𝑽раствора
Молярная доля () – отношение количества вещества компонента X к
суммарному количеству вещества всех компонентов:
𝝂(𝑿)
𝝌=
σ 𝝂𝒊
𝝌% = 𝝌 ∙ 𝟏𝟎𝟎%
Моляльная концентрация (Cm, моль/кг), равна отношению количества
компонента X (растворенного вещества, иона) к массе растворителя
𝑪𝒎 =
𝝂(𝑿)
𝒎растворителя
КОЛЛИГАТИВНЫЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ
Это свойства, НЕ зависящие от природы
частиц растворенного вещества, а
зависящие от концентрации частиц в
растворе:
осмотическое давление раствора;
давление насыщенного пара растворителя
над раствором;
температура кристаллизации (замерзания)
раствора;
температура кипения раствора.
Осмос. Осмотическое давление
Осмос — преимущественно односторонняя диффузия
растворителя через полупроницаемую перегородку
(мембрану), пропускающую молекулы растворителя, но
задерживающую частицы растворенного вещества.
Если концентрации растворенного вещества по обе стороны
мембраны различны, то диффузия растворителя будет
происходить преимущественно в направлении более
концентрированного раствора.
раствор
раствор
вода
мембрана
вода
мембрана
Осмос. Осмотическое давление
Давление, которое необходимо приложить к раствору, чтобы
предотвратить проникновение молекул растворителя через
полупроницаемую мембрану в раствор, называется
осмотическим давлением ().
В. Пфеффер (1877 г.) установил зависимость осмотического
давления от различных факторов:
 при постоянной температуре осмотическое
давление изменяется прямо пропорционально
концентрации растворенного вещества;
 при постоянной концентрации растворенного
вещества осмотическое давление изменяется
прямо пропорционально абсолютной температуре.
Закон Вант-Гоффа
𝝅 = 𝑪𝑹𝑻 (кПа)
Осмос. Осмотическое давление
Осмотические давления растворов электролитов всегда
выше, чем неэлектролитов с такой же молярной
концентрацией, а для веществ, молекулы которых склонны к
образованию ассоциатов — ниже.
 Диссоциация электролита сопровождается увеличением
общего числа растворенных частиц, в результате чего
осмотическое давление раствора возрастает.
 Образование межмолекулярных ассоциатов приводит
к уменьшению числа молекул в растворе и снижению его
осмотического давления.
Для учета расхождения между экспериментальными и
рассчитанными значениями осмотического давления был
введен дополнительный множитель i, называемый
изотоническим коэффициентом Вант-Гоффа
𝝅 = 𝒊𝑪𝑹𝑻
Осмос. Осмотическое давление
Величина i равна отношению общего количества присутствующих
в растворе частиц  (молекул, ионов, ассоциатов и др.) к
количеству формульных единиц 0 (исходных молекул, ионных
пар и т. п.) растворенного вещества, первоначально введенных в
раствор:
𝝂
𝒊=
𝝂𝟎
Для вещества, молекулы которого не диссоциируют и не
образуют ассоциатов в растворах, изотонический
коэффициент равен единице.
Для растворов нескольких веществ общая молярная
концентрация растворенных частиц будет равна сумме молярных
концентраций всех недиссоциированных молекул и всех ионов,
образовавшихся в результате диссоциации электролитов. Эта
концентрация называется осмолярной концентрацией (cосм
или c*):
𝑪осм = ෍ 𝑪𝒋 𝒊𝒋
𝝅 = 𝑪осм 𝑹𝑻
Растворы, имеющие одинаковое осмотическое давление,
называют изотоническими.
Если осмотическое давление раствора A больше осмотического
давления раствора B, то первый из них является
гипертоническим по отношению ко второму, а второй —
гипотоническим по отношению к первому.
ИЗООСМИЯ
 жидкостей человека постоянно и составляет при 37оС
~ 7,3-7,7 атм (740-780 кПа).
 Оно обусловлено главным образом присутствием в плазме крови
ионов Na+, K+, Cl–, HCO3– и др., в значительно меньшей степени —
коллоидных частиц и белков.
 Часть осмотического давления, вызываемая белками и другими
высокомолекулярными соединениями, называется онкотическим
давлением и обычно имеет величину от 2,5 до 4,0 кПа.
 Нормальному осмотическому давлению крови человека отвечает
осмолярная концентрация растворенных в плазме веществ,
составляющая от 0,285 до 0,303 моль/л.
 Постоянство осмотического давления крови регулируется органами
пищеварения (поступление в кровь воды и солей), дыхания (удаление
избытка воды) и выделительной системой (удаление избытка солей).
ТИПЫ РАСТВОРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В МЕДИЦИНЕ
ГИПЕРТОНИЧЕСКИЕ ( > крови)
Используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить отток
жидкости из тканей.
При контакте гипертонических растворов с кровью
наблюдается плазмолиз – сжатие эритроцитов.
 ГИПОТОНИЧЕСКИЕ ( < крови)
Используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить
приток жидкости к тканям.
При контакте гипотонических растворов с кровью
наблюдается гемолиз (эритроцитолиз) – разрыв
эритроцитов (если  < 3.6- 4.0 атм).
 ИЗОТОНИЧЕСКИЕ ( = крови = 7.62 атм)
Используются для внутривенных вливаний
Изотоническим по отношению к плазме крови является 0,9%
раствор хлорида натрия [C(NaCl) ≈ 0,15 моль/л], а также
раствор глюкозы с массовой долей растворенного вещества
около 5%.
ТИПЫ РАСТВОРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В МЕДИЦИНЕ
Если в кровяное русло, мышечную ткань, спинномозговой канал с
терапевтическими целями вводят солевые растворы
(физиологические растворы), необходимо следить за тем, чтобы это
не привело к «осмотическому конфликту».
«Осмотический конфликт» – резкое несоответствие между
осмотическим давлением биологической жидкости (плазмы
крови, межклеточной или спинномозговой жидкости) и
осмотическим давлением вводимого раствора.
ЗНАЧЕНИЕ ОСМОТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
Слабительное действие глауберовой соли Na2SO4·10H2O и
горькой соли MgSO4·7H2O.
Растворимые сульфаты плохо всасываются стенками желудка и
создают повышенное осмотическое давление, в результате чего
увеличивается приток жидкости в просвет кишечника и облегчается
его эвакуация.
В хирургической практике осмос используется для очистки
гнойных ран и воспаленных тканей.
Для этого применяются гипертонические повязки и тампоны,
смоченные 10%-ным раствором хлорида натрия. Возникающая
разность осмотических давлений вызывает интенсивный отток
жидкости от пораженных участков тела и способствует их очистке от
продуктов распада тканей и болезнетворных микроорганизмов.
Перитонеальный диализ
При острых отравлениях в брюшную полость вводят избыток
сильного электролита с одновременным обильным введением
жидкости в желудок и кишечник. Происходит интенсивный переход
воды из желудочно-кишечного тракта в брюшную полость,
увлекающий с собой токсическое вещество.
ДАВЛЕНИЕ ПАРА РАСТВОРИТЕЛЯ
H2O, p10
1
1
1
1
1
1
1
1 – растворитель (Н2О)
2 – растворенное вещество
Добавление нелетучего
неэлектролита
раствор, p1
1
1
2
Испарение уменьшается
Конденсация увеличивается
ПЕРВЫЙ ЗАКОН РАУЛЯ
Давление насыщенного пара
над раствором нелетучего
вещества прямо
пропорционально молярной
доле растворителя в растворе:
0
𝑝1 = 𝑝1 𝜒1
1
1
2
1
2
1
1
Относительное понижение
давления насыщенного пара
растворителя над раствором
равно молярной доле
растворенного вещества:
𝑝10 − 𝑝1
= 𝜒2
𝜒1 +𝜒2 =1
0
𝑝1
ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАМЕРЗАНИЯ И КИПЕНИЯ
РАСТВОРОВ
Температура кипения
Равновесное давление паров жидкости имеет
тенденцию к увеличению с ростом температуры.
 Температура, при которой давление насыщенного
пара
становится
равным
внешнему
атмосферному
давлению,
называется
температурой кипения жидкости.
При наличии нелетучего вещества, давление
паров раствора снижается, и раствор будет
закипать при более высокой температуре, по
сравнению с температурой кипения чистого
растворителя.
Температуры замерзания и кипения растворов
Температура замерзания
При охлаждении жидкости кристаллизуются (замерзают).
Раствор в отличие от чистой жидкости не отвердевает
целиком при постоянной температуре. При некоторой
температуре, называемой температурой начала
кристаллизации, начинают выделяться кристаллы
растворителя. Поэтому под температурой замерзания
раствора всегда понимают температуру начала
кристаллизации.
 Температура замерзания раствора – это температура,
при которой давление насыщенного пара над кристаллами
растворителя и над раствором одинаково.
Поскольку давление насыщенного пара над раствором
всегда ниже, раствор начнет замерзать при более
низкой по сравнению с чистым растворителем
температуре.
Первое следствие из закона Рауля :
повышение температуры кипения раствора
Ткипения = Ткипения раствора – Ткипения растворителя
пропорционально моляльной концентрации раствора (Cm):
𝜟𝑻кипения = 𝑬 ∙ 𝑪𝒎
E – эбулиоскопическая константа растворителя, которая показывает
повышение температуры кипения раствора при растворении одного моль
вещества в 1 кг растворителя. Е(Н2О) = 0,52
Второе следствие из закона Рауля :
понижение температуры замерзания раствора
Тзамерзания = Тзамерзания растворителя – Тзамерзания раствора
пропорционально моляльной концентрации раствора (Cm):
𝜟𝑻замерзания = 𝑲 ∙ 𝑪𝒎
K – криоскопическая константа растворителя, которая показывает
понижение температуры замерзания раствора при растворении одного
моль вещества в 1 кг растворителя. К(Н2О) = 1,86
Эбуллиоскопическая (E) и криоскопическая (K)
константы не зависят от природы растворенного
вещества и представляют собой постоянные для
данного растворителя величины
Второй закон Рауля
Повышение температуры кипения и понижение
температуры замерзания разбавленного раствора
нелетучего вещества прямо пропорционально
моляльной концентрации раствора и не зависит от
природы растворенного вещества.
Тзамерзания плазмы крови = 0,56ºС
Сm= 0,303 моль/кг
Законы Рауля
Давление пара растворителя, температуры кипения и
замерзания растворов электролитов и растворов
веществ, молекулы которых склонны к образованию
ассоциатов, отличаются от рассчитанных по закону
Рауля.
Для учета расхождения между экспериментальными и
рассчитанными значениями также вводится дополнительный
множитель i – изотонический коэффициент Вант-Гоффа
𝑝10 − 𝑝1
= 𝑖 ∙ 𝜒2
0
𝑝1
𝛥𝑇кипения = 𝑖 ∙ 𝐸 ∙ 𝐶𝑚
𝛥𝑇замерзания = 𝑖 ∙ 𝐾 ∙ 𝐶𝑚