Материал: полезная метода

ТЕМА 8. КОЛЛИГАТИВНЫЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ

Вопросы к занятию:

1.Давление насыщенного пара над жидкостью и факторы, от которых оно зависит.

2.Относительное понижение давления насыщенного пара. Закон Рауля.

3.Криоскопическая и эбулиоскопическая зависимости. Физический смысл их постоянных.

4.Осмос, его механизм. Осмотическое давление с точки зрения термодинамики. Закон Вант-Гоффа.

5.Дать сравнительную характеристику осмотических свойств разбавленных растворов электролитов и неэлектролитов.

6.Рассмотреть изучаемые растворы с точки зрения их биологической значимости (плазмолиз, гемолиз, гипо-, гипер- и изотонические растворы) и практического применения в медицине.

§1. Биологическая значимость растворов. Общие представления о растворах.

Растворы представляют для биологии, физиологии и медицины особый интерес, так как все важные биологические системы (цитоплазма, кровь, лимфа, слюна, моча, пот и др.) являются водными растворами солей белков, углеводов, липидов. Усвоение пищи, транспорт метаболитов, большинство биологических реакций в живых организмах протекают в растворах.

Раствором называется находящаяся в состоянии равновесия гомогенная система переменного состава из двух или более веществ, которая достигла минимальной энергии Гиббса в результате взаимодействия всех ее частиц, за счет всех возможных сил взаимодействия.

Вещества, составляющие раствор, называют компонентами раствора. Для характеристики составных частей раствора используют понятия растворитель и растворенное вещество, хотя эти понятия в известной степени условны. Обычно растворителем считают тот компонент, который в растворе находиться в том же агрегатном состоянии, что и до растворения. Например, в водном растворе глюкозы (твердое вещество) растворителем считается вода. Понятие растворитель и растворенное вещество не применяют по отношению к твердым растворам и газовым смесям, не зависимо от того, в каких соотношениях находятся в этих системах компоненты. По агрегатному состоянию растворы могут быть жидкими, твердыми и газообразными. Например, смеси газов (воздух)

92

являются газообразными растворами; растворы солей в воде – жидкими; сплавы золота с медью, никеля с медью и другие – твердыми растворами.

Растворы веществ с молекулярной массой меньше 5000 г/моль называют растворами низкомолекулярных соединений (НМС), а растворы веществ с молекулярной массой больше 5000 г/моль – растворами высокомолекулярных соединений (ВМС).

По наличию или отсутствию электролитической диссоциации растворы НМС на три класса – растворы электролитов, неэлектролитов и амфолитов.

Растворы электролитов – растворы диссоциирующих на ионы солей, кислот и оснований. Например, растворы KNO3, HCl, KOH.

Растворы неэлектролитов – растворы веществ, практически не диссоциирующих в воде. Например, растворы сахарозы, глюкозы, мочевины.

Растворы амфолитов – растворы веществ, которые могут диссоциировать и по кислотному и по основному типу. Например, растворы Al(OH)3, глицина.

У растворов имеется ряд свойств, называемые коллигативными, которые не зависят от природы растворенного вещества, а зависят только от количества частиц. Для бесконечно разбавленных растворов, состояние которых близко к состоянию идеальных, такими свойствами является осмотическое давление, понижение давления насыщенного пара над раствором, повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания раствора, скорость диффузии. Изучение коллигативных свойств разбавленных растворов служит одним из наиболее распространенных способов, определения молярной массы растворенного вещества, а так же его степени диссоциации или показателя ассоциации.

§2. Давление насыщенного пара растворителя над раствором

Французский физико-химик Ф.М.Рауль первым провел измерения, которые позволили сформулировать законы, описывающие влияние растворенного вещества на физические свойства растворителя.

Если в замкнутый сосуд поместить чистый растворитель, например воду, то в этой системе будет протекать два процесса: испарение молекул воды с поверхности жидкости и обратный процесс – конденсация молекул из газовой фазы на поверхности жидкости. Через некоторое время в системе установится динамическое равновесие (∆G = 0), т.е. такое состояние системы, когда число частиц, испаряющихся с поверхности жидкости за единицу времени, равно числу частиц, переходящих в жидкость из газовой среды.

Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называют насыщенным. Давление такого пара р0 называют давлением или

93

упругостью насыщенного пара чистого растворителя. При данной температуре давление насыщенного пара чистого растворителя – величина постоянная и является термодинамической характеристикой растворителя.

При повышении температуры давление насыщенного пара над растворителем возрастает в соответствии с принципом Ле Шателье, так как растворение – процесс эндотермический (∆Нисп. > 0).

Каково будет давление насыщенного пара, если в летучий растворитель (вода, спирт) внести не летучее растворяемое вещество (NaCl, сахароза и т.д.)? Концентрация растворителя в образовавшемся растворе, уменьшится число частиц растворителя, переходящих в газовую фазу.

Поэтому давление насыщенного пара над растворителем нелетучего вещества должно стать меньше, чем над чистым растворителем: чем концентрированнее раствор, тем ниже давление пара растворителя над раствором.

Закон Рауля: Давление пара раствора, содержащего нелетучее

вещество, прямо пропорционально молярной доле растворителя:

р Кр х(Х1)

где: р – давление пара над раствором, Па; Кр – константа Рауля, Па; х(Х1)

количество вещества растворителя, моль; n(Х2) – количество растворенного вещества, моль.

При х(Х1) = 1 коэффициент пропорциональности Кр численно равен давлению чистого пара растворителя р0 и равенство принимает вид:

р=р0 х(Х1)

С другой стороны, х(Х1) 1 х(Х2), где: х(Х2) – молярная доля растворенного вещества Х2 . Из этого следует, что

р0-р

р0 =х(Х2),

где: р0 - давление пара над растворителем, Па; р – давление пара растворителя над раствором не летучего вещества, Па; р0-р – абсолютное

р0 -р

понижение давление пара над раствором, Па; – относительное

р0

понижение давления пара над раствором, Па; Данное уравнение отражает другую, более часто применяемую

формулировку закона Рауля: Относительное понижение давления

94

насыщенного пара растворителя над раствором нелетучего электролита равно молярной доле растворенного вещества.

Для растворов электролитов необходимо учитывать изотонический коэффициент Вант-Гофа (i), т.е.:

Закон Рауля точно соблюдается только для идеальных растворов и приближенно для разбавленных реальных растворов: чем разбавленней раствор, тем больше он приближается к идеальному.

Прямыми следствиями понижения давления пара над раствором является изменение температуры замерзания и кипения растворов.

§3. Температура кристаллизации и температура кипения раствора

Любая жидкость при температуре ниже критической может находиться в трех разных агрегатных состояниях: твердом, жидком и парообразном. Между этими состояниями наблюдаются сложные фазовые равновесия, которые включают взаимные обратимые превращения: плавление и замерзание, испарение и конденсацию, сублимацию и конденсацию (рисунок 4).

Пар

Конденсация

Плавление

Замерзание (Т зам.)

Рис 2. “Фазовое равновесие”

Положение этих фазовых равновесий зависит от температуры и внешнего давления. Переходы жидкости в другие фазовые состояния – парообразное и твердое – характеризуется соответственно температурами кипения и замерзания.

95