Материал: полезная метода

Кипение представляет собой фазовый переход, при котором происходит превращение жидкости в пар, при чем пузырьки пара образуются во всем объеме жидкости.

Температурой кипения жидкости называют ту температуру, при которой давление насыщенного пара над раствором равно внешней.

При этой температуре и соответствующем ей давлении насыщенного пара устанавливается равновесие между жидкой и газообразной фазами (скорость испарения равна скорости обратного процесса – конденсации) и обе эти фазы могут существовать в течение длительного времени. Если жидкость –индивидуальное вещество и внешнее давление не меняется, то кипение ее в открытом сосуде происходит при постоянной температуре до тех пор, пока полностью не исчезнет жидкая фаза. Температура, при которой данная жидкость кипит в условиях давления 101,3 кПа, называют

нормальной температурой кипения.

Замерзание (затвердевание) представляет собой фазовый переход, при котором происходит превращение жидкости в твердое вещество, частицы которого (кристаллы) образуются во всем объеме жидкости.

Температурой замерзания (кристаллизации) называют ту температуру, при которой давление насыщенного пара над жидкостью равно давлению насыщенного пара над выпадающими из нее кристаллами твердой фазы.

При этой температуре и соответствующем ей давлении насыщенного пара устанавливается равновесие между жидкой и твердой фазами (скорость кристаллизации равна скорости плавления) и обе эти фазы могут существовать в течение длительного времени. Если жидкость – индивидуальное вещество и внешнее давление остается постоянным, то при ее охлаждении температура будет оставаться постоянной, соответствующей температуре замерзания, до тех пор, пока не произойдет полное затвердевание.

Изучая замерзание и кипение растворов, Рауль установил:

повышение температуры кипения TK и понижение температуры замерзания T3 разбавленных растворов неэлектролитов

прямо пропорционально молярной концентрации раствора:

Tк =Е b(Х),

Tз=К b(Х),

где: b(Х) – моляльная концентрация, моль ; Е и К – эбуллиоскопическая кг

и криоскопическая константы, кг К моль-1.

Физический смысл констант Е и К становиться ясен, если принять b(Х) = 1 моль/кг. Тогда Е = ∆Тк , а К = ∆Тз. иначе говоря,

96

эбуллиоскопическая константа численно равна повышению температуры кипения одномоляльного раствора, а константа криоскопическая – понижению температуры замерзания одномоляльного раствора.

Эбуллиоскопические и криоскопические константы зависят только от природы растворителя, и не зависят от природы растворенного вещества (идеальные растворы).

Если растворение вещества в некотором растворителе связано с диссоциацией или ассоциацией молекул этого вещества, то эбуллиоскопическая и криоскопическая константы, температуры кипения и замерзания для некоторых растворителей в формулы для расчета повышения температуры кипения и понижения точки замерзания должен быть введён в качестве сомножителя изотонический коэффициент ВантГоффа, i:

Tk =i E b(x)

Tз =i K b(x)

Измерение температур кипения и замерзания растворов лежит в основе эбулиоскопического и криоскопического методов определения молярных масс веществ (эбулиометрии и криометрии).

Молярные массы (кг/моль) растворённых веществ-неэлектролитов могут быть рассчитаны по следующим формулам:

mр.в. – масса растворенного вещества, г; mр-ля – масса растворителя, г; TЗ – понижение температуры замерзания и TК – повышение температуры кипения (определённые экспериментально), К;

Методы эбулиоскопии и криометрии широко используются при физико-химическом изучении биологических объектов.

§4. Осмос и осмотическое давление

Представим стеклянный сосуд с водой (чистый растворитель), в который опускают конусовидный цилиндр, снабженный внизу полупроницаемой перегородкой (мембраной), через поры которой могут свободно проникать молекулы воды (или какого-либо другого растворителя), но не молекулы или ионы растворенного вещества. Мембраны различаются по составу, структуре, размеру пор, отношению к различным растворителям. Они могут быть животного (например, мочевой пузырь), растительного (оболочка клетки) и искусственного происхождения (пленки из целлофана). Некоторые из них проницаемы только для растворенного вещества, другие только для молекул

97

растворителя. Наполним цилиндр водным раствором глюкозы так, чтобы уровни жидкости в сосуде и цилиндре совпадали.

Если бы полупроницаемой перегородки не было, то на основании II закона термодинамики (стремление к максимальной неупорядоченности и возрастанию энтропии) происходит выравнивание концентрации растворов

вобеих частях прибора за счет диффузии молекул воды в цилиндр. Однако

вданном случае диффузии молекул в сосуд препятствует полупроницаемая перегородка, и выравнивание концентраций осуществляется в одностороннем порядке, только за счет медленного перехода части молекул воды из сосуда в цилиндр, где концентрация растворенного вещества выше. Это происходит за счет осмоса.

.

Осмосом называют преимущественно одностороннее проникновение молекул растворителя (диффузию) через полупроницаемую мембрану из растворителя в раствор или из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией.

В результате осмоса объем раствора в цилиндре увеличивается, и уровень жидкости постепенно повышается. При этом создается препятствующее осмосу дополнительное гидростатическое давление Ргидр. столба жидкости высотой h. При некоторой высоте hmaх. гидростатическое давление достигает такого значения, при котором осмос прекратится, т.е. наступит осмотическое равновесие.

Дополнительное гидростатическое давление столба жидкости можно рассчитать по формуле:

pгидр ρ g h

98

где: Ргидр. – гидростатическое давление (дополнительное), н/м 2; h – высота столба жидкости, м; р – плотность жидкости, кг/м3; g – ускорение силы тяжести, равное 9,8 м/с2.

Гидростатическое давление столба жидкости при осмотическом определяет осмотическое давление раствора.

Осмотическим давлением называют величину, измеряемую минимальным гидравлическим давлением, которое нужно приложить к раствору, чтобы осмос прекратился.

Вант-Гофф предложил эмпирическое уравнение для расчёта осмотического давления разбавленных растворов неэлектролитов:

π с(x) R T,

где: – осмотическое давление, кПа; с(х) – молярная концентрация,

моль/л; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 кПа л ; Т –

моль К

абсолютная температура, К.

Данное выражение аналогично уравнению Клапейрона – Менделеева для идеальных газов: pV=nRT, однако эти уравнения описывают разные процессы. Таким образом, закон Вант-Гоффа показывает зависимость осмотического давления от концентрации и температуры.

Для электролитов необходимо учитывать, что в данных растворах происходит электролитическая диссоциация. Если учесть, что из N0 молекул растворённого вещества образуется N1 дочерних частиц, то в уравнение закона Вант-Гоффа для расчёта осмотического давления придётся ввести дополнительный сомножитель называемый

изотоническим коэффициентом Вант-Гоффа, который равен i 1 α (n 1), где n – число ионов (положительных и отрицательных), образующихся при диссоциации одного моль электролита; α – степень диссоциации – отношение числа отдельных частиц (нормальных молекул, ионов, ассоциированных или более простых дочерних молекул) Ni к общему числу молекул растворенного вещества N0 в объёме раствора:

Ni .

N0

Таким образом, для расчета осмотического давления растворов электролитов пользуются следующим уравнением:

π=iCRT

99

§5. Роль осмоса и осмотического давления в биологических системах

Явление осмоса играет важную роль во многих химических и биологических системах. Благодаря осмосу регулируется поступление воды в клетки и межклеточные структуры. Упругость клеток (тургор), обеспечивающая эластичность тканей и сохранение определённой формы органов, обусловлена осмотическим давлением. Животные и растительные клетки имеют оболочки или поверхностный слой протоплазмы, обладающие свойствами полупроницаемых мембран. При помещении этих клеток в растворы с различной концентрацией наблюдается осмос.

Растворы, имеющие одинаковое осмотическое давление, называются

изотоническими.

Если два раствора имеют различное осмотическое давление, то раствор с большим осмотическим давлением является гипертоническим по отношению ко второму, а второй – гипотоническим по отношению к первому.

Рис 4. Изменения, происходящие с клеткой в растворах различной концентрации.

При помещении клеток в изотонический раствор клетки сохраняют свой размер и нормально функционируют (рис. 4а).

При помещении клеток в гипертонический раствор вода из менее концентрированного внешнего раствора переходит внутрь клеток, что приводит к их набуханию, а затем к разрыву оболочек и вытеканию клеточного содержимого. Такое разрушение клеток называют лизисом (рис. 4б). В случае эритроцитов этот процесс называют гемолизом. Кровь с клеточным содержимым, выходящим наружу при гемолизе, за свой цвет называется “лаковой кровью”.

При помещении в гипертонический раствор вода из клеток уходит в более концентрированный раствор и наблюдается сморщивание - называется плазмолизом (рис. 4в).

Осмотическое давление биологических жидкостей у разных живых организмов неодинаково. Так осмотическое давление крови человека при

100