Свойства растворов. Законы Генри и Вант-Гоффа. Закон Рауля. Осмотическое давление и его роль в биологических процессах

Растворами называют гомогенные (физически однородные) смеси двух или нескольких веществ. Физическая однородность достигается равномерным пере­мешиванием молекул, в отличие от смесей, где перемешиваются макроскопиче­ские частицы.

Вещество, которого больше, чем других, называют растворителем. В отличие от химических соединений количества веществ в растворах мо­ гут быть в более или менее широком диапазоне отношений между собой. С хи­мическими соединениями их сближает взаимодействие растворителя и раство­ренного вещества, которое приводит к тепловому эффекту и изменению сум­марного объема. Тепловой эффект может составлять десятки килоджоулей на моль растворенного вещества.

Под теплотой растворения понимается количество тепла, которое погло­щается или выделяется при растворении одного моля вещества в таком большом количестве растворителя, что дальнейшее его добавление не приводит к поглощению или выделению тепла. Раствор, содержащий наибольшее количество вещества, которое может в нем раствориться, называется насыщенным. Концентрация насыщенного раствора – мера способности растворять называется растворимостью. Раство­римость зависит от температуры, и характер этой зависимости определяется тепловым эффектом в полном согласии с принципом Ле-Шателье (Если на равновесную систему воздействовать извне, изменяя какой-нибудь из факторов, определяющих положение равновесия, то в системе усилится то направление процесса, которое ослабляет это воздействие). При повыше­нии температуры, если теплота растворения положительна, часть вещества из раствора будет выпадать, приводя к некоторому понижению температуры. При отрицательной теплоте растворения, часть вещества будет уходить в раствор.

При растворении газов теплота почти всегда положительна, так как почти невзаимодействующие между собой частицы газа, переходя в раствор, подвергаются сильному притяжению молекул растворителя. Поэтому растворимость газов с повышением температуры падает. В силу того же принципа Ле-Шателье растворимость газов при постоянной температуре растет с повышением давления. Этому есть простое молекуляр­но-кинетическое объяснение. Поскольку в состоянии статистического равнове­сия скорости перехода газа в раствор и обратно уравновешены, а сами скорости пропорциональны числу ударов молекул о поверхность раздела, т. е. давлению газа над поверхностью и концентрации его в растворе (растворимости), то для слабых растворов выполняется закон Генри: растворимость газа пропорцио­нальна его парциальному давлению над поверхностью.

где: —парциальное давление газа над раствором, Па

—молярная концентрация газа в растворе, моль/л

—коэффициент (константа) Генри, моль/(Па*л). Коэффициент зависит от природы газа и растворителя, а также от температуры.

Если два раствора отделены пористой перегородкой, через которую способны проходить растворитель и растворенное вещество, то концентрации будут выравниваться. Существуют, однако, перегородки, проницаемые для растворителя и непроницаемые для растворенного вещества. В этом случае мо­лекулы чистого растворителя будут переходить в область, занятую раствором. Это явление называется осмосом.

О́ смос — процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону бо́ льшей концентрации растворённого вещества из объёма с меньшей концентрацией растворенного вещества.

В результате этого процесса возникает раз­ность давлений. С повышением давления осмос прекращается, а достигнутая разность давлений называется осмотическим давлением. Поскольку растворитель проходит свободно, равновесие устанавливается тогда, когда числа молекул его, сталкивающихся с перегородкой с обеих ее сто­рон, будут одинаковы. Удары молекул растворенного вещества со стороны чи­стого растворителя ничем не компенсируются. Для разбавленных растворов ве­личину осмотического давления можно вычислить исходя из того, что темпера­ тура молекул растворенного вещества и растворителя одинакова для жидкостей и газов. Для разбавленных растворов число ударов растворенного вещества о мембрану будет таким же, как у идеального газа, поэтому осмотическое давле­ние будет таким же:

где ν ʹ – число молей растворенного вещества. Эта формула составляет содержа­ние закона Вант-Гоффа: «Осмотическое давление пропорционально объём­ ной молярной концентрации растворенного вещества».

Если концентрация раствора, например, 1 моль на литр, то при комнатной температуре:

В растворах электролитов осмотическое давление оказывается выше, так как число частиц из-за диссоциации становится больше. Однако если под N’ понимать общее число частиц, то формула становится правильной. Формула может служить для определения степени диссоциации, а также молекулярных весов таких химических соединений, которые не могут быть по­лучены в газообразном состоянии, например, белков и полимеров.

Если в жидкости растворено нелетучее вещество, то свободная поверх­ность ведет себя как полупроницаемая перегородка, через которую не могут проходить молекулы растворенного вещества. Вследствие этого при одной и той же температуре давление насыщенного пара над раствором будет меньше, чем над чистой жидкостью (растворителем). Чтобы показать это, рассмотрим осмометр под колпаком. Осмометр пред­ставляет собой небольшой цилиндрический сосуд, одно из доньев которого за­менено полупроницаемой мембраной, а в другое впаяна манометрическая труб­ка. Осмометр заполняется раствором и полностью погружается в чистый растворитель так, чтобы уровень растворителя располагался чуть выше начала манометрической трубки. Вся эта система находится под колпаком, заполнен­ным парами растворителя. После погружения, за счет осмотического давления, уровень в манометрической трубке поднимется на высоту h над уровнем растворителя, определяемую осмотическим давлением: pосм =p_ж gh, где р_ж – плотность раствора.

Обозначим внешнее давление насыщенных паров на уровне поверхности растворителя р₀, а на уровне h – p. Разность этих давлений определяется плотностью паров растворителя: р-р_0п = ρ gh. Подставляя в эту формулу gh, выраженное через pосм и p_ж, и разделив на р₀, получаем:

В слабых растворах плотность раствора практически равна плотности жидкого растворителя, и отношение плотностей в последней формуле равно отношению объемных концентраций паров и жидкого растворителя: р_п/р_ж = n_п/n_ж. С ис­пользованием закона Вант-Гоффа:

Закон Рауля: относительное изменение давления насыщающих паров над раствором при равновесии равно отношению объемной концентрации растворенного вещества к объемной концентрации растворителя в жидкой фазе.

Роль: Осмос играет огромную роль в обмене веществ, который осуществляется через полупроницаемые перегородки (мембраны) растительных и животных клеток. Величина осмотического давления у растений достигает 20 атм, поэто­му вода из почвы может поступать на большую высоту (~200 м). Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев, где капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию. Осмотическое давление крови человека 7, 6 ¸ 7, 9 атм, однако разность дав­лений крови и лимфы всего 0, 03 ¸ 0, 04 атм, она имеет большое значение для перехода воды между ними. Благодаря наличию сложных механизмов регули­рования клетки обладают лишь незначительно повышенным или равным ос­мотическим давлением по отношению к омывающим внутренние органы жид­костям. Падение разности осмотических давлений при обезвоживании организ­ма приводит к их коллапсу, а обессоливание – может привести к набуханию и разрыву клеток. Так возникает осмотический шок.