Главная | Обратная связь

Колігативні властивості розчинів

Властивості розчинів, які не залежать від природи компонентів, а залежать від кількості частинок в системі називаются колігативними.

Дифузія

Осмотичний тиск

Зниження тиску пари розчинника над розчином

Підвищення температури кипіння розчинів

Зниження температури замерзання розчинів

ДИФУЗІЯ (лат. diffusio— поширення, розтікання)— процес переносу речовини, зумовлений вирівнюванням його концентрації у первинній неоднорідній системі.Дифузію. розділяють на молекулярну та конвективну (турбулентну). Молекулярною. називають процес переносу речовини, зумовлений безладним (тепловим) рухом молекул. Молекулярна дифузія описується першим законом Фіка, відповідно до якого кількість речовини dM, яка дифундує за час dτ через елементарну поверхню dF, пропорційна градієнту концентрації dC/dn цієї речовини:

DM = –D × dF × dτ × dC/dn,

де D — коефіцієнт молекулярної дифузії, який характеризує здатність цієї речовини проникати внаслідок молекулярної дифузії у нерухоме середовище. Значення коефіцієнта дифузії є функцією властивостей речовини, що розподіляється, властивостей середовища, через яке вона дифундує, температури та тиску. Як правило,дифузія зростає з підвищенням температури та зниженням тиску. Знак мінус у правій частині першого закону Фіка вказує на те, що молекулярна дифузія завжди проходить у напрямку зниження концентрації речовини, що дифундує. Коефіцієнти дифузії . газу в середовище іншого газу мають значення 0,1–1 см²/с, а придифузії газу в рідину вони у 10⁴–10⁵ разів менше і становлять приблизно 1 см²/добу. Таким чином, молекулярна дифузія є дуже повільним процесом, особливо у рідині. Конвективна дифузія пов’язана з рухом середовища, де за рахунок турбулентних пульсацій здійснюється перемішування потоку і тим самим вирівнюється концентрація речовини в об’ємі. Швидкість конвективної дифузії залежить від гідродинамічних умов, які визначаються швидкістю потоку тамасштабом турбулентності.

Дифузія – це самочинний процес вирівнювання концентрації розчиненої речовини в результаті хаотичного теплового руху частинок.

 

Осмос (від дав.-гр. ὠσμός— штовхай) — це спонтанний перехід чистого розчинника у розчин, відділений від нього напівпроникною мембраною, тобто проникною для розчинника і не проникною для розчиненої речовини. Осмотичний тиск (Π) — це тиск, який необхідно прикласти до розчину, щоб зупинити надходження розчинника. Причиною виникнення осмосу, як і інших колігативних властивостей, є зменшення хімічного потенціалу розчинника внаслідок наявності в ньому молекул розчиненої речовини.

Інше визначення осмотичного тиску: сила, яка змушує розчинник переходити через напівпроникну мембрану в розчин, називається осмотичним тиском.

Значення осмотичного тиску для сильно розведених розчинів можна приблизно обчислити, використовуючи рівняння, виведене Вант-Гоффом:

,

де R — універсальна газова стала, Т — абсолютна температура, ic— осмолярність розчину, тобто добуток фактора Вант-Гоффа (i), який визначається міроюдисоціації розчиненої речовини на окремі компоненти, і молярної концентрації розчиненої речовини (c). Для хлориду натрію, наприклад, i=2, оскільки ця сіль повністю дисоціює на Na⁺ і Cl^-. Для розчину із кількома (n) розчиненими речовинами, загальний осмотичний тиск є сумою:

Важливими прикладами осмосу є транспорт рідин через клітинні мембрани, діаліз та осмометрія — визначення молекулярних мас речовин шляхом вимірювання осмотичного тиску їх розчину. Цей метод широко використовується для з'ясування молекулярних мас макромолекул.

Осмос через напівпроникну мембрану. Частинки розчинника (сині) здатні перетинати мембрану, частинки розчиненої речовини (червоні)— ні.

Явище осмосу спостерігається в тих середовищах, де рухливість розчинника більша від рухливості розчинених речовин. Важливим окремим випадком осмосу є осмос через напівпроникну мембрану. Напівпроникними називають мембрани, які мають досить високу проникність не для всіх, а лише для деяких речовин, зокрема, для розчинника. Якщо така мембрана розділяє розчин і чистий розчинник, то концентрація розчинника в розчині виявляється нижчою, оскільки там частина його молекул заміщена на молекули розчиненої речовини (див. рисунок справа). Внаслідок цього, переходи частинок розчинника з відділу, що міститьчистий розчинник, у розчин відбуватимуться частіше, ніж у протилежному напрямку. Відповідно, об'єм розчину буде збільшуватися (а концентрація—зменшуватися), тоді як об'єм розчинника буде відповідно зменшуватися.

Наприклад, до яєчної шкаралупи з внутрішньої сторони прилягає напівпроникна мембрана: вона пропускає молекули води і затримує молекули цукру. Якщо такою мембраною розділити розчини цукру з концентрацією 5 і 10% відповідно, то через неї в обох напрямках будуть проходити тільки молекули води. У результаті в більш розбавленому розчині концентрація цукру підвищиться, а в більш концентрованому, навпаки, знизиться. Коли концентрація цукру в обох розчинах стане однаковою, настане рівновага. Розчини, які досягли рівноваги, називаютьсяізотонічними.

Осмос, спрямований всередину обмеженого об'єму рідини, називається ендосмосом, назовні — екзосмосом. Перенесення розчинника через мембрану зумовлене осмотичним тиском. Він дорівнює надлишковому зовнішнього тиску, який слід докласти з боку розчину, щоб припинити процес, тобто створити умови осмотичної рівноваги. Перевищення надлишкового тиску над осмотичним може призвести до спрямування процесу в протилежний бік — зворотної дифузії розчинника.

У випадках, коли мембрана проникна не тільки для розчинника, але і для деяких розчинених речовин, перенесення останніх з розчину в розчинник дозволяє здійснити діаліз, вживається як спосіб очищення полімерів і колоїдних систем від низькомолекулярних домішок, наприкладелектролітів.

Міра градієнта осмотичного тиску, тобто відмінності водного потенціалу двох розчинів, розділених напівпроникною мембраною, називається тонічність. Розчин, що має більш високий осмотичний тиск в порівнянні з іншим розчином, називається гіпертонічним, що має більш низький - гіпотонічним. Розчини з однаковим осмотичним тиском називають ізотонічними.

Ізотоні́чні ро́зчини (грец.

Tónos — напруга)— розчини з однаковим осмотичним тиском. У біології і медицині — природні або штучно виготовлені розчини з таким же осмотичним тиском, як і у вмісті тваринних і рослинних клітин, в крові і тканинних рідинах.

У медичних маніпуляціях використовують 0,9 % розчин хлориду натрію, 5 % водний розчин глюкози в терапії різних захворювань з метою знятиінтоксикації або інші прояви хвороби.

Ізотонічні розчини на противагу гіпертонічним, що не використовуються внутрішньосудинно, не призводять до гемолізуеритроцитів.

Фізіологічний розчин – штучно приготовлений водно-сольовий розчин, за осмотичним тиском і сольовим складом близький доплазми крові.

Існує декілька типів фізіологічних розчинів, склад яких залежить від цілей, на які вони використовуються. Найбільш часто користуються такими фізіологічними розчинами:

• розчин Рінгера — Локка,
• розчин Рінгера — Тіроде,
• розчин Кребса — Рінгера.

Гіпертоні́чний ро́зчин (лат. solutio hypertonica)— розчин, осмотичний тиск якого вище нормального осмотичного тиску плазми кровіабо осмотичного тиску в рослинних або тваринних клітинах і тканинах.

Залежно від функціональної, видової й екологічної специфіки клітин осмотичний тиск у них різний, і розчин, гіпертонічний для одних клітин, може виявитися ізотонічним або навіть гіпотонічним для інших. При зануренні рослинних клітин у гіпертонічні розчини він відсмоктує воду з клітин, які зменшуються в об'ємі, а потім подальший стиск припиняється й протоплазма відстає від клітинних стінок. Еритроцити крові людини й тварин у гіпертонічному розчині також втрачають воду й зменшуються в об'ємі.

Гіпертонічні розчини в комбінації з гіпотонічними розчинами й ізотонічними розчинами застосовують для вимірювання осмотичного тиску в живих клітинах і тканинах.

Застосовується як зовнішньо, так і внутрішньо. У медицині застосовуються 3—10% водні розчини хлориду натрію, 10—40% водні розчини глюкози й інші.

Зовнішньо:при лікуванні гнійних ран, захворюваннях верхніх дихальних шляхів. Розчин завдяки осмотичному впливу сприяє виділенню гною з рани. Розчин має також протимікробну дію. Спосіб застосування: 3-5-10 % розчин у вигляді компресів і примочок при лікуванні гнійних ран.

Для ванн, обтирань, полоскань (1-2% розчин при захворюваннях верхніх дихальних шляхів).

Внутрішньо: внутрішньовенно — при легеневих, шлункових, кишкових кровотечах, а також для посилення сечовиділення. У вену вводять (повільно) гіпертонічний розчин (10-20 мол 10% розчину).

Для промивання шлунку 2-5% розчин призначають усередину — при отруєнні нітратом срібла, який при цьому перетворюється в нерозчинний і нетоксичнийхлорид срібла.

У вигляді клізми (75-100 мол 5% розчину), щоб викликати дефекацію.

Гіпотонічний розчин - розчин, осмотичний тиск якого нижчий, ніж у клітинах тваринних та рослинних організмів.

Якщо ж гіпотонічний розчин знаходиться в замкнутому просторі, наприклад, в клітині крові, то осмотичний тиск може привести до розриву клітинної мембрани (гемоліз).

Гемолізом називають руйнування еритроцитів з виходом гемоглобіну в навколишнє еритроцитне середовище. Гемоліз може спостерігатися як в судинному руслі, так і поза організмом. Поза організмом гемоліз може бути викликаний гіпотонічними розчинами. Цей вид гемолізу називають осмотичним. Різкеcтрушування крові або її змішування призводять до розрушення оболонки еритроцитів – механічний гемоліз. Деякі хімічні речовини викликають денатурцію білків і порушення цілісності оболонки еритроцитів, що супроводжується виходом із них гемоглобіну – хімічний гемоліз. Порушення мембрани еритроцитів з наступнимвиходом із них гемоглобіну спостерігається також під впливом фізичних факторів. Зокрема, при дії високих температур проходить згортання білків. Заморожування крові супроводжується руйнуванням еритроцитів.

 

В організмі постійно в невеликих кількостях проходить гемоліз при відмиранні старих еритроцитів. В нормі він проходить тільки в печінці, селезінці, червоному кістковому мозку. Гемоглобін “поглинається” клітинами вказаних органів і в плазмі циркулюючої крові (гемглобінемія) і виділення його з сечою (гемоглобінурія). Це відбувається, наприклад, при укусі отруйних змій, скорпіонів, багаточисельних укусах бджіл, при малярії, при переливанні несумісної в груповому відношенні крові.

До колігативних властивостей позчинів належать тиск насиченої пари над розчином, зниження температури замерзання та підвищення температури кипіння розчину.

Залежність зниження тиску пари розчинів від їхньої концентрації виражається першим законом Рауля (1887р.): відносне зниження тиску насиченої пари над розчином прямопропорційне мольній частці розчиненої речовини.

Зниження тиску насиченої пари розчину описується законом Рауля, який для ідеального бінарного (такого, що складається із двох компонентів — розчинника і однієї розчиненої речовини) розчину формулюється так: відносне зниження тиску насиченої пари розчинника над розчином рівне мольній частцірозчиненої речовини:

 

де P⁰A — тиск пари над чистим розчинником, P_A— тиск пари над розчином, X_B— мольна частка

 

З молекулярної точки зниження тиску насиченої пари розчинника над розчином із збільшенням концентрації розчиненої речовини можна пояснити тим, що наявність молекул розчиненої речовини на поверхні розчину перешкоджає виходу молекул розчинника у пару але не перешкоджає їх поверненню.

На основі закону Рауля можна визначати молекулярну масу речовин (неелектролітів). Розчини електролітів не підлягають закону Рауля внаслідок електролітичної дисоціації (через збільшення кількості часточок у розчині).

Другий закон Рауля: підвищення температури кипіння, або зниження температури замерзання розчину прямопропорційне молярній концентрації розчиненої речовини. Коефіцієнти пропорційності називають відповідно ебуліоскопічна і кріоскопічна сталі. Значення коефіцієнтів залежать лише від природи розчинника.

Наявність у розчині молекул розчиненої речовини може блокувати випаровування молекул розчинника, але не їх конденсації.