дается поглоще–нием теплоты, например гелия и неона в ацетоне, бен–золе, этаноле, циклогексане.
При растворении твердых веществ с молекулярной кристаллической структурой и жидкостей молекуляр–ные связи не очень прочные, и поэтому обычно ΔНсол> ΔНкр Это приводит к тому, что растворение, например, спиртов и сахаров представляет собой экзотермиче–ский процесс (ΔНраств< 0).
При растворении твердых веществ с ионной решет–кой соотношение энергий Екр и Есол могут быть различ–ным. Однако в большинстве случаев энергия, выделяе–мая при сольватации ионов, не компенсирует энергию, затрачиваемую на разрушение кристаллической решет–ки, следовательно, и процесс растворения является эн–дотермическим.
Таким образом, термодинамические данные позво–ляют прогнозировать самопроизвольное растворение различных веществ на основе первого и второго начал термодинамики.
14. Растворимость
Если растворимое вещество контактирует с раство–рителем, процесс образования раствора во многих слу–чаях идет самопроизвольно до тех пор, пока не достига–ется некоторая предельная концентрация (наступает насыщение). Это происходит при достижении равнове–сия, когда энтальпийный и энтропийный факторы срав–няются, т. е. ΔН = TΔS.
Например, при внесении кристаллов в жидкость с по–верхности кристалла в раствор переходят молекулы или ионы. Вследствие диффузии частицы равномерно рас–пределяются по всему объему растворителя. Растворе–ние идет до насыщения.
Раствор, содержащий при данной температуре мак–симальное количество растворенного вещества и нахо–дящийся в равновесии с избытком растворяемого ве–щества, называется насыщенным.
Перенасыщенный раствор – раствор, концентра–ция которого выше, чем в насыщенном.
Раствор с меньшей концентрацией, чем насыщен–ный, называют ненасыщенным.
Способность вещества растворяться в том или ином растворителе называется растворимостью. Численно растворимость вещества равна концентрации его на–сыщенного раствора.
Растворимость может быть выражена в тех же едини–цах, что и концентрация, например через количество рас–творенного вещества, содержащегося в 1 л насыщен–ного раствора, моль/л, или через массу растворенного вещества в 100 г насыщенного раствора. Единицей раство–римости является грамм на 100 г растворителя. Соответ–ствующая величина называется коэффициентом раствори–мости.
Растворимость зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, температуры, давления, при–сутствия в растворе других веществ.
14б Влияние на растворимость природы компо–нентов
Способность веществ растворяться определяется характером сил взаимодействия между молекулами компонентов раствора X1 и Х2 : растворитель – раство–ритель (X1 – X1 ), растворенное вещество – растворен–ное вещество (Х2 – Х2 ), растворитель – растворенное вещество (Х1 – Х2 ) (точки обозначают молекулярную связь).
Растворимость веществ колеблется в широких пре–делах. В примерах приведена растворимость различных солей в одном и том же растворителе (воде) и раство–римость одного и того же вещества (AgNО3 ) в различных растворителях.
Вещества с ионным типом связи и вещества, состоя–щие из полярных молекул, лучше растворяются в поляр–ных растворителях, таких как вода, спирты. Эти раство–рители характеризуются высокой диэлектрической проницаемостью.
Высокая растворимость веществ довольно часто обус–ловлена образованием межмолекулярных, в частности водородных, связей. Так, неограниченная взаимная раст–воримость воды и спирта объясняется образованием водородных связей между молекулами воды и спирта, а растворение кристаллов AgcI в водном растворе ам–миака объясняется образованием химической донор-но-акцепторной связи иона серебра с молекулами ам–миака (AgCI в воде практически нерастворим). По этой же причине в пиридине – растворителе с низкой диэлек–трической проницаемостью – обнаруживается очень высокая растворимость.
Так как растворимость характеризует истинное рав–новесие, влияние внешних условий на это состояние (давления, температуры) можно качественно оценить, воспользовавшись принципом Ле Шателье. Подобные оценки необходимы в практике глубоководных погруже–ний, при работе в горячих цехах и т. п.
15. Растворимость газов в жидкостях. Законы Генри—Дальтона и Сеченова
Растворение газов в жидкостях почти всегда сопро–вождается выделением теплоты. Поэтому раствори–мость газов с повышением температуры согласно принципу Ле Шателье понижается. Эту закономер–ность часто используют для удаления растворенных га–зов из воды (например С02 ) кипячением. Иногда рас–творение газа сопровождается поглощением теплоты (например, растворение благородных газов в некото–рых органических растворителях). В этом случае повы–шение температуры увеличивает растворимость газа.
Газ не растворяется в жидкости беспредельно. При не–которой концентрации газа X устанавливается равно–весие:
При растворении газа в жидкости происходит значи–тельное уменьшение объема системы. Поэтому повы–шение давления согласно принципу Ле Шателье долж–но приводить к смещению равновесия вправо, т. е. к увеличению растворимости газа. Если газ малораст–ворим в данной жидкости и давление невелико, то растворимость газа пропорциональна его давлению. Эта зависимость выражается законом Генри (1803г.): количество газа, растворенного при данной тем–пературе в определенном объеме жидкости, при равновесии прямо пропорционально давлению газа.
Закон Генри может быть записан в следующей форме:
с(Х) = Kr(X) × P(X)
где – концентрация газа в насыщенном раство–ре, моль/л;
P(X) – давление газа X над раствором, Па;
Kr(X) – постоянная Генри для газа X, моль×л-1 × Па-1 .
Константа Генри зависит от природы газа, рас–творителя и температуры.
Закон Генри справедлив лишь для сравнительно раз–бавленных растворов, при невысоких давлениях и отсут–ствии химического взаимодействия между молекулами растворяемого газа и растворителем.
Закон Генри является частным случаем общего закона Дальтона. Если речь идет о растворении не одного газооб–разного вещества, а смеси газов, то растворимость каж–дого компонента подчиняется закону Дальтона: раство–римость каждого из компонентов газовой смеси при постоянной температуре пропорциональна парциаль–ному давлению компонента над жидкостью и не зави–сит от общего давления смеси и индивидуальности других компонентов.
Иначе говоря, в случае растворения смеси газов в жидкости в математическое выражение закона Генри вместо подставляют парциальное давление р! дан–ного компонента.
Под парциальным давлением компонента понимают долю давления компонента от общего давления газовой смеси:
Рi/ Робщ
Парциальное давление компонента рассчитывают по формуле
Изучая растворимость газов в жидкостях в присутст–вии электролитов, русский врач-физиолог И. М. Сече–нов (1829—1905) установил следующую закономерность (закон Сеченова): растворимость газов в жидкостях в присутствии электролитов понижается; происходит высаливание газов.
Рi = Робщ ×(Xi)
где pi – парциальное давление компонента Хi;
Робщ – общее давление газовой смеси;
х(Хi) – молярная доля i-ого компонента.
Изучая растворимость газов в жидкостях в присутствии электролитов, русский враччфизиолог И. М. Сеченов (1829—1905) установил следующую закономерность (закон Сеченова): растворимость газов в жидкостях в присутствии электролитов понижается; происходит высаливание газов.
16. Роль диффузии в процессах переноса веществ в биологических системах
Диффузия играет важную роль в биологических си–стемах. Прежде всего перемещение питательных ве–ществ и продуктов обмена в тканевых жидкостях проис–ходит посредством диффузии. Кроме того, во многих случаях скорость физико-химических процессов в жи–вых организмах определяется скоростью диффузии реа–гирующих веществ, так как диффузия реагентов, как правило, является наиболее медленной стадией про–цесса, в то время как биохимические реакции при учас–тии ферментов протекают очень быстро.
Всякая живая клетка окружена мембраной, которая служит для защиты и регуляции внутриклеточной сре–ды. Вещества проходят через мембраны по двум ос–новным механизмам: путем обычной диффузии (пас–сивный транспорт) и энергетически активированного переноса (активный транспорт).
Внутренний слой мембраны состоит из углеводород–ных цепей. Поэтому многие небольшие нейтральные молекулы и неполярные молекулы НМС растворимы в этом слое и могут проходить через мембрану путем обычной диффузии по градиенту концентрации. Такой транспорт веществ называется пассивным.
Диффузия играет большую роль в процессе насыще–ния крови кислородом в легких. Вследствие большой разветвленности поверхность альвеол легких велика (~ 80 м2 ), поэтому кислород активно растворяется в плаз–ме и попадает в эритроциты. Венозная кровь обеднена кислородом – концентрация кислорода в венозной крови стремится к нулю. Следовательно, градиент кон–центрации кислорода между атмосферой и кровью, по–ступающей в легкие, высокий, что приводит к активно–му поглощению (по закону Фика).
Перенос веществ из области с меньшей кон–центрацией в область с большей концентрацией против градиента называется активным транспортом. Такой процесс не может идти самопроизвольно и тре–бует энергетических затрат. Источником энергии яв–ляется экзоэргоническая реакция гидролиза бионеорга–нического соединения – аденозинтрифосфата (АТФ).
Устойчивое стационарное распределение концент–раций ионов К внутри и вне клетки достигается, когда поток ионов К через мембрану внутрь клетки становит–ся равным потоку ионов К из клетки, возникающему вследствие пассивной диффузии. Аналогично дости–гается распределение (ионный гомеостаз) и для ионов Na, только активный транспорт и компенсирующая пас–сивная диффузия ионов направлены противоположно со–ответствующим потокам ионов К.