В прошлый раз мы с вами обсуждали, что большинство веществ в водной среде
будет присутствовать в виде так называемых ионов.
Но как мы можем быть уверены, что это не плод нашего воображения,
не просто удобная конструкция, а более-менее адекватное
отображение существующей реальности?
[МУЗЫКА] Для этого
используется три простых эффекта, которые доказывают существование именно ионов.
В первую очередь это изменение электропроводности растворителя.
Также само явление электролиза доказывает существование ионов.
Эти два эффекта мы будем обсуждать более подробно на следующей неделе.
Сегодня же мы посвятим себя так называемым коллигативным свойствам растворов.
Коллигативными называются такие свойства, которые будут зависеть лишь от
концентрации растворенных электролитов, но не от их химической природы.
Как правило, к коллигативным относят изменение давления пара растворителя,
изменение температуры кипения и замерзания растворителя,
а также так называемый осмотический эффект.
Изменение давления пара может быть легко показано с помощью простейшей модели.
Мы как бы закрываем активные места для испарения жидкости.
Чтобы записать данное условие более строго, мы можем воспользоваться
законом Рауля о том, что давление пара над
жидкостью будет пропорционально его молярной доле в растворе.
Тогда несложно показать для бикомпонентных систем,
что при увеличении молярной доли нашего растворенного электролита
давление пара растворителя будет значительным образом снижаться.
Тем не менее само измерение давления пара,
а тем более его изменения — достаточно сложная задача.
Именно поэтому используют, как правило,
две замечательные точки для жидкостей — это кипение и замерзание.
Именно изменение температуры кипения легло в основу так называемого метода
эбулиоскопии, который позволяет нам отслеживать молекулярную массу веществ,
растворенных в жидкости, лишь по изменению температуры кипения.
Действительно, мы можем в коротких пределах считать, что изменение
температуры — кипения, естественно, — прямо пропорционально изменению давления.
И, используя формулу, которую мы только что с вами вывели, несложно показать,
что изменение температуры кипения будет пропорционально лишь некой константе,
которую называют константой эбулиоскопии, и концентрации растворенного вещества.
При этом константа легко гуглится, они все хорошо табулированы.
Абсолютно аналогично выводится так называемый криоскопический эффект,
который проявляется в уменьшении температуры плавления вещества.
Например, при введении NaCl в воду мы можем
понизить температуру ее кристаллизации аж до –20°.
Формула же выглядит абсолютно одинаково,
только теперь у нас появляется не температура кипения,
а температура кристаллизации, и не константа эбулиоскопии,
а константа теперь уже криоскопии, но они все также хорошо табулированы.
Задачи на эту тему решаются очень-очень просто — буквально в одно действие.
Куда более интересен так называемый осмотический эффект,
который очень важен для живых организмов.
Осмотический эффект позволяет перераспределять
растворитель через мембрану, которая проницаема лишь только для растворителя,
что позволяет нам, нашим клеткам,
адаптироваться к условиям изменяющейся среды.
Наблюдать осмотический эффект вы можете с помощью очень простого эксперимента,
используя лишь картофель и сахарный раствор, как показано сейчас,
наверное, сбоку от меня.
Значения же в виде формул легко показать,
вводя так называемое осмотическое давление, которое легко
выводится из ΔG-реакции и которое пропорционально концентрации
опять-таки растворенных веществ вне зависимости от их химической природы.
Давайте подробнее рассмотрим осмотический эффект на примере конкретных задач.
В реальности осмотическое давление спасает даже жизни.
Так, осмотическое давление крови при
37° примерно равняется 7,6 атм,
и поэтому для введения растворов в организм нам
необходимо будет создавать примерно такое же осмотическое давление.
Давайте рассчитаем, какую массовую концентрацию глюкозы нам необходимо ввести
в воду, для того чтобы создать точно такое же осмотическое давление.
По определению,
Π (или осмотическое давление) — это концентрация электролита на R и на T.
Тогда легко показать, что концентрация —
это Π/RT.
Я всегда вас буду призывать считать именно в стандартной системе СИ,
потому что, конечно, мы можем использовать другое значение газовой постоянной, но,
как показывает жизнь, намного легче запутаться в таких случаях.
Потому мы будем использовать СИ: 7,6 атм / 8,31 Дж/моль*К
умножить на температуру в 310 К.
Мы переведем атмосферы в стандартные паскали.
Мы знаем, что в одной атмосфере 101325 Па/атм.
Тогда мы получим значение, равное 298,8.
И так как мы работаем в СИ, это моль/м³.
Все, что нам осталось сделать,
это вспомнить, что в 1 м³ содержится 1000 л,
и мы получаем примерно 0,299 моль/л (концентрация).
Вспоминая, что молекулярная масса глюкозы равна
примерно 180 г/моль,
мы можем легко показать, что нам необходим
5%-й массовой доли раствор глюкозы в воде.
Это будет так называемый изотонический раствор.
Тем не менее растворы с другими осмотическими
давлениями также находят свое применение.
Например, так называемые гипотонические растворы, то есть с
пониженным значением осмотического давления,
будут приводить к тому, что клетка будет набухать влагой, и, соответственно,
мы сможем, например, разбавить токсины в ней.
Гипертонические растворы с повышенным осмотическим давлением будут,
наоборот, осушать клетку, например,
снимать отеки в тканях.