Водно-дисперсные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Водно-дисперсные системы

1. Биологическая роль воды. Особенности строения ее молекулы

вода молекула биологический осмос

Вода - наиболее распространенное соединение на Земле. Количество воды равно 1,4х10¹⁸ т. и она покрывает 4/5 земной поверхности. Это единственное химическое соединение, которое существует в виде жидкости, газа и твердого вещества.

Вода играет жизненно важную роль в промышленности, быту, лабораторной практике, совершенно необходима для поддержания жизни. Химический анализ любого организма показывает, что в его состав входит вода (65%), соли (5%), органические вещества: углеводы (1%), белки (15%), жиры (14%). Высокое содержание воды имеет место во всех организмах животного и растительного происхождения, что, несомненно, говорит об очень значительной роли воды в процессах жизнедеятельности.

Кровь, лимфа, спинномозговая жидкость, растительные соки состоят преимущественно из воды. Она является внутренней средой организма. Необходимо отметить, что количество воды в отдельных органах различно: в скелете - 22%; хрящах - 55%; в мышцах - 76%; в сердце - 78%; в почках - 83%; в коре мозга - 84%. Особенно богаты водой те органы, которые наиболее интенсивно функционируют, что возможно благодаря наибольшему содержанию растворителя, которым является вода. Наличие значительного количества воды необходимое условие для разнообразных химических реакций, так как только в водной среде биохимические процессы протекают с той интенсивностью, которая характерна для живого организма.

Наиболее универсальным растворителем является вода, что объясняется ее уникальными физико-химическими свойствами, большой химической активностью и сравнительной доступностью.

Различают свободную и связанную воду. Свободная вода играет роль дисперсионной среды, молекулы ее располагаются хаотично. Связанная или гидратационная вода отличается от свободной воды упорядоченным расположением своих молекул, и это приближает её к свойствам твёрдого тела. Она, имея большую плотность, выполняет структурную функцию и при температуре ниже 0⁰ С она не замерзает, выполняя защитную функцию.

Молекула воды Н₂О образуется из атома кислорода и двух атомов водорода. Атом кислорода имеет два не спаренных p- электрона, занимающих две р-орбитали, расположенные под углом друг к другу. Кислород в молекуле воды находится в sp³-гибридизации. Атомы водорода имеют неспаренные s-электроны, угол между ними близок к прямому углу и составляет ~ 104,3 ⁰

Расстояние между атомами водорода в молекуле воды составляет 0,15нм. Молекула воды имеет угловое положение. В химическом отношении вода реакционноспособное вещество, представляющая собой диполь. Как всякий диполь она имеет два полюса - положительный и отрицательный, обладает дипольным моментом. Дипольный момент равен произведению величины заряда (е) на расстояние между полюсами (l) т.е. центрами зарядов: М=el. Дипольный момент весьма высок у воды (М = 1,85), что обуславливает ее свойства хорошего растворителя.

Однако для суждения о способности одних веществ растворять в себе другие, более адекватным является понятие о диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость - это способность диполей понижать напряжённость электрического поля. Такие биологические соединения, как моча, кровь и др. имеют высокую диэлектрическую проницаемость, а поэтому являются хорошими растворителями. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем лучшими растворителями являются вещества. Диэлектрическая проницаемость воды высока и равна 80.

Жидкие полярные растворители взаимно ориентируются, образуя ассоцианты. Так, например, вода может существовать в виде димерных, тримерных и более сложных ассоциантов молекул. Ассоциация молекул происходит благодаря водородным связям, энергия которой = 5 ккал.

2. Растворение. Растворы. Основные свойства растворов: диффузия и осмос

Растворы - это многокомпонентные системы, состоящие из растворителя, растворенного вещества и продуктов их взаимодействия. Растворы могут быть жидкими, твердыми и газообразными. Они являются гомо- и гетерогенными системами.

Растворителем в гомогенной системе является вещество, которого больше. В гетерогенной системе растворителем является вещество, агрегатное состояние которого приобретает полученный раствор.

Процесс растворения обусловлен взаимодействием растворяемых веществ и растворителя. Растворимость при этом тем выше, чем выше химическое сродство смешиваемых веществ. Растворы по свойствам отличаются от чистых растворителей, например, температура кипения их выше, а температура замерзания ниже.

Дисперсные системы - это системы, состоящие из мелкораздробленных частиц одного вещества (или нескольких), распределённых более или менее равномерно в массе другого вещества.

Раздробленное вещество является дисперсной фазой, а вещество, в котором происходит распределение - дисперсионной средой.

Если дисперсионной средой служит вода, то образуются водно-дисперсные системы. Кровь, лимфа, моча, слюна, желудочный и кишечный соки, спинномозговая жидкость - это водно-дисперсные системы организма.

По степени дисперсности водно-дисперсные системы делятся на истинные растворы, коллоидные растворы и взвеси.

Истинные растворы с размером частиц равным 10^-7 - 10^-9 см; они гомогенны, прозрачны, оптически пусты, не имеют поверхности раздела фазы и среды, легко фильтруются, не оседают под действием силы тяжести и поэтому устойчивы;

Коллоидные растворы размер частиц дисперсной фазы равны 10^-7 -10^-5 см; дисперсная фаза в них - это агрегаты из множества мелких молекул, крупных молекул, ионов.

Взвеси (суспензии, эмульсии) - размер частиц больше 10^-5 см. Примерами суспензии может служить взвесь форменных элементов в крови, а в качестве эмульсий могут быть представлены молоко, взвесь жиров в кишечном соке и др. Гетерогенные системы, содержащие частицы размером более 100 нм, являются грубодисперсными и кинетически (т.е. во времени) не устойчивы. К ним относятся пены (газ в жидкости), эмульсии (жидкость в жидкости) и суспензии (твердые вещества в жидкостях).

Диффузия и осмос.

Диффузия - это самопроизвольный процесс выравнивания концентрации растворенного вещества в растворе. Она обусловлена тепловым броуновским движением растворенного вещества и растворителя, причем растворенное вещество перемещается в сторону меньшей концентрации по ингредиенту концентрации.

Существует 3 вида диффузии: пассивная (броуновское движение), легчённая (происходит с затратой энергии, с помощью переносчиков), активная (или осмос; происходит со значительной затратой энергии).

Биологическая роль диффузии состоит в перемещении О₂, СО₂, питательных веществ и продуктов обмена веществ в тканевых жидкостях; а также влияет на скорость многих физико-химических реакций в организме.

Осмос - это одностороннее проникновение растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор с большей концентрацией.

Осмотическое давление - это сила, с которой растворитель давит на полупроницаемую мембрану, проходя через неё. Величина осмотического давления в организме регулируется гипоталамусом, который выделяет гормон вазопрессин, который способствует всасыванию воды в почечных канальцах и, как следствие, выведению воды из организма. В 1886г. Вант - Гофф показал, что осмотическое давление (Росм.) прямо пропорционально концентрации и температуре раствора, и выражается формулой:

Росм. = с R T,

где Р - осмотическое давление, с - молярная концентрация, R - газовая постоянная, равная 0,082, Т - абсолютная температура.

Известно, что осмотическое давление электролитов больше, чем неэлектролитов той же молярной концентрации. Это объясняется тем, что молекулы электролита распадаются на ионы, вследствие чего увеличивается концентрация кинетически активных частиц. В связи с этим для определения осмотического давления для электролитов вводится изотонический коэффициент i: Р = i C R T.

В поддержании осмотического давления в организме играют ионы Na, соли, сахара и др. В зависимости от величины осмотического давления различают растворы гипо-, гипер- и изотонические. Изотоническими растворами являются растворы с одинаковым осмотическим давлением. Гипотоническими - с меньшим, а гипертонические имеют большее осмотическое давление.

Биологическая роль осмотического давления: состоит в том, что оно обусловливает тургор (упругость) клеток, поддерживает эластичность тканей, сохраняет определённую форму органов, обеспечивает нормальное течение гидратации, диссоциации веществ, гидролиза и окисления.

3. Коллоидные растворы: строение, биологическая роль

Структурной единицей коллоидного раствора является мицелла. Основа коллоидной частицы (мицеллы) - ядро. Ядро состоит из электронейтрального агрегата частиц с адсорбированными на его поверхности ионами элементов. Коллоидная частица имеет ещё и слой противоионов, вместе с которым образует гранулу, имеющую заряд. Вокруг гранулы формируется слой противоионов, который вместе с растворителем образует диффузный адсорбционный слой. Коллоидная гранула и диффузный слой образуют электронейтральную мицеллу.

Рис. 1. Схема строения коллоидной мицеллы

1-ядро; 2-двойной электрический слой;

3-его адсорбционная часть; 4-его диффузная часть

Коллоидные растворы обладают свойствами:

- оптическим эффектом Тиндаля - пучок света, проходящий через коллоидный раствор, становится видимым как светящийся конус;

- явлением опалесценции - в луче света можно различить движение и свечение коллоидных частиц;

-оптически пусты;

-подвергаются электрофорезу, поскольку имеет заряд;

- кинетически и агрегативно устойчивы;

- стареют;

- обратимой и необратимой коагуляцией (под воздействием электролитов - солей лёгких и тяжёлых металлов соответственно).

Изучение броуновского движения коллоидных растворов показало, что кинетические свойства коллоидных растворов близки кинетическим свойствам истинных растворов. Однако, скорости перемещения частиц в коллоидах меньше, чем в истинных растворах. При этом согласно правилу Шульца - Гарди, чем выше валентность коагулирующего иона, тем меньшая концентрация раствора электролита требуется для коагуляции коллоида.

Если заряд коллоидной частицы Равен нулю, то такое состояние частицы называется изоэлектрическим; рН среды, при которой заряд коллоидной системы равен 0, называется изоэлектрической точкой. Коллоидные частицы в этом случае слипаются, укрупняются, теряют агрегатную устойчивость, коагулируют и образуют осадок.

Выпадение коллоида в осадок называется седиментацией. Разрушение коллоидной системы называется денатурацией.

4. Электролитическая диссоциация. Водородное число, водородный показатель. Активная реакция среды, ее роль в организме

Шведский химик С. Аррениус (1887) провел исследования зависимости электропроводности и установил, что электролиты в растворах распадаются на ионы и в отсутствие электрического тока. Аррениус предложил теорию электролитической диссоциации, которая в настоящее время является общепризнанной. Электролитическая диссоциация - это процесс распада электролита на ионы при его растворении или расплавлении. При растворении в воде электролиты диссоциируют на катионы и анионы. Под действием электрического тока положительно заряженные ионы движутся к катоду, а отрицательно заряженные - к аноду. Не все электролиты в одинаковой степени распадаются на ионы, полнота распада электролитов на ионы зависит от: природы электролита, его концентрации, характера растворителя, температуры. Процесс электролитической диссоциации является обратимым, а поэтому, как в любой обратимой реакции, может иметь место химическое равновесие, когда в единицу времени, сколько молекул образуется, столько и распадается.

KCI K⁺

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

+ CI^-

V_пр. = V_обр.

Сильные и слабые электролиты.

Все вещества делятся на электролиты и неэлектролиты. Электролиты - вещества, растворы и расплавы которых проводят электрический ток. Растворы и расплавы неэлектролитов не проводят электрический ток.

При диссоциации электролиты распадаются на положительно и отрицательно заряженные частицы - ионы (катионы и анионы соответственно). Согласно химической теории растворов Д. И. Менделеева легко объясняется теория электролитической диссоциации, констатирующая, что в растворе существуют только гидратированные ионы растворенного вещества, а гидратация ионов - основная причина распада веществ на ионы.

Характеристикой силы электролита является степень диссоциации (L), которая отражает отношение числа молекул, распавшихся на ионы к общему числу молекул в растворе:

L = n / N х 100%;

Используя величину степени диссоциации, электролиты классифицируют на сильные L =35%, средние L=35%- 3%, слабые L - меньше 3%. Величина L зависит от природы растворителя и растворенного вещества; температуры; концентрации; введения одноимённого иона.

Однако L характеризует не «истинную», а кажущуюся способность электролитов к диссоциации. Истинную силу электролита отражает константа диссоциации. Константа диссоциации (k) не зависит от концентрации, но зависит от температуры. Чем выше константа диссоциации, тем сильнее электролит:

АВ = [А]⁺ [В]^- k = [А]⁺ [В]^-/ [АВ],

где [А]⁺ [В]^- - концентрация ионов, АВ- молярная концентрация растворенного вещества.

Свойства электролитов: осмотическое давление и температура кипения у них выше, чем у неэлектролитов; температура замерзания, давления пара ниже. Они способны проводить электрический ток, т.е. обладают электропроводностью (L) и др.

Электропроводность - это величина обратная сопротивлению проводника: L=1/ R (Ом). Удельная электропроводность равна электропроводности проводника длиной 1см с площадью поперечного сечения 1кв. см. Электропроводность обусловлена скоростью движения и количеством ионов в единице объёма раствора, а скорость движения ионов при этом зависит от размеров гидратированных ионов, температуры, валентности ионов, концентрации электролита.

Электролитическая диссоциация воды.

Вода является слабым электролитом. Молекулы воды в незначительной степени распадаются на ионы в результате самоионизации или автопротолиза:

H₂O = H⁺ + ОН ^-

Вода ведёт себя как амфотерный электролит, т.к. при её диссоциации образуются катионы водорода, которые в соответствии с теорией электролитической диссоциации являются носителями кислотности и анионы гидроксила - носителями основных свойств.

Константа равновесия реакции диссоциации воды равна соотношению произведения образовавшихся ионов к общему количеству молекул, находящихся в растворе:

k Н₂О = [H ⁺][OH^- ]/ [H₂O].

Ионное произведение воды при этом величина постоянная и равна 10^-14 г-ионов/л и обозначается как i H₂O:

i Н₂О = [H⁺ ][OH ^- ] = 10^-7 х 10^-7 = 10^-14 ; [ H⁺ ] = [OH ^- ] = 10^-7;

В кислой среде концентрация ионов водорода [H⁺] больше концентрации ионов гидроксила [OH^-]; в щелочной: [H ⁺] < [OH ^-]; в нейтральной: [H⁺] = [OH ^-] = 10^-7.

Концентрация ионов водорода в 1 литре раствора называется водородным числом, а отрицательный десятичный логарифм водородного числа - водородным показателем:

рН = - lq [H⁺ ]; рН+рОН=14.

Для кислых растворов рН <7, для основных рН >7, в нейтральных рН=7.

Для измерения рН на практике проводят специальными приборами, называемые потенциометрами и рН-метрами, или используя кислотно-основные индикаторы (лакмус, фенолфталеин, метилоранж).

5. Буферные смеси: состав, механизм действия, биологическая роль. Буферная емкость

Водородный показатель служит для удобства выражения активности среды.

Все ферменты в организме имеют оптимум действия рН, при котором проявляют высшую активность. Например, пепсин желудочного сока расщепляет белки в сильнокислой среде с рН равным 1-2, амилаза слюны подвергает гидролизу крахмал в слабокислой среде с рН = 6,7.

Изменение активной реакции среды может усилить или снизить активность ферментов, а следовательно влиять на скорость химических реакций. Это явление может наблюдаться например в результате утомления организма при мышечной деятельности, когда изменение рН в системах органов замедляет подачу энергии на мышечное сокращение и работоспособность спортсмена снижается.

Постоянство рН поддерживается в организме буферными системами.

Буферные системы - это смеси растворов слабых кислот или оснований с растворами их солей или белков, которые способны препятствовать изменению рН водных сред.

Наибольшую роль в организме человека играют следующие буферные системы:

бикарбонатная

Н₂СО₃ - Н⁺ + НСО₃-

NаНСО₃ - Nа + НСО₃-

гемоглобиновая

К Нв + Н⁺- Н Нв + К⁺

фосфатная

NaH₂PO₄ - Na⁺ + H₂PO₄-

Na₂HPO₄ - 2Na⁺ + HPO₄^2-

аммонийная

NH₄OH - NH₄⁺ + OH-

NH₄ Cl - NH₄⁺ + Cl-

Буферные системы способны оказывать буферное действие, поддерживая рН при добавлении кислоты или щелочи. При этом кислота или щелочь реагирует с составными частями буферной системы.

Действие буферных систем ограничено их буферной емкостью измеряемой количеством кислоты или основания, которое необходимо добавить к буферному раствору, чтобы изменить величину рН на единицу в 1 литре раствора.

С ростом тренированности буферная емкость тканей увеличивается, и спортсмены могут переносить большее количество кислых продуктов (например, молочной кислоты) и большие сдвиги рН (в крови от 7,36 до 7,0 и 6,8).

Размещено на Allbest.ru