Вода. Свойства воды как растворителя.
Самым распространенным растворителем на земле является вода. Организмы животных и растений содержат от 50 до 90% воды. В организме человека вода составляет около 65% от массы тела. Большая часть воды в организме находится внутри клеток (70%), около 23% составляет межклеточная вода, а остальная (7%) находится внутри кровеносных сосудов и в составе плазмы крови. Потеря организмом человека более 10% воды может привести к смерти. При продолжительности жизни 70 лет человек потребляет 25т воды.
Многие лекарственные средства представляют собой водные растворы веществ. Для их приготовления обычно используется дистиллированная вода. Эту воду получают путем кипячения воды и последующей конденсацией водяного пара; данный процесс называется перегонкой (дистилляцией), он позволяет очисть водопроводную воду от содержащихся в ней примесей.
В табл. 2. приведены для сравнении физико-химические свойства воды других растворителей. Вследствие своих аномальных свойств вода -универсальный растворитель.
Прежде всего, вода хорошо растворяет ионные и многие полярные соединения. Такое свойство воды связано в значительной мере с ее диэлектрической проницаемостью (ε=78,5). Поскольку силы притяжения между ионами, согласно закону Кулона, меняются обратно пропорционально величине ε, притяжение между ионами уменьшается примерно в восемьдесят раз при растворений ионных соединений в воде. В результате многие ионные соединения диссоциируют и отличаются высокой растворимостью в воде.
Таблица 2.Физико - химические свойства растворителей.
| Свойства | Вода | Спирт | Гексан |
| Температура плавления (замерзания), К | |||
| Температура кипения, К | |||
| Плотность, кг/м3 при 277 К при 273К при 293 К | 916,7 999,9 | ||
| Молярная теплоемкость С, Дж/моль∙К | 75,3 | ||
| Молярная теплота плавления, кДж/моль | 6,00 | 5,02 | |
| Диэлектрическая проницаемость | 78,5 | 25,2 | 1,9 |
| Молярная теплота испарения, кДж/моль | 40,8 | 39,3 | 31,5 |
| Вязкость, Н∙с/м2 при 293 К | 0,001 | 0,0012 | 0,0032 |
| Дипольный момент* Кл∙м | 6,1∙10-30 | 5,7∙10-30 | |
| Поверхностное натяжение, Н/м при 293 К | 0,0728 | 0,0223 | 0,0184 |
* 1∙ 10-30 Кл∙м=1D
Другой многочисленный класс веществ, хорошо растворимых в воде, включает такие полярные органические соединения, как сахара, альдегиды, кетоны, спирты. Их растворимость в воде объясняется склонностью молекул воды к образованию полярных связей с полярными функциональными группами этих веществ, например, с гидроксильными группами спиртов и сахаров или с атомом кислорода карбонильной группы альдегидов и кетонов.
Важны и другие аномальные свойства воды: высокое поверхностное натяжение, низкая вязкость, высокие температуры плавления и кипения и более высокая плотность в жидком состоянии, чем в твердом.
Молекула воды образуется из двух атомов водорода и атома кислорода. Угол между связями составляет 104,5°. В результате ассиметрии в распределении электронов вокруг атома кислорода центр отрицательного электрического заряда (неподеленной пары) электронного облака не совпадает с центром положительного заряда атома кислорода. Это приводит к появлению большого электрического дипольного момента молекулы воды, определяющего ее полярные свойства и хорошую растворимость полярных и низкую растворимость неполярных веществ в воде.
Для воды характерно наличие ассоциатов – групп молекул, соединенных водородными связями. В зависимости от сродства к воде функциональные группы растворяемых частиц подразделяются на гидрофильные (притягивающие воду), легко сольватируемые водой, гидрофобные (отталкивающие воду) и дифильные.
К гидрофильным группам относятся полярные функциональные группы: гидроксильная –ОН, амино – NH2, тиольная –SH, карбоксильная –СООН. К гидрофобным – неполярные группы, например, углеводородные радикалы: СН3– (СН2)n–, С6Н5–. К дифильным относят вещества (аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты), молекулы которых содержат как гидрофильные группы: –ОН, –SH, – NH2, СООН., так и гидрофобные группы: СН3– (СН2)n–, С6Н5–.
Растворы.
Растворы имеют большое значение как в медицине. Растворами являются плазма крови, спинно-мозговая жидкость, лимфа и.т.д. Лекарственные вещества эффективны лишь в растворенном состоянии в организме, все биохимические реакции протекают в растворах. В связи с этим необходимо определять концентрации веществ в различных биологических жидкостях и лекарственных препаратах. Для этого широко применяют метод титриметрического анализа, который изложен в следующем разделе.
Растворы - гомогенные (однородные) системы, состоящие из растворителя, растворенного вещества и продуктов их взаимодействия. Вещества, составляющие раствор, называют компонентами реакции. Растворителем считают тот компонент, который в растворе находится в том же агрегатном состоянии, что и до растворения. Например, в водном растворе глюкозы (твердое вещество) растворителем является вода.
По агрегатному состоянию растворы могут быть газообразными, жидкими и твердыми.
Классификация растворов.Растворы веществ с молекулярной массой меньше 5000г/моль называют растворами низкомолекулярных соединений (НМС), больше 5000 г/моль - растворы высокомолекулярных соединений (ВМС).
По наличию или отсутствию электролитической диссоциации растворы НМС подразделяют на три класса - растворы электролитов, неэлектролитов.
Растворы электролитов - растворы диссоциирующих на ионы солей, кислот и оснований. Электропроводность растворов электролитов выше, чем растворителя. Например, растворы KNO3, НCl, KOH.
Растворы неэлектролитов - растворы веществ, практически не диссоциирующих в воде. Например, растворы сахарозы, глюкозы, мочевины. Электропроводность растворов неэлектролитов мало отличается от растворителя.
В лабораторной практике различают концентрированные растворы (содержание растворенного вещества соизмеримо с содержанием растворителя) и разбавленные растворы (содержание растворенного вещества мало по сравнению с содержанием растворителя).
Иногда растворы определяют как дисперсные системы. При этом растворитель, в котором распределено вещество, называется дисперсной средой, а частицы растворенного вещества - дисперсной фазой. По степени дисперсности различают:
| Грубодисперсные системы (взвеси) | Коллоидные системы (кровь, лимфа, слюна, белки) | Истинные растворы (раствор соли в воде) |
| Размер частиц дисперсной фазы | ||
| Больше 100 нм | 1-100 нм | меньше 1 нм |
Таким образом, если одно вещество диспергировать (разрушать) в другом, то, в зависимости от размера частиц диспергируемого вещества, можно получить системы трёх типов:
I. Взвеси – это дисперсные системы, в которых размеры распределённых частиц сравнительно велики (10–7–10 –5 м). Взвеси делятся на суспезии и эмульсии; в первых распределённое вещество твёрдое, во вторых – жидкое. Частицы взвеси видны простым глазом или в обычный оптический микроскоп. Взвеси – системы мутные и непрозрачные. Взвеси неустойчивы, частицы диспергированного вещества выпадают в осадок (песок + вода), а если плотность диспергированного вещества меньше плотности среды, то диспергированное вещество всплывает (глина + масло). Процесс разделения взвесей называется седиментацией (для суспензий) и расслоением(для эмульсий).
II. Коллоидные системы – это такие дисперсные системы, в которых частицы распределённого вещества имеют размеры порядка 10–9–10–7 м. Каждая такая частица может содержать большое число атомов или молекул. Такие частицы невидимы через обычный микроскоп, но видимы в ультрамикроскоп, где свет падает сбоку или сзади, в результате чего в поле зрения видны светлые точки, возникающие в результате рассеяния света диспергированными частицами.
III. Истинные растворы или просто растворы – это дисперсные системы, в которых диспергированное вещество распределено в среде в виде молекул или ионов; частицы имеют размеры порядка 10–10–10–7 м. Растворы системы однородные, устойчивые.