Моллигативные свойства растворов
Некоторые свойства растворов зависят от природы растворенного вещества. Например, растворы солей на вкус соленые, а сахара-рафинада — сладкие. Растворы солей проводят электричество (более подробно об электролитах речь идет в главе 6, «Противоположности притягиваются: ионные связи»), а растворы сахара-рафинада — не проводят (потому что являются неэлектролитами). Растворы, содержащие катион никеля, обычно окрашены в зеленый цвет, а содержащие катион меди — в синий.
Однако некоторые свойства растворов не зависят от конкретного типа растворенного вещества. К ним относятся коллигативные свойства, которые зависят от количества частиц растворенного вещества. Вот эти свойства:
Моллигативные свойства растворов
S уменьшение давления пара;
S возрастание точки кипения;
S понижение точки замерзания;
S осмотическое давление.
Понижение давления пара раствора
Жидкость, находясь в закрытой емкости, со временем испаряется, и ее молекулы, пребывающие в газообразном состоянии, также вносят свой вклад в давление, оказываемое на жидкость. Давление, вызванное молекулами испаряющейся жидкости, называется давлением пара над раствором.
Опыт показывает, что при растворении в жидкости какого-либо вещества давление насыщенного пара этой жидкости понижается. Таким образом, давление насыщенного пара растворителя над раствором всегда ниже, чем над чистым растворителем при той же температуре. Причина заключается в том, что частицы растворенного в жидкости вещества занимают некоторое место на ее поверхности, поэтому испарение растворителя из раствора происходит медленнее, чем из чистого растворителя. Испарение растворителя затруднено еще и потому, что между частицами растворенного вещества и растворителя возникают силы притяжения. Кроме того, понижение давления зависит не от свойств растворенного вещества, а от его концентрации.
Другими словами, если растворить один моль сахарозы в одном литре воды, а моль декстрозы — в другом, то в обоих случаях давление пара раствора уменьшится одинаково, поскольку количество частиц растворенного вещества в обоих случаях является одинаковым. Впрочем, если растворить один моль хлорида натрия, то давление пара понизится в два раза больше, чем в растворе сахарозы или глюкозы. Причина состоит в том, что при растворении каждая молекула хлорида натрия распадается на два иона, а следовательно, добавление одного моля хлорида натрия в раствор приводит к образованию двух молей частиц (ионов).
Таким образом, теперь легко объяснить, почему скорость испарения воды в Большом Соленом Озере (Great Salt Lake) существенно ниже, чем в других водоемах. Поскольку концентрация соли в нем очень высока, давление пара (а следовательно, и испарение) значительно уменьшается.
Зачем летом использовать антифриз? Повышение температуры кипения
Индивидуальные вещества характеризуются строго определенными температурами переходов из одного агрегатного состояния в другое (при данном давлении). Так, вода при нормальном атмосферном давлении кипит при 100 °С. Эта температура называется точкой кипения воды. Используя ту или иную жидкость в качестве растворителя, можно заметить, что у полученного раствора точка кипения всегда выше, чем у чистой жидкости. Таким образом, наличие растворенного вещества повышает температуру кипения.
Теперь понятно, почему летом в своем автомобиле вы используете антифриз, а не чистую воду. Вам нужна такая охлаждающая жидкость, которая закипает при более высокой температуре и, не закипая, забирает у двигателя по возможности больше тепла. Кроме того, на радиаторе вашего автомобиля имеется колпачок давления: ведь, чем выше давление, тем выше точка кипения.
Понятно также и то, почему щепотка соли, брошенная в воду в процессе приготовления макарон, немного ускоряет их приготовление. Наличие соли в воде повышает точку кипения раствора, и за данный промежуток времени на приготовление продуктов расходуется больше энергии.
Вы сможете вычислить точку кипения, если воспользуетесь следующей формулой:
AW = Em.
Здесь А1шп — повышение температуры кипения2; Е — эбуллиоскопическая посто-янная3; m — моляльность частиц. (Для молекулярных веществ моляльную концентрацию принимают равной моляльной концентрации вещества; что же касается ионных соединений, то здесь необходимо учитывать образование в растворе ионов и вычислять их моляльную концентрацию.) Для воды эбуллиоскопическая постоянная E равна 0,52. Если в качестве растворителя используется какая-то другая жидкость, то эбуллиоскопическая постоянная будет принимать иные значения.
Приготовление мороженого: понижение температуры замерзания
Каждая жидкость замерзает при определенной температуре. Иначе обстоит дело с растворами. Наличие растворенного вещества понижает температуру замерзания растворителя, и тем сильнее, чем концентрированнее раствор. В большинстве случаев из раствора кристаллизуется (при замерзании) только растворитель, вследствие чего концентрация раствора в ходе замерзания увеличивается. Это, в свою очередь, приводит к еще большему снижению температуры замерзания. Таким образом, раствор замерзает не при определенной температуре, а в некотором температурном интервале. Разность между температурами замерзания чистого растворителя и раствора называют понижением температуры замерзания раствора.
Понижение температуры замерзания раствора по сравнению с чистым растворителем объясняет, зачем для приготовления мороженого в домашних условиях в смесь воды со льдом добавляется небольшое количество соли. Каменная соль образует раствор, имеющий более низкую температуру замерзания по сравнению с чистой водой (или по сравнению с пищевой смесью, из которой должно получиться мороженое). Понижение точки замерзания также объясняет тот факт, почему для таяния льда по нему разбрасывают соль (обычно хлорид кальция, CaCl2). Растворение хлорида кальция представляет собой экзотермический процесс, в результате которого выделяется большое количество тепла. Поэтому, растворяясь, хлорид кальция способствует растапливанию льда. Раствор соли, полученный в результате таяния льда, имеет более низкую температуру замерзания, что не позволяет раствору замерзнуть при данной температуре. Кроме того, понижение температуры замерзания объясняет, почему зимой в системе охлаждения вашего автомобиля используется антифриз, а не обычная вода. Ведь, чем больше его используется (вплоть до концентрации 50/50), тем ниже точка его замерзания.
Если вам интересно, можете вычислить, насколько должна понизиться температура замерзания:
Atзам = Km.
Здесь А1ззам — величина, на которую должна уменьшиться температура замерзания; K — криоскопическая постоянная4; m — моляльность частиц. Криоскопи-ческая постоянная для воды равна 1,86, а для бензола — 5,07.
На рис. 11.2 показано влияние растворенного вещества на температуру замерзания и температуру кипения растворителя.
2 Другими словами, разность между температурами кипения раствора и чистого вещества. — Примеч. ред.
3 От лат. ebullire — выкипать; эта постоянная зависит только от природы растворителя и не зависит от природы растворенного вещества. — Примеч. ред.
4 От греч. «криос» — холод; зависит только от природы растворителя, но не зависит от природы растворенного вещества. — Примеч. ред.
Температура кипения 100 oC
Температура кипения
Вода
Раствор
Температура замерзания
Температура замерзания
Рис. 11.2. Повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания раствора
Кровяные тельца в целости и сохранности: осмотическое давление
Возьмем, например, емкость и разделим ее тонкой мембраной на два отделения. В этой мембране находятся микроскопические поры, достаточно большие, чтобы через них проходили молекулы растворителя (воды), но не проходили частицы растворенных в воде веществ. Такого рода мембраны называются полупроницаемыми; через них могут проходить сравнительно малые частицы, однако частицы большего размера через такие мембраны уже не пройдут.
Затем в одно отделение нальем концентрированный раствор соли, а в другое — раствор этой же соли, но более разбавленный5. Вначале оба раствора находятся на одном уровне. Но со временем можно заметить, что в отделении с концентрированным раствором уровень по-
высился, а в отделении с разбавленным раствором — понизился. Причина такого изменения уровней заключается в том, что через полупроницаемую мембрану из более разбавленного раствора в более концентрированный проходят молекулы воды. Это так называемое явление осмоса — переход растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор с более высокой концентрацией растворенного вещества. По мере поднятия уровня раствора в емкости будет создаваться избыточное давление (гидростатическое), измеряемое разностью уровней жидкости и противодействующее проникновению молекул воды в раствор. Когда гидростатическое давление достигнет определенной величины, процесс осмоса прекратится — наступит равновесие. Гидростатическое давление станет равным тому давлению, которое служит количественной характеристикой осмоса, — осмотическому давлению раствора. Процесс осмоса показан на рис. 11.3.
Полупроницаемая мембрана
Осмотическое давление
\ п *
Концентрированный раствор соли
— Растворитель
Разбавленный раствор соли
Рис. 11.3. Осмотическое давление
Растворитель всегда переходит через полупроницаемую мембрану из «более разбавленной» части в «более концентрированную». На самом деле в одной части может находиться чистая вода, а в другой — любой раствор соли, и вода обязательно перейдет в другую часть. Чем более концентрированным является раствор соли, тем большее давление требуется для остановки процесса осмоса (т.е. тем больше осмотическое давление).
Что же произойдет, если приложить большее внешнее давление, чем требуется для остановки осмотического процесса, т.е. превысить осмотическое давление? В этом случае вода (т.е. растворитель) будет вынуждена проходить через полупроницаемую мембрану из более концентрированного раствора в более разбавленный, т.е. в направлении, противоположном направлению переноса воды при осмосе. Этот процесс получил название обратного осмоса. В настоящее время обратный осмос применяют в качестве относительно недорогого способа опреснения воды. На моем местном водохранилище этот процесс используется для очистки питьевой воды (так называемой ОС-воды). Во всем мире построено много установок обратного осмоса, предназначенных для получения питьевой воды из морской. Пилоты морской авиации даже носят при себе маленькие установки обратного осмоса на тот случай, если придется катапультироваться в открытом море.
Явления осмоса играют важную роль в жизни животных и растительных организмов. Оболочки клеток представляют собой перепонки, легко проницаемые для воды, но почти непроницаемые для веществ, растворенных во внутриклеточной жидкости. Вы когда-нибудь ели малосольные огурцы? Чтобы из свежих огурцов получить малосольные, нужно свежие
огурцы положить в рассол на определенное время. Концентрация солевого раствора внутри свежего огурца меньше, чем концентрация рассола, в результате чего вода проходит через перепонки клеток в рассол и огурец немного сморщивается.
Осмотическое давление играет важную роль при функционировании клеток нашего организма. В качестве примера рассмотрим красные кровяные тельца. Внутри каждой клетки содержится водный раствор (внутриклеточная жидкость), а снаружи клеток находится другой раствор — так называемая межклеточная жидкость. Когда осмотическое давление межклеточной жидкости такое же, как у внутриклеточной жидкости, его называют изотоническим. При этом вода может беспрепятственно проходить в обоих направлениях (из клетки и в клетку), сохраняя клетку здоровой. Однако если по ряду причин межклеточная жидкость становится более концентрированной, то вода в основном переходит из красных кровяных телец в межклеточную жидкость. При этом создается более высокое осмотическое давление (которое называется гипертоническим), клетка сжимается и принимает неправильную форму. Этот процесс называется кренацией и может происходить, например, если организм человека сильно обезвожен. Подверженные деформации красные кровяные тельца недостаточно эффективно разносят кислород.
С другой стороны, если межклеточная жидкость является более разбавленной, чем внутриклеточная, то вода в основном проходит из межклеточной жидкости внутрь красных кровяных телец. При этом создается более низкое осмотическое давление, которое называется гипотоническим. Таким образом, процесс, называемый гемолизом, приводит к тому, что клетка увеличивается в размерах и со временем разрушается. Клетки, подверженные крена-ции и гемолизу, показаны на рис. 11.4.
H2O
Кренация
Гемолиз
H2O
Изотоническое давление
Гипертоническое давление
Гипотоническое давление
Рис. 11.4. Кренация и гемолиз красных кровяных телец
Процессы кренации и гемолиза объясняют, почему концентрация растворов для внутривенных инъекций играет довольно важную роль. Если эти растворы слишком разбавленные, то может произойти гемолиз, а если слишком концентрированные, то возможна кренация.