Молекулярные растворы. Вода как растворитель и ее роль в жизнедеятельности клетки

1. Молекулярные растворы. Вода как растворитель и ее роль в жизнедеятельности клетки.

Для изучения биологических  и медицинских дисциплин большой  интерес представляет учение о растворах. Растворами называют однородные системы  переменного состава. Химический состав и физические свойства одного раствора во всех частях его объема одинаковы.

В отличие от простого смешивания веществ при растворении происходит взаимодействие между частицами, образующими раствор. Вещество, при растворении не меняющее своего агрегатного состояния, называют растворителем; оно обычно присутствует в растворе в большем количестве.

Растворы могут существовать в трех агрегатных состояниях —  твердом, жидком и газообразном (парообразном). Примерами твердых растворов  могут служить некоторые сплавы металлов, на­пример сплав золота и меди, а газообразных — воздух. Процесс растворения обусловлен взаимодействием частиц растворяемого  вещества и растворителя.

Самым распространенным растворителем на нашей планете является вода. Тело среднего человека массой 70 кг содержит примерно 40 кг воды. При этом около 25 кг воды приходится на жидкость внутри клеток, а 15 кг составляет внеклеточная жидкость, в которую входят плазма крови, межклеточная жидкость, спинномозговая жидкость, внутриглазная жидкость и жидкое содержимое желудочно-кишечного тракта. У животных и растительных организмов вода составляет обычно более 50%, а в ряде случаев содержание воды достигает 90—95%.

Вследствие своих аномальных свойств вода – уникальный растворитель, прекрасно приспособленный для жизнедеятельности. Прежде всего, вода хорошо растворяет ионные и многие полярные соединения. Такое свойство воды связано в значительной мере с ее высокой диэлектрической проницаемостью (78,5).

 

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, на–пример с гидроксильными группами спиртов и сахаров или с атомом кислорода карбонильной группы альдегидов и кетонов. Ниже приведены примеры водородных связей, важных для растворимости веществ в биологических системах. Вследствие высокой полярности вода вызывает гидролиз веществ.

Так как вода составляет основную часть внутренней среды  организма, то она обеспечивает процессы всасывания, передвижения питательных  веществ и продуктов обмена в  организме.

Необходимо отметить, что  вода является конечным продуктом биологического окисления веществ, в частности глюкозы. Образование воды в результате этих процессов сопровождается выделением большого количества энергии – приблизительно 29 кДж/моль.

Важны и другие аномальные свойства воды, такие как:  высокое поверхностное натяжение, низкая вязкость, высокие температуры плавления и кипения и более высокая плотность в жидком состоянии, чем в твердом.

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: СНз—(СН2)п —, С6Н5 —. К дифильным относят вещества (аминокислоты, белки), молекулы которых содержат как гидрофильные группы (—ОН, —NH2 , —SH, —СООН), так и гидрофобные группы: (СН3 – (СН2)п ,—С6Н5—).

При растворении дифильных веществ происходит изменение структуры воды как результат взаимодействия с гидрофобными группами. Степень упорядочения молекул воды, близко расположенных к гидрофобным группам, увеличивается, и контакт молекул воды с гидрофобными группами сводится к минимуму. Гидрофобные группы, ассоциируясь, выталкивают молекулы воды из области своего расположения.

 

2. Второй закон термодинамики. Химический потенциал.

Химический потенциал (m_i), термодинамическая функция, применяемая при описании состояния систем с переменным числом частиц. В случае системы, состоящей из i компонентов, химический потенциал определяется как приращение внутренней энергии U системы при добавлении к системе бесконечно малого количества молей i-того компонента, отнесённое к этому количеству вещества, при постоянных объёме V, энтропии S и количествах молей каждого из остальных компонентов n_j (j ¹ i). В общем случае химический потенциал может быть определён как приращение любого из остальных потенциалов термодинамических системы при различных постоянных параметрах: гиббсовой энергии G — при постоянных давлении р, температуре Т и n_j; гельмгольцевой энергии А — при постоянных V, Т и n_j; энтальпии Н — при постоянных S, р и n_j. Таким образом:

     (1)  

Химический потенциал зависит как от концентрации данного компонента, так и от вида и концентрации др. компонентов системы(фазы). Только в простейшем случае — смеси идеальных газов — m_i зависит лишь от концентрации рассматриваемого компонента и от температуры:

m_i = m_i ⁰+ RT In p_i,

где p_i — парциальное давление компонента i в смеси, R — газовая постоянная, m_i⁰ — значение m_i при p_i = 1 атм. Для смеси неидеальных газов в равенстве (2) должна стоять фугитивность этого компонента. Химический потенциал характеризует способность рассматриваемого компонента к выходу из данной фазы (путём испарения, растворения, кристаллизации, химического взаимодействия и т.д.). В многофазных (гетерогенных) системах переход данного компонента может происходить самопроизвольно только из фазы, в которой его химический потенциал больше, в фазу, для которой его химический потенциал меньше. Такой переход сопровождается уменьшением химического потенциала этого компонента в 1-й фазе и увеличением во 2-й. В результате разность между химическими потенциалами данного компонента в этих двух фазах уменьшается и при достижении равновесия химический потенциал компонента становится одинаковым в обеих фазах. В любой равновесной гетерогенной системе химический потенциал каждого компонента одинаков во всех фазах. 

  Если в различных фазах или в разных местах одной фазы химический потенциал какого-либо компонента неодинаков, то в системе самопроизвольно (без затраты энергии извне) происходит перераспределение частиц, сопровождающееся выравниванием химического потенциала. 

 Из условий термодинамического равновесия систем, в которых возможны химические реакции, фазовые переходы и др. процессы перераспределения частиц, и уравнения, учитывающего баланс частиц, вытекают важнейшие термодинамические соотношения: действующих, фаз правило Дж. У. Гиббса, основные законы разбавленных растворов (см. Вант-Гоффа закон, законы, Генри и др.) и т.д.  

Химический потенциал в качестве нормировочной постоянной входит в распределение Больцмана, а также в распределения по энергиям Бозе — Эйнштейна и Ферми — Дирака для частиц идеального газа (см. Статистическая физика).  Химический потенциал вырожденного газа электронов (ферми-газа) тождественно совпадает с граничной ферми энергией.  

Химический потенциал был введён Гиббсом, численно выражается в единицах энергии на единицу количества вещества (дж/моль) или на единицу массы (дж/кг).

 

 

3. Молекулярные растворы. Дистилляция.

 

 Дистилляция (от лат. distillatio - стекание каплями) (перегонка), разделение жидких смесей на отличающиеся по составу фракции. Основана на различии в составах жидкости и образующегося из нее пара. Осуществляется путем частичного испарения жидкости и последующей конденсации пара. Отогнанная фракция (дистиллят) обогащена относительно более летучими (низкокипящими) компонентами, а не отогнанная жидкость (кубовый остаток) - менее летучими (высококипящими). Если из исходной смеси отгоняется не одна фракция, а несколько, дистилляцию называют фракционной (дробной).

Дистилляционная установка состоит из испарителя 1, снабженного теплообменным устройством для подвода к раствору необходимого количества теплоты; дефлегматора 2 для частичной конденсации пара, выходящего из испарителя (при фракционной дистилляции); конденсатора 3 для сжижения отбираемого пара; холодильника 4; сборников дистиллята 5 и кубового остатка 6 (рис. 1).

Рис. 1. Дистилляционная установка: 1 - испаритель; 2 - дефлегматор; 3 - конденсатор; 4 - холодильник; 5, 6 - сборники соотв. дистиллята и кубового остатка.

 

Молекулярная дистилляция. Основана на зависимости скорости испарения  вещества от его мол. массы при температурах ниже температуры кипения жидкости и низких давлениях (< 0,13 Па). При таких давлениях длина свободного пробега молекул соизмерима с расстоянием между поверхностями испарения жидкости и конденсации пара. При этом молекулы соударяются относительно редко и движутся практически независимо друг от друга, а расход и состав паровой смеси определяется скоростями испарения отдельных компонентов. Скорость испарения чистого вещества с молекулярная массой М при температуре T рассчитывается по уравнению Кнудсена-Ленгмюра:

где р - давление пара вещества при температуре жидкости. Скорость испарения компонента смеси меньше, чем чистого вещества, и пропорциональна его мол. доле в смеси.

При этом:

т. е., в отличие от условий  разделения смесей с помощью обычной  дистилляция, aik зависит не только от давлений паров чистых компонентов при температуре процесса, но и от их молекулярной массы. Это позволяет разделять смеси, используя различие молекулярных масс компонентов при относительно низких температурах. Процесс включает перенос молекул испаряющегося компонента из объема жидкости к поверхности испарения, испарение молекул, перенос их в объеме паровой фазы от поверхности испарения к поверхности конденсации и конденсацию. Поскольку при молекулярной дистилляция жидкость не кипит, перемешивание паровыми пузырями, характерное для обычной дистилляция, отсутствует, и перенос вещества в объеме жидкости осуществляется преим. путем молекулярной диффузии. Т. к. этот процесс более медленный, чем испарение с поверхности, жидкость со стороны поверхности обедняется относительно более летучими компонентами и в ней возникает градиент концентраций, что ухудшает условия разделения смеси. Для предотвращения этого уменьшают толщину слоя жидкости и обеспечивают ее перемешивание. Скорость испарения молекул с поверхности жидкости определяется ее температурой: чем она выше, тем больше давление пара и скорость испарения. Однако при увеличении давления пара уменьшается длина свободного пробега молекул и возрастает частота их соударений, что приводит к снижению эффективности разделения смеси. С целью ее повышения дистилляция проводят при давлениях более высоких, чем те, при которых молекулы достигают поверхности конденсации без соударений. Каждой смеси отвечает определенная оптимальная температура, при которой достигается наиб. степень разделения. Для оценки последней используют представление о теоретической молекулярной тарелке, под которой понимается устройство, обеспечивающее получение дистиллята с относительным содержанием компонентов, соответствующим соотношению скоростей их испарения при данной температуре, а состав жидкости во всем ее объеме одинаков, т. е. жидкость идеально перемешана. В производств. условиях при однократном испарении степень разделения колеблется от 0,3 до 0,95 теоретической тарелки. Конденсация на охлаждаемой поверхности не является лимитирующей стадией процесса, т. к. температура этой поверхности поддерживается как минимум на 30-40°С ниже температуры жидкости.

Рис. 4. Аппарат для молекулярной дистилляции. 1,2 - внутренняя обогреваемая и внешняя охлаждаемая трубки; 3 - рубашка.

В аппарате для молекулярной дистилляции (рис. 4) исходная смесь  распределяется в виде пленки на наружной поверхности внутренней трубки, которая обогревается подаваемым в нее теплоносителем. На расстоянии 10-30 мм от этой трубки находится трубка, снабженная рубашкой, в которую подается хладагент. Кубовый остаток и дистиллят, полученный на охлаждаемой поверхности, отводятся снизу. Для поддержания требуемого остаточного давления рабочее пространство аппарата соединено с вакуумной системой. По способу создания пленки различают аппараты со стекающей жидкостью и центробежные (, позволяющие перерабатывать за 1 ч от микроколичеств до 1 т смеси. Для повышения эффективности разделения дистилляционные аппараты могут снабжаться двумя или более конденсаторами, работающими при различных температурах, что дает возможность разделять смесь на несколько фракций. Применяют также многоступенчатые противоточные аппараты, степень разделения смеси в которых во много раз больше, чем в одноступенчатых. Рабочие параметры процесса: контролируемые - расход исходной смеси, скорость отгонки дистиллята, температура испаряющейся жидкости, температура хладагента, используемого для охлаждения поверхности конденсации, и давление, регулируемые - расходы исходной смеси, теплоносителя и хладагента. В лабораториях используют периодическую дистилляция для разделения небольших количеств (несколько мг) смесей термически стойких веществ и непрерывную дистилляция для перегонки значит. количеств (десятки и сотни г) термолабильных веществ. В первом случае аппаратом обычно служит обогреваемая колба с внутренним или выносным конденсатором, во втором - цилиндрический испаритель (трубка) с конденсатором, снабженным охлаждающей рубашкой. Молекулярную дистилляцию применяют для разделения и очистки смесей малолетучих и термически нестойких веществ, например, при выделении витаминов из рыбьего жира, растит. масел и в производстве вакуумных масел.