График понижение температуры замерзания водных растворов. Криосохранение крупных биологических объектов. Криосохранение крупных биологических объектов

Изменения, наступающие в биологических объектах под влиянием низких температур,
можно разделить на: 1) изменения физиологического характера; 2) изменения физико-
химического порядка; 3) изменения механического порядка. К явлениям физиологического
характера следует отнести так называемый температурный шок, возникающий в результате
воздействия низких температур. Термин «температурный шок» впервые был предложен
Миловановым в 1934 г., наблюдавшим потерю подвижности сперматозоидов быка и
барана в результате их внезапного охлаждения от 15 до 0°.

Температурный шок при внезапном охлаждении. наблюдается и у ряда видов
бактериальных клеток, особенно в фазе логарифмического роста. При быстром
охлаждении молодых культур от 37 до 0° погибает до 95% особей бактерий Е. соП. При
постепенном снижении температуры в указанных пределах бактериальные клетки не
повреждаются. Температурного шока можно избежать путем постепенного охлаждения
организмов и изолированных клеток в тех же пределах температуры, в которых при
быстром и сверхбыстром, охлаждении возникает шок. Постепенное охлаждение
способствует так называемой холодной адаптации, частичного уменьшения содержания
воды.

На чувствительность клеток к температурному шоку существенно влияет состав среды,
в которой они находятся. Чувствительность сперматозоидов к температурному шоку
значительно понижается при добавлении к сперме в качестве разбавителя яичного желтка,
защитное действие которого обусловливается предположительно за счет лецитина.

Эритроциты при быстром охлаждении от 30 до 5° обычно не повреждаются, но
повышение концентрации, хлористого натрия до 0,8М и выше ведет в этих условиях к
гемолизу их.

Температурный шок может возникать у одноклеточных многоклеточных организмов
при быстром охлаждении их не только до 0°, но и ниже. Было доказано, что лейкемические
клетки мышей выживают, сохраняя способность к заражению, только при условии
медленного замораживания до -70°. Более высокая выживаемость наблюдается и при
медленном охлаждении от 0 до -79° патогенных простейших и сперматозоидов по
сравнению с быстрым и сверхбыстрым замораживанием.

Патогенные амебы и другие простейшие, ткани яичника, яйцеклетки млекопитающих,
ткани гипофиза и надпочечника, ткань семенника, опухолевые клетки и некоторые виды
микроорганизмов сохраняют жизнеспособность, при медленном замораживании, но не
переносят быстрого и сверхбыстрого охлаждения до низких температур. Механизм
температурного шока в результате быстрого и сверхбыстрого охлаждения до нуля и
замораживания при низких температурах объясняется внезапным изменением
осмотического давления внутри клеток. Медленное охлаждение ослабляет интенсивность
изменения осмотического давления вследствие диффузии воды из клеток через клеточные
мембраны и кристаллизации ее в межклеточных пространствах. Это явление называют
также температурной адаптацией. Быстрого и сверхбыстрого замораживания и хранения
биологических материалов при возможно низкой температуре. К таким материалам
относятся ферменты и некоторые виды микроорганизмов.

Одним из преимуществ быстрого охлаждения является также то, что в этих условиях
действие концентрированных левых растворов после выделения льда занимает менее
продолжительный период до достижения их эвтектической точки.

Что касается тканей млекопитающих, предназначенных для последующей трансплантации или культивирования, за исключением клеток некоторых опухолей,
паращитовидной желез, то они в большинстве случаев после быстрого и замораживания не проявляют признаков жизнеспособности. Следовательно, оптимальная скорость охлаждения и замораживания зависит от ряда условий.

Нарушения физиологического характера, наступающие при замораживании, обычно
сопровождаются физико-химическими и структурными изменениями в биологических
системах. Эти изменения обусловливаются в основном вне- и внутриклеточной
кристаллизацией воды и эвтектической концентрацией солей. Оба указанных фактора тесно
взаимосвязаны и взаимозависимы. Один из них вызывает чисто механические
(кристаллизация), другой (концентрация солей) - физико-химические изменения в
клетках животного и растительного происхождения. Увеличению концентрации
электролитов при замораживании всегда сопутствует кристаллизация воды. Увеличение
концентрации солей, как при положительных температурах, так и при замораживании
ведет к денатурации белков и к растворению липопротеинов.

При замораживании любого биологического материала, безусловно содержащего в
растворенном состоянии различные соли, наблюдается эвтектическое разделение раствора.
Сначала кристаллизируется чистая вода, а соли концентрируются в незамерзшей части до
тех пор, пока не будет достигнута наивысшая их концентрация. Предел максимальной
концентрации солей материалов любого происхождения, вслед за которым наступает
полное затвердение раствора при низких температурах, называют эвтектической точкой.
Так, например, максимальная (эвтектическая) концентрация поваренной соли,
составляющая 22,42%, достигается при температуре -21,2°. При понижении температуры
концентрация соли больше не увеличивается, так как такой раствор полностью
затвердевает.

Степень повреждающего действия концентрированных солей, приближающаяся к
эвтектической, зависит от состава суспензии, количества белка, а также от природы соли и
скорости замораживания.

Жидкости биологических систем являются обычно весьма сложными растворами,
содержащими целый комплекс солей с разными эвтектическими точками. В таких
растворах, по данным Рэ, практически невозможно определить эвтектическую точку в
силу разности эвтектической концентрации различных солей. В сложных биологических
растворах обычно определяется эвтектическая зона в пределах 10° и более с минимальной и
максимальной границами. В интервале этой зоны и происходит замерзание
гипертонических растворов разных солей.

Гипертоническая концентрация солей губительно влияют на ткани и клетки животных,
простейших и бактерий в процессе замораживания и хранения при температурах равных
эвтектической зоны.

В процессе замораживания вода из клеток переходит в окружающую среду с такой
скоростью, что точка замерзания их внутреннего содержимого становится несколько ниже
точки замерзания окружающей жидкости. К моменту, когда окружающая клетки жидкость
концентрируется до насыщения, содержимое клеток оказывается достаточно обезвоженным
и не может замерзнуть. Вне- и внутриклеточная кристаллизация всегда сопровождаются
концентрированием солевых растворов при низких температурах, разрушающее действие
которых в настоящее время доказано и не вызывает сомнения. Однако нельзя не учитывать
и действие кристаллов льда, вызывающее разрушение коллоидных растворов, нарушение
равновесия между гелем и золем и связи ферментов с их субстратами.

Особенно вредна внутриклеточная кристаллизация воды, как правило, ведущая к
разрушению структуры и гибели животных клеток. При быстрых скоростях охлаждения
вне- и внутриклеточная кристаллизация может наступать практически одновременно.
При сверхбыстрых скоростях охлаждения до очень низких температур стадия
кристаллизации минуется и препарат переводится в стекловидное состояние
(витрифицируется). По утверждению Люйе, гибель клетки не наступает, если удается
перевести протоплазму в стекловидное состояние и затем вновь в жидкое, минуя стадию
кристаллизации. Он показал, что критическая зона температуры, при которой образуются
кристаллы, находится в пределах 0 до -40°. При сверхбыстром охлаждении
концентрированных растворов белков, Сахаров и многоатомных спиртов, нанесенных в виде
тонкой пленки путем погружения в сжиженные атмосферные газы при температурах от -150
до -196°, они превращаются в прозрачные «стекла». При медленном отогревании такие
«стекла» кристаллизуются и становятся непрозрачными, а при быстром отогревании они
тают, не подвергаясь кристаллизации.

Еще М. В. Ломоносовым в 1764 г. был обнаружено, что растворы замерзают при более низкой температуре, чем чис­тые растворители. Понижение температуры замерзания раст­вора связано с понижением упругости (давления) пара раст­ворителя над раствором (изменение концентрации клеточного сока у растений к зиме).

Температурой замерзания раствора называется такая темпера­тура, при которой кристал­лы растворителя находятся в равновесии с раствором данного состава.

Разность Δt = t 0 ° — ti° называется понижением температуры замерзания раствора и будет тем больше, чем больше концентрация раствора. Количественно эта зависи­мость выражается уравнением:

Δt = K С m (36)

где Δt — понижение температуры замерзания раствора;

Сm — моляльная концентрация;

К — коэффициент пропорциональности, называемый криоскопической постоянной растворителя или моляльным понижением температуры замерзания раствора.

Метод исследования, основанный на измерении понижения температуры замерзания растворов, называется криоскопическим методом.

Растворы замерзают при более низкой и кипят при более высокой температуре, чем чистые растворители.

Для растворов неэлектролитов согласно закону Рауля понижение температуры замерзания раствора прямо пропорционально моляльной концентрации (уравн.36).

Повышение температуры кипения раствора так же прямо пропорционально моляльной концентрации:

Δt кип =ЕC m (37)

Е- эбулиоскопическая постоянная.

Осмотическое давление растворов рассчитывается по формуле Вант-Гоффа:

Р осм =RTC м (38)

R- универсальная газовая постоянная 8,314 кДж/моль град

T- температура, 0 К, C м -молярная концентрация.

Контрольные вопросы

1.В чем суть закона распределения?

2.Вывод закона распределения.

3.Применение закона распределения.

4.На каком условии фазового равновесия основан вывод закона распределения?

5.Какие факторы влияют на значение коэффициента распределения?

6.Какая экстракция эффективнее: однократная или дробная?

Задачи

Номер задания	m г H 2 O	m г САХАРОЗЫ	Номер задания	m г H 2 O	m г САХАРОЗЫ
		60	.2
		55

ПРИ КАКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ БУДУТ КИПЕТЬ РАСТВОРЫ, СОДЕРЖАЩИЕ В m г ВОДЫ m г САХАРА. ПОСТРОИТЬ ГРАФИК ЗАВИСИМОСТИ температуры кипения от содержания растворенного вещества в растворе

Номер задания	m г H 2 O	m г САХАРОЗЫ	Номер задания	m г H 2 O	m г САХАРОЗЫ
		60
		55

Номер задания	m г H 2 O	m г ГЛЮКОЗЫ	Номер задания	m г H 2 O	m г ГЛЮКОЗЫ
		4,57			10,01
					12,57
					5,56
					14,40
		8,32			11,54

ОПРЕДЕЛИТЬ ТЕМПЕРАТУРУ ЗАМЕРЗАНИЯ РАСТВОРА В m г H 2 O КОТОРОГО, СОДЕРЖИТСЯ m г ГЛЮКОЗЫ ПОСТРОИТЬ ГРАФИК ЗАВИСИМОСТИ температуры ЗАМЕРЗАНИЯ от содержания растворенного вещества в растворе

Наиболее интригующая область приложения криобиологии – науки о влиянии низких и сверхнизких температур на биологические объекты – поиск возможностей сохранения живых организмов или отдельных органов в состоянии глубокой заморозки. Методика криосохранения отдельных клеток или, например, эмбрионов разработана неплохо, но обратимое (т. е. с сохранением жизнеспособности после размораживания) замораживание крупных объектов наталкивается на серьезные препятствия. Основная трудность состоит в том, что при больших объеме и массе трудно добиться равномерного охлаждения. Неравномерное же замерзание приводит к серьезным и необратимым повреждениям клеток и тканей. Между тем решение этой проблемы могло бы помочь, например, созданию банка органов для трансплантации и тем самым спасти жизнь тысячам больных. Еще более заманчивой выглядит возможность сохранения в состоянии глубокого охлаждения тяжелобольного – до тех пор, пока медицина не окажется в состоянии ему помочь, может быть, через десятилетия.

Наибольшую опасность при замораживании представляет механическое повреждение мембран клеток образующимися кристаллами льда. Образуясь как вне, так и – что гораздо опаснее – внутри клеток, они разрывают липидный бимолекулярный слой, формирующий эти мембраны.

Для защиты клеток от повреждения при замораживании используют специальные вещества – криопротекторы. Они делятся на две группы: проникающие внутрь клетки, или эндоцеллюлярные (диметилсульфоксид (ДМСО), ацетамид, пропиленгликоль, глицерин, этиленгликоль), и не проникающие или экзоцеллюлярные (полиэтиленгликоли и полиэтиленоксиды, фиколл, сахароза, трегалоза и др.), которые действуют снаружи, осмотически вытягивая из клетки воду.

Последнее выгодно: чем меньше в клетке останется воды, тем меньше потом образуется льда. Но удаление воды приводит к повышению концентрации остающихся внутри клетки солей – вплоть до значений, при которых происходит денатурация белка. Эндоцеллюлярные же криопротекторы не только снижают температуру замерзания, но и разбавляют образующийся при кристаллизации «рассол», не давая белкам денатурироваться.

Наиболее широкое применение нашли глицерин и ДМСО. При добавлении их к воде температура ее замерзания понижается, достигая низшего значения при соотношении примерно 2:1. Эта наиболее низкая температура называется эвтектической , или криогидратной . При дальнейшем же охлаждении таких смесей размеры образующихся кристаллов льда оказываются столь мелкими (сравнимыми с размером кристаллической ячейки), что они не наносят значительных повреждений структурам клеток.

Если бы можно было довести концентрацию криопротектора в живых тканях до эвтектической, это позволило бы полностью решить проблему повреждения тканей ледяными кристаллами. Однако при таких концентрациях любые известные криопротекторы оказываются токсичными.

На практике используют концентрации криопротекторов значительно меньшие, чем эвтектические, – и при этом часть воды все же замерзает. Так при использовании 27%-ного раствора глицерина 40% присутствующей в клетке воды образует с глицерином эвтектическую смесь, остальная же ее часть замерзает. Однако, как показали эксперименты, проведенные в 1954–1960 гг. английским криобиологом Одри Смит, золотистые хомячки способны выживать в ситуации, когда в лед превращалось до 50–60% воды, содержащейся в тканях их головного мозга!

Большое значение для решения проблемы обратимого замораживания имеет скорость охлаждения. При медленном охлаждении (в парах жидкого азота или в специальных программных замораживателях) кристаллы льда образуются в основном в межклеточном пространстве. По мере охлаждения они растут, оттягивая на себя воду из клеток. Как уже было сказано, это позволяет существенно уменьшить повреждения, наносимые кристаллами клеткам, – но и концентрация солей внутри клеток значительно возрастает, повышая риск денатурации белков.

К сожалению, оптимальные скорости понижения температуры, при которых достигается компромисс между повреждающими действиями кристаллов льда и высокими концентрациями растворенных веществ, для разных типов клеток сильно различаются. Различны также и оптимальные для них концентрации криопротекторов. Это сильно затрудняет криосохранение органов и тканей, включающих несколько различных типов клеток, а тем более – целых организмов.

При быстром охлаждении (например, опускании образца в жидкий азот) вода не успевает продиффундировать из клеток наружу; кристаллы образуются как вне, так и внутри клеток, но за счет более быстрого охлаждения они оказываются значительно мельче, чем в первом случае, и успевают образоваться не во всех клетках. Токсичных концентраций солей при этом удается избежать, а продолжительность их воздействия оказывается меньше, как и продолжительность вредного воздействия криопротекторов. Последнее позволяет использовать более высокие их концентрации.

При достаточно быстром охлаждении до 0 °С и несколько ниже вода замерзает (кристаллизуется) не сразу. Сначала образуется переохлажденная жидкость. В упомянутых экспериментах Смит ей в отдельных случаях удавалось охладить золотистых хомячков до –6 °С без образования кристаллов льда. При этом кожа и конечности животных оставались мягкими. А после согревания хомячки оживали без видимых вредных последствий. Беременные самки (если переохлаждение имело место в первой половине срока беременности) приносили нормальных детенышей.

Существует методика проведения хирургических операций на новорожденных детенышах мелких млекопитающих – например, мышатах. Наркоз в таком возрасте практически неприменим, и поэтому детенышей в течение 15–20 минут просто охлаждают до потери подвижности и чувствительности. Известен случай, когда при проведении таких исследований (влияние удаления вомероназального органа на поведение грызунов) в лаборатории одного из московских институтов нескольких новорожденных детенышей джунгарского хомячка по небрежности экспериментатора просто забыли лежащими на ватной подстилке в камере с температурой –12 °С. После извлечения – через 2–3 часа – они были совершенно твердыми, и их тела в буквальном смысле «издавали деревянный стук». Через некоторое время при комнатной температуре детеныши ожили, начали двигаться и издавать звуки...

Жидкости в организме начинают замерзать обычно при –1... –3 °С. Однако по мере того, как часть воды превращается в лед, концентрация растворенных веществ в оставшейся жидкости возрастает и температура замерзания этой жидкости продолжает снижаться.

Температура полного замерзания различных биологических жидкостей сильно варьирует, но в любом случае оказывается ниже –22...–24 °С.

Вероятность образования «зародыша» кристалла льда за единицу времени в переохлажденной жидкости пропорциональна объему этой жидкости и сильно зависит от температуры: при –40 °С и при давлении в 1 атм. кристаллизация чистой воды происходит практически мгновенно, но при еще более низких температурах (порядка –70 °С скорость роста кристаллов замедляется за счет увеличения вязкости воды. Наконец, при температуре примерно –130 °С рост кристаллов полностью приостанавливается. Если охлаждать жидкость достаточно быстро, чтобы «проскочить» температуру активной кристаллизации прежде, чем успеют сформироваться кристаллы опасного размера, вязкость возрастает настолько, что образуется твердое стеклообразное вещество. Это явление называется стеклованием или витрификацией .

Если удастся охладить клетки или ткани до температуры стеклования, они смогут сохраняться в таком состоянии неограниченно долго, а полученные при этом повреждения окажутся несравненно меньше, чем при охлаждении с кристаллизацией. Собственно, это и явилось бы решением проблемы сохранения биологических объектов в состоянии глубокой заморозки. Правда, при оттаивании клеток для их оживления придется снова проходить опасный участок температур...

Скорость роста ледяных кристаллов в клетке может быть понижена за счет добавления к воде примесей, повышающих ее вязкость, – того же глицерина, сахаров и др. Кроме того, существуют вещества, блокирующие образование кристалликов льда. Такими свойствами обладают, например. специальные белки, вырабатываемые организмами ряда холодоустойчивых животных – арктических и антарктических рыб, некоторых насекомых и др. Молекулы этих веществ имеют участки, обладающие комплементарностью к поверхности кристаллика льда, – «садясь» на эту поверхность, они приостанавливают его дальнейший рост.

При охлаждении крупных (по сравнению с клеткой – от 1 мм и больше) объектов внутри них возникают, как правило, значительные градиенты температуры. Сначала замерзают внешние слои, и формируется так называемый фронт кристаллизации, движущийся снаружи внутрь. Концентрация растворенных в воде солей и других веществ перед этим фронтом резко увеличивается. Это приводит к денатурации белков и повреждениям других макромолекул клетки. Другой проблемой оказывается растрескивание тканей. Его причина – неравномерное и неоднородное охлаждение, особенно в ситуации, когда наружные слои затвердевают раньше внутренних.

Еще в 60-е гг. ХХ в. была предложена идея использовать для управления кристаллизацией воды высокое давление. Идея эта основана на понижении температуры фазового перехода вода/лед при повышении давления. При 2045 атм. температура кристаллизации чистой воды составляет –22 °С. Бoльшего снижения температуры замерзания достичь таким образом не удается – при дальнейшем росте давления она начинает вновь повышаться.

Еще в 1967 г. американец и его коллеги поставили эксперименты по замораживанию почек собаки. Исследователи подвергали почки перфузии 15%-ным раствором диметилсульфоксида (перфузия – введение веществ в биологический объект через систему кровеносных сосудов), после чего охлаждали их с одновременным повышением давления, так чтобы в каждый конкретный момент температура не была ниже точки замерзания, соответствующей данному давлению. Когда минимальное значение температуры (в данном случае, благодаря присутствию криопротектора оно составило около –25 °С) было достигнуто, давление снижали.

При быстром снятии давления переохлажденная до такой температуры жидкость может существовать не более нескольких секунд, после чего происходит спонтанная кристаллизация. Но кристаллы, образующиеся при этом, равномерно распределены по объему образца, и фронта кристаллизации не возникает, также как и неравномерного повышения концентрации солей. Кроме того, кристаллы, возникающие в этом случае, имеют малые размеры и зернистую форму и поэтому наносят клеткам сравнительно малые повреждения.

Однако в ходе процесса кристаллизации выделяется значительное количество тепла (скрытая теплота кристаллизации), в результате чего образец нагревается – в конечном счете до температуры кристаллизации, т. е. при снижении давления до атмосферного – примерно до 0 °С. После чего процесс замерзания, естественно, останавливается. В итоге при снятии давления кристаллизоваться успевало всего лишь около 28% воды, а остальная ее часть оставалась жидкой.

Для того, чтобы кристаллизовалась вся вода, нужно было бы перед снижением давления охладить образец до температуры примерно –80 °С – однако в этом случае лед начал бы образовываться гораздо раньше. М. Персидски решил проблему путем циклического приложения давления. Разогревшийся до 0 °С после первого снятия давления образец начинали охлаждать вновь – одновременно с повторным повышением давления. При очередном его «сбросе» успевала замерзнуть следующая порция жидкости, и т. д. В результате удалось достичь практически полной и «безвредной» кристаллизации воды, после чего температуру можно было уже безбоязненно понизить до
–130 °С (и ниже) при обычном атмосферном давлении и сохранять почку в таком состоянии неограниченно долго.

При оттаивании цикл повторяли в обратном порядке: почку разогревали до –28 °С, после чего повышали давление до 2000 атм. При этом происходило относительно равномерное по объему таяние ледяных кристаллов. Затем образец постепенно разогревали с одновременным снижением давления.

Сохраненные таким образом почки, по словам авторов эксперимента, «проявляли меньше признаков повреждения тканей, чем почки, замороженные любым другим способом» – хотя и не сохраняли жизнеспособность...

В дальнейшем техника замораживания при высоком давлении использовалась при подготовке биологических образцов для микроскопических исследований. Для того, чтобы сделать достаточно тонкий срез, образец нужно предварительно перевести в твердое состояние, однако при обычной заморозке структуры клеток при этом повреждаются настолько, что изучать оказывается практически нечего...

Давление в несколько тысяч атмосфер с успехом используется при замораживании продуктов в пищевой промышленности . При этом преследуются две цели. Во-первых, после долгого (а значит, при максимально низкой температуре) хранения вкус замороженного продукта должен как можно меньше отличаться от свежего. Для этого также важно, чтобы при заморозке не были разрушены клетки, что может быть в определенной степени достигнуто замораживанием при давлении около 2 тыс. атм. Другая цель – одновременная стерилизация продукта, которая достигается, напротив, разрушением клеток присутствующих в нем бактерий. Для этого необходимо уже гораздо более высокое давление – в 6 тыс. атм. и больше.

О новых же попытках использовать высокое давление для обратимого сохранения органов или целых организмов авторам неизвестно, а между тем этот путь кажется весьма перспективным. Разумеется, встает вопрос о повреждающем воздействии высокого давления. Известно, что при постепенном его повышении до примерно 500 атм. жизнеспособность клеток не снижается. При 6000 атм. и более практически все клетки погибают, а вот промежуточные значения могут оказывать различный эффект, в зависимости от типа и состояния клеток, содержания в них воды, солей и других веществ, температуры и т. д.

Однако можно рассчитывать, что постепенное повышение давления до необходимых 2 тыс. атм. не приведет к повреждению организма. Ведь в ходе подготовки к заморозке объект сначала охлаждается примерно до 0 °С (если это живое существо – оно перестает дышать) и помещается в заполненную жидкостью камеру. В 1961 г. американский исследователь С. Джейкоб в течение 30 минут подвергал давлению около 1000 атм. сердце собаки, только что вынутое из тела и продолжавшее сокращаться. После снятия давления сердцебиение возобновлялось.

Важно также, что некоторые вещества-криопротекторы оказываются одновременно и баропротекторами, т. е. защищают клетки и от воздействия высокого давления. «Хороший» криопротектор не только снижает температуру замерзания раствора, но и стабилизирует клеточные мембраны, делая их более эластичными.

Конечно, необходимо решить еще целый ряд проблем: в ходе экспериментов отработать оптимальный режим охлаждения, подобрать конкретные криопротекторы и т. д. Например, при прохождении циклов «сжатие с охлаждением – снятие давления» охлаждение происходит только с поверхности объекта. Это приводит к тому, что на периферии лед будет образовываться, тогда как в центре может, наоборот, происходить таяние уже имеющегося льда за счет повышения давления. Бороться с этим можно, как понижая температуру медленнее (и позволяя объекту охлаждаться более равномерно), так и повышая концентрацию веществ-криопротекторов в наружных слоях. При этом не обязательно повышать давление до максимальных значений. Можно, увеличив число циклов, оставаться в пределах заведомо безопасных 500–1000 атмосфер.

К тому же, как показали эксперименты Смит с золотистыми хомячками, для обратимого криосохранения может оказаться достаточно витрификации всего около 40% воды (и кристаллизации остальной части).

Так что имеющиеся данные вполне позволяют надеяться на использование высоких давлений для управления кристаллизацией свободной воды и криосохранения крупных биологических объектов-органов и даже целых организмов. Работы в этом направлении ведутся в Институте биофизики клетки РАН (Лаборатория криоконсервации генетических ресурсов под руководством) совместно с Институтом биомедицинских технологий и ГосНИИ ВТ им. .

Из графика (см. рисунок 3)также видно, что температура кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя. Под температурой кипения под­разумевается та температура, при которой давление насыщенного пара равно внешнему давлению. Поэтому она различна: для чистой воды – это температу­ра Т 1 , а для раствора – Т 2 .

Для разбавленных растворов при понижении температуры (см. рисунок 3)первым начинает кристаллизоваться чистый растворитель. Это происходит тогда, когда давление пара над раство­ром станет равно насыщенному пару над кристаллом (линия О–В). Температура начала кристаллизации для раствора состава С 1 соответствует температуре Т 3 , а для состава С 2 – Т 4 . При увеличении концентрации растворенного вещества температура замерзания уменьшается, что также хорошо видно на Р–Т–диаграмме (см. рисунок 3).

Кривые давления пара над растворами тем больше удалены от соответ­ствующей кривой воды, чем концентрированнее раствор. Поэтому и разность между температурами кипения или замерзания воды и раствора тем больше, чем выше концентрация раствора.

Изучая замерзание и кипение растворов, Рауль установил, что для разбавлен­ных растворов неэлектролитов повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания пропорциональны концентрации раствора.

Второй закон Рауля: повышение темпе­ратуры кипения (понижение температуры замер­зания) раствора по сравнению с температурой кипения (замерзания) растворителя пропорционально моляльной концентрации раство­ренного вещества.

Математически эти изменения температуры можно рас­считать по формулам:

;

;

где К Э – эбулиоскопическая (от лат. ebullire – кипеть) постоянная растворителя; К КР – криоскопическая (от греч. сrios – холод) постоянная растворителя; – повышение температуры ки­пения; – понижение температуры замерзания; С m – моляльная концентрация растворенного вещества.

Если расписать С m , то формулы примут вид:

Физический смысл эбулиоскопической и криоскопической по­стоянных определяется следующим образом. Их числовые значения показывают, на сколько градусов выше кипит и на сколько градусов ниже замерзает одномоляльный ра­створ (содержащий 1 моль растворенного вещества в 1000 г растворителя) по сравнению с температурами кипения и за­мерзания чистого растворителя. Единицы измерения – 1 град·моль -1 ·кг.

Эбулиоскопическая и криоскопическая константы не зависят от природы растворенного вещества, а являются характеристиками ра­створителя. Их значения для некоторых растворителей приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Криоскопические и эбулиоскопические константы некоторых растворителей

На измерениях температур кипения и замерзания растворов основаны эбулиоскопический и криоскопический методы определения молекулярных масс ве­ществ. Эти два метода широко используются в химии, так как, применяя различные растворители, можно определять молекулярные массы разнообразных веществ.

Для определения молярной массы растворенного вещества удобно пользоваться следующим со­отношением:

где – повышение температуры кипения или понижение температу­ры замерзания раствора по сравнению с соответствующими характери­стиками чистого растворителя;

К – эбулиоскопическая или криоскопическая константа.

Способность растворов замер­зать при более низкой температуре, чем растворитель, используется при приготовлении низкозамерзающих растворов, которые называют­ся антифризами. Антифризами заменяют воду в радиаторах автомобильных и авиационных моторов в зимнее время. В качестве основных компонентов могут быть использованы т. н. многоатомные спирты – этиленгликоль и глицерин:

СН 2 - СН 2 СН 2 - СН 2 - СН 2

ОН ОН ОН ОН ОН

этиленгликоль глицерин

Водный раствор этиленгликоля (58-процентный по массе), например, замерзает только при температуре минус 50 °С.

Осмос

Самопроизвольный переход раствори­теля через полупроницаемую мембрану, разделяющую раствор и рас­творитель или два раствора с различной концентрацией растворенно­го вещества, называется осмосом . Осмос обусловлен диффузией молекул растворителя через полупроницаемую перегородку, которая пропускает только молекулы растворителя. Молекулы растворителя диффундируют из растворителя в раствор или из менее концентриро­ванного раствора в более концентрированный, поэтому концентриро­ванный раствор разбавляется, при этом увеличивается и высота его столба h (рисунок 4).

При равновесии внешнее давление уравновешивает осмотическое давление. В этом случае скорости прямого и обратного переходов молекул через полупроницаемую перегородку становятся одинаковыми. Если внешнее давление, приложенное к более концентрированному раствору, выше осмотического p, т. е. р > p, то скорость перехода молекул растворителя из концентрированного раствора будет больше, и растворитель будет переходить в разбавленный раствор (или чистый растворитель). Этот процесс, называемый обратным осмосом , используется для очистки природных и сточных вод, для получения питьевой воды из морской.

Количественно осмос характеризуется осмотическим давлением, равным силе, приходящейся на единицу площади поверхности, и заставляющей молекулы растворителя проникать че­рез полупроницаемую перегородку. Осмотическое давление возрастает с увеличением концен­трации растворенного вещества и температуры. Вант-Гофф предпо­ложил, что для осмотического давления можно применить уравне­ние состояния идеального газа:

где p – осмотическое давление, кПа; с - молярная концентрация раствора, моль/л; R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура.

Осмос играет очень важную роль в био­логических процессах, обеспечивая поступ­ление воды в клетки и другие структуры. Растворы с одинаковым осмотическим дав­лением называются изотоническими. Если осмотическое давление выше внутри­клеточного, то оно называется гиперто­ническим, если ниже внутриклеточного – гипотоническим. Например, среднее осмотическое давление крови при 36 °С равно 780 кПа. Гипертонические растворы сахара (сироп) и соли (рассол) широко применяются для консервирования продуктов, так как вызыва­ют удаление воды из микроорганизмов.

Примеры решения задач

Перед решением задач следует уяснить следующее:

– температура замерзания раствора ниже температуры замерзания растворителя

– температура кипения раствора выше температуры кипения растворителя

– величина всегда положительная и изменение температуры по шкале Цельсия и термодинамической шкале Кельвина численно совпадают, т. е. и .

Пример 1. Определение температуры кипения и температуры замерзания неэлектролита.

Определить температуру кипения и температуру замерзания 2-процентного раствора нафталина (С 10 Н 8) в бензоле.

Решение

На основании второго закона Рауля можно записать:

Значение эбулиоскопической константы бензола, а также температуры кипения и замерзания бензола возьмем из таблицы 1. М (С 10 Н 8) = 128 г/моль. Вспомним, что процентная концентрация показывает число граммов растворенного вещества в 100 г раствора, значит масса нафталина – 2 г, а масса растворителя, т. е. бензола, 100 – 2 = 98 г. Тогда, подставив известные величины в уравнение, по­лучим

Поскольку чистый бензол кипит при 80,1 °С, а повышение температуры составляет 0,4 °С, то температура кипения раствора нафталина в бензоле составляет 80,5 °С.

Температура замерзания этого раствора определяется таким же образом:

Температура замерзания бензола 5,5 °С. Понижение температуры составляет 0,8 град, следовательно, температура замерзания 2-процентного раствора нафталина в бензоле составляет 4,7 °С.

Пример 2. Определение концентрации неэлектролита по температуре кристаллизации (кипения) растворов.

Определите массовую долю сахарозы С 12 Н 2 20 11 в воде, если известно, что температура замерзания этого раствора составляет минус 0,21 °С.

Решение.

Из данных задачи следует, что град. Для определения массовой доли сахарозы в растворе воспользуемся уравнением

в которое подставим известные величины: К КР – криоскопическую константу, К КР = 1,86 град·моль -1 ·кг, и молярную массу саха­розы М(С 12 Н 2 20 11) = 342 г/моль. Отношение

представляет собой массу растворенного вещества, приходящуюся на 1000 г растворителя, тогда

На 1000 г растворителя приходится 38,6 г сахарозы, поэтому для оп­ределения массовой доли растворенного вещества можно восполь­зоваться формулой

или составить пропорцию:

1038,6 г раствора содержит 38,6 г сахарозы;

100 г раствора – хг сахарозы.

Следовательно, массовая доля растворенного вещества состав­ляет 3,71 %.

Пример 4. Опре­деление молярной массы неэлектролита по температуре кристаллизации (кипения).

Раствор неэлектролита содержит 2,5 г растворенно­го вещества в 25 г бензола и замерзает при температуре 4,3 °С. Опре­делить молярную массу растворенного вещества.

Решение

Используя данные условия задачи и температуру за­мерзания бензола плюс 5,5°С, определим град. Молярную массу растворенного вещества можно опре­делить из соотношения

где К КР – криоскопическая константа бензола, К КР = 5,12 град·моль -1 ·кг.

г/моль .

Контрольные вопросы

1 Какое давление называется давлением насыщенного пара?

2 Запишите математические выражения каждого закона Рауля и объясните физический смысл величин, входящих в эти выражения.

3 Одинаковые навески мочевины CO(NH 2) 2 и сахарозы C 12 H 22 O 11 растворили в оди­наковом количестве воды в одинаковых условиях. Для какого из ра­створов значение будет больше?

4 Одинаково ли понижение температуры замерзания 0,1 М водных растворов глюкозы С 6 Н 12 О 6 и мочевины CO(NH 2) 2 ?

Задача 1. На сколько градусов повысится температура кипения водного раствора мочевины CO(NH 2) 2 , если в 300 г воды растворить 8,5 г вещества?

Задача 2. Вычислите массовую долю метанола СН 3 ОН в водном растворе, тем­пература замерзания которого равна минус 2,79 °С.

Задача 3. Определите температуру кипения раствора 1 г нафталина С 10 Н 8 в 20 г эфира, если температура кипения эфира равна 35,6 °С, К Э = 2,16 °С.

Задача 4. Раствор 1,05 г неэлектролита в 30 г воды замерзает при
– 0,7°С. Вычислите молекулярную массу неэлектролита.

Задача 5. Вычислите количество этиленгликоля С 2 Н 4 (ОН) 2 , которое необходимо прибавить на каждый килограмм воды для приготовления антифриза с точкой замерзания минус 15 °С.

Задача 7. Для приготовления антифриза на 30 л воды взято 9 л гли­церина С 3 Н 5 (ОН) 3 . Чему равна температура замерзания приготов­ленного антифриза? Плотность глицерина равна 1261 кг/м 3 .

Дисперсные системы

Химические вещества могут встречаться в чистом виде или в составе смесей. Смеси, в свою очередь, можно разделить на гомо- и гетерогенные. К гомогенным однофазным смесям относят истинные растворы (см. раздел 1), в которых растворенное вещество представлено в виде молекул или ионов, размеры которых соизмеримы с молекулами растворителя и не превышают 1 нм. Гомогенные смеси являются термодинамически устойчивыми.

При увеличении размеров частиц система становится гетерогенной, состоящей из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела. И, как показывает практика, иная область раздробленности вещества формирует новый комплекс свойств, присущих только этой форме организации вещества.

Главная > Учебно-методическое пособие

Опыт показывает, что температура замерзания и кипения рас-творов зависит от давления пара над ними. Еще М. В. Ломоносов обнаружил, что растворы замерзают при более низкой и кипят при более высокой температуре, чем чистые растворители. Понижение температуры замерзания раствора связано с понижением давления (упругости) пара растворителя над раствором. Как известно, жидкость закипает при той температуре, при которой давление ее насыщенного пара становится равным атмо-сферному давлению. Так, очищенная вода при атмосферном дав-лении замерзает при температуре 273,16 К и кипит при 373,16 К. Стоит растворить в воде какое-либо вещество, как давление ее пара понизится. Чтобы раствор закипел, необходимо нагреть его до температуры выше 373,16 К, ибо только при более высокой температуре давление пара станет равным атмосферному давле-нию. Чем больше концентрация растворенного вещества, тем при более высокой температуре будет кипеть раствор. Температура замерзания растворов также отличается от тем-пературы замерзания чистых растворителей. Известно, что жид-кость замерзает при той температуре, при которой давление пара вещества в твердом состоянии становится равным давлению пара этого же вещества в жидком состоянии. Например, при 273,16К давление пара льда (613,3 Па) равно давлению пара воды. Лед и вода могут одновременно сосуществовать друг с другом при температуре, которая носит название температуры замерзания. Если взять какой-то водный раствор, то вследствие понижения давления пара при 273,16 К он будет обладать меньшим, чем 613,3 Па, давлением пара. По этой причине лед, опущенный в та-кой раствор, будет быстро таять. Лишь при некоторой темпера-туре, лежащей ниже 0°С, давление пара над раствором уменьшится настолько, что станет рав-ным давлению пара льда при той же температуре. Таким образом, раствор будет за-мерзать при более низкой температуре, чем чистый растворитель. Например, раствор, содержащий 0,1 кг поваренной соли в 1 кг воды, замерзает, как показывает опыт, не при 273,16 К, а при 259,56 К, морская вода - при 270,66 К. Второй закон Рауля. Процессы замерзания и кипения растворов были детально изучены Раулем (1882), который установил закон, впоследствии названный его именем и характеризуемый уравнением:

Это и есть математическое выражение второго закона Рауля: по-нижение температуры замерзания или повышение температуры кипения растворов прямо пропорционально его моляльной концентрации. Коэффициент К в уравнении (4.9) носит название криоскопической постоянной (греч. kryos - холод). Она представляет со-бой величину, характерную для данного растворителя, и показы-вает понижение температуры замерзания, вызываемое растворе-нием 1 моль вещества (неэлектролита) в 1 кг этого растворителя. В самом деле, из уравнения (4.9) следует, что при m = 1 ∆ T = К. Криоскопическая постоянная является постоянной вели-чиной, она не зависит от природы растворенного вещества, а толь-ко от природы растворителя. Численные значения криоскопических констант (в К) для некоторых растворителей приведены ниже: Таблица 4.3 Криоскопические постоянные растворителей Аналогична криоскопической постоянной константа кипения, или эбулиоскопическая постоянная (лат. ebulyo - вскипать). Она характерна для данного растворителя и показывает, на сколько градусов повышается температура кипения при растворении 1 моль неэлектролита в 1 кг растворителя. Численные значения эбулиоскопических констант кипения (в К) приведены ниже: Таблица 4.4 Эбулиоскопические постоянные растворителей Напомним, что математическое выражение второго закона Рауля в случае изменения температуры кипения растворов будет совер-шенно аналогично уравнению (4.9), только вместо криоскопи-ческой постоянной (К) берут эбулиоскопическую константу (E ): Свойство растворов понижать температуру замерзания воды широко используется в практике для приготовления так называе-мых антифризов, которые представляют собой водные растворы некоторых органических и неорганических веществ. Эти растворы не замерзают при низких температурах и потому широко при-меняются для охлаждения двигателей автомобилей и тракторов в условиях Крайнего Севера. Например, такой антифриз, как 55%-ный раствор этиленгликоля в воде, не замерзает даже при температуре 233 К. Понижение температуры замерзания растворов имеет боль-шое значение для живых организмов. Так, сок в их клетках пред-ставляет собой в основном раствор органических веществ; его температура замерзания лежит ниже 273 К, поэтому организмы не погибают при пониженных температурах. Характерно отме-тить, что зимостойкость растений обусловлена концентрацией кле-точного сока: чем выше концентрация, тем более низкие темпе-ратуры может переносить растение. Процесс превращения более высокомолекулярных соединений в соединения с меньшей молеку-лярной массой при наступлении холодов (например, крахмала в углеводы типа глюкозы), протекающий в клетках растений, так-же вызван стремлением повысить концентрацию клеточного сока. По этой же причине хорошо сохраняются овощи и фрукты при температуре 272 К. Методы измерения концентрации клеточного сока по темпе-ратурам замерзания растворов в настоящее время широко ис-пользуются в селекционной работе при выведении новых зимо-стойких сортов различных сельскохозяйственных культур. § 48. Применение методов криоскопии и эбулиоскопии. Измерение понижения температуры замерзания или кипения раствора позволяет решать целый ряд вопросов, касающихся свойств данного раствора и растворенного вещества. Метод ис-следования, основанный на измерении понижения температуры за-мерзания растворов, называется криоскопическим методом, а ме-тод, основанный на измерении температуры повышения кипения растворов, получил название эбулиоскопического метода. Для более точного измерения температуры замерзания или кипения раство-ра обычно применяют дифференциальный термометр Бекмана, который имеет шкалу, раз-деленную на 5-6 градусов. . С помощью такого термомет-ра можно определять разность температур в широком интерва-ле, а также температуры замерзания и кипения различных рас-творов. В лабораторной практике криоскопический метод нашел значительно боль-шее распространение по сравнению с методом эбулиоскопии: измерять точки за-мерзания растворов при этом значительно проще и безопаснее, чем точки кипе-ния их. Определение молекулярной массы вещества. Криоскопическим методом часто пользуются при определении молекулярной массы вещества. Решая выражение (4.8) относительно М, получим окончательную формулу для вычисления молекулярной массы криоскопическим методом. Например, водный раствор сахара, содержащий 17·10 -5 кг сахара в 25·10 -3 кг воды, замерзает при температуре 273,123 К. Определить молекулярную массу сахара. Подставив данные в формулу (4.8), получим (В данном случае T=273,160-273,123 = 0,037 К.) Определение осмотического давления растворов. Опыт показывает, что изме-рение осмотического давления с помощью осмометра Пфеффера связано с целым рядом трудностей. Это измерение слишком длительно и не совсем точно, так как на практике трудно подобрать подходящую мембрану, которая бы обладала иде-альной полупроницаемостью. Осмотическое давление обычно измеряется косвен-ным путем, например методом криоскопии. В основе этого определения лежат законы Вант-Гоффа и Рауля, т. е. П = RTC ∆ Т = Кт, где С - концентрация раствора (в моль/л раствора); т - концентра-ция раствора (в моль на 1 кг растворителя). Для разбавленных растворов мож-но без большой погрешности принять, что т = С. Подставив в уравнение закона Вант-Гоффа вместо С равное значение ∆ T / K из закона Рауля, найдем После замены буквенных выражений R , Т и К их численными значениями (для разбавленных растворов) получим окончательное уравнение для вычисления осмо-тического давления криоскопическим методом: Определение концентрации раствора. На основании второго закона Рауля можно сравнительно легко вычислять моляльную концентрацию раствора, если известно понижение его температуры замерзания: Таким способом можно определять концентрацию клеточного сока растений и кон-центрацию почвенного раствора. Необходимо помнить, что найденные этим мето-дом концентрации являются суммарными, т. е. показывают содержание всех ве-ществ, находящихся в растворе, выраженное в моль на 1 кг воды. С помощью метода криоскопии можно определять осмотический коэффициент Вант-Гоффа и степень электролитической диссоциации слабых электролитов. § 49. Отступление от законов Вант-Гоффа и Рауля в растворах электролитов. Теория электролитической диссоциации. Законы Вант-Гоффа и Рауля справедливы для идеальных ра-створов, т. е. таких, в которых нет химического взаимодействия между компонентами раствора, а также диссоциации или ассоциа-ции молекул растворенного вещества. Опыт показал, что у раство-ров, проводящих электрический ток (электролиты), более высокое, чем по закону Вант-Гоффа, осмотическое давление, они кипят при более высокой температуре и замерзают при более низкой, чем это следует из закона Рауля. Такими свойствами обладают растворы солей, кислот и оснований. Обобщая наблюдения, Вант-Гофф пришел к выводу, что в отношении осмотического давления растворы электролитов ведут себя так, как будто они содержат больше частиц, чем это следует из аналитической концентрации. Исходя из этого, Вант-Гофф внес в уравнение (4.4) для растворов электролитов поправку, получившую название коэффициента Вант-Гоффа или изотонического коэффициента(i ) Отсюда следует:
Таким образом, коэффициент i можно найти, если измерить непо-средственно осмотическое давление с помощью осмометра Пфеффера или криоскопическим методом, что значительно проще. Коэф-фициент Вант-Гоффа для неэлектролитов, растворенных в воде, равен 1, а для электролитов он больше единицы. Значение коэф-фициента растет по мере разбавления электролита. Для раство-ров, в которых имеет место ассоциация молекул растворенного вещества, коэффициент i бывает меньше единицы. Причину отклонения от законов ВантТоффа и Рауля в раство-рах электролитов впервые разъяснил шведский ученый С. Аррениус (1883-1887) в своей теории электролитической диссоциации. Она основывалась на трех постулатах. 1.Электролиты обладают способностью при растворении в со-ответствующих растворителях (например, в воде, к которой пер-воначально и относилась теория Аррениуса) диссоциировать на противоположно заряженные частицы - ионы. При этом молекулы кислот распадаются на положительные ионы водорода и отрица-тельные ионы кислотного остатка: H 2 SO 4 = 2Н + + SO 4 2- молекулы оснований - на положительные ионы металла и отри-цательные гидроксид-ионы: КОН = К + + ОН - соли (средние)-на положительные ионы металла и отрицатель-ные ионы кислотного остатка: KCI = К + + CI - кислые и основные соли, помимо ионов металла и кислотного остатка, дают также в растворе ионы водорода или гидроксидионы: КН 2 РО 4 = К + + 2Н + + РО 4 3- ; Аl(ОН)SO 4 = Аl 3+ + SO 4- + ОН - Таким образом, электролиты при растворении в воде распада-ются на ионы, за счет чего увеличивается число частиц. Это уве-личение числа частиц и влияет на осмотическое давление и темпе-ратуры кипения и замерзания растворов, т. е. свойства электроли-тов определяются суммой концентраций частиц - ионов и недиссоциированных молекул. 2.Электролиты при растворении диссоциируют на ионы не пол-ностью. В состоянии равновесия доля молекул, распавшихся на ионы, количественно характеризуется степенью электролитической диссоциации и обозначается через а. Степень электролитической диссоциации равна отношению чи-сла молекул п, распавшихся на ионы, к общему числу растворен-ных молекул N (ионизированных п и неионизированных п а ) :Величина степени электролитической диссоциации зависит от при-роды растворенного вещества и растворителя, а также от концент-рации и температуры раствора. Если вещество не диссоциирует при растворении (п = 0 , n a = N , a = 0), оно не электролит. Если а близка к единице, то п ~ N и соединение - сильный электролит. Для многих химических соединений 0 < а < 1, а следовательно, п ≤ N , т. е. они слабые электролиты. По способности к диссоциации Аррениус разделил все электро-литы на три группы: сильные электролиты (а>30%), электро-литы средней силы (а = 5-30%), слабые электролиты (а<5%). К сильным электролитам были отнесены: соляная, бромистоводородная, иодистоводородная, азотная, серная, марганцовая кисло-ты; гидроксиды натрия, калия, бария, а также большинство солей. Согласно теории Аррениуса для сильных электролитов характерна значительная диссоциация и, следовательно, хорошая электриче-ская проводимость. К слабым электролитам относятся почти все органические ки-слоты (муравьиная, уксусная, бензойная), цианистоводородная ки-слота, борная кислота, угольная кислота, сероводородная кислота, гидроксид аммония, вода, а также некоторые соли (HgCl 2 , CdCl 2). Для растворов слабых электролитов характерна очень небольшая величина электрической проводимости. К электролитам средней силы относятся фосфорная, мышьяко-вая, йодная, хромовая, сернистая кислоты и целый ряд других соединений. 3.Силы взаимодействия между ионами отсутствуют и растворы электролитов ведут себя подобно идеальным газовым системам. Это положение автором теории электролитической диссоциации и его последователями прямо не высказано, но на нем основаны ее количественные соотношения. При помощи трех постулатов теория электролитической дис-социации объяснила многие свойства растворов, дала их количе-ственную характеристику и истолковала многочисленные факты и закономерности. В своих работах Аррениус показал, что степень диссоциации электролита а можно связать с коэффициентом Вант-Гоффа i . Приведем простейший вывод этих соотношений. Предположим, что в растворе находилось N молекул электролита, из которых только п продиссоциировало на ионы. Число непродиссоциированных мо-лекул N - п, а число образовавшихся ионов ν n , где ν - число ионов, на которое диссоциирует одна молекула электролита. Тогда число всех частиц в растворе, включая и молекулы, и ионы, (N - п) + ν п, или после соответствующего преобразования После подстановки в уравнение (4.18) значений N и N + п (ν- 1) получим Поскольку i = ∆Т оп /∆Т выч, то, подставив это выражение в урав-нение (IV, 8), получим формулу для вычисления степени электро-литической диссоциации криоскопическим методом: Из всего вышеизложенного можно сделать следующие выводы. 1. Растворы электролитов изотоничные, если при одинаковой температуре они содержат одинаковое число частиц (молекулы + ионы) в единице объема. 2. Из двух растворов с одинаковой молярной концентрацией осмотическое давление выше в растворе электролита с более высо-кой степенью диссоциации а. 3. Из двух растворов с одинаковой молярной концентрацией и степенью диссоциации а осмотическое давление выше в растворе электролита, диссоциирующего на большее число ионов. Теория электролитической диссоциации Аррениуса дала воз-можность объяснить не только причины отклонения растворов электролитов от законов Вант-Гоффа и Рауля, но и объяснить многие особенности химических свойств электролитов (реакции гидролиза, значение концентрации водородных ионов и др.). Одна-ко она имела и ряд недостатков, в частности не учитывала взаи-модействия между ионами в растворе, вызываемого их электри-ческими зарядами. И. А. Каблуков (1891), основываясь на гидратной теории растворов Д. И. Мен-делеева, считал, что нельзя рассматривать раствор как систему, в которой отсут-ствует взаимодействие частиц растворителя и растворенного вещества. На основании громадного числа фактов было установлено, что теория электролитической диссоциации приложима только к раз-бавленным растворам слабых электролитов. Поведение концент-рированных растворов слабых электролитов, а также растворов сильных электролитов любых концентраций нельзя описать коли-чественно на основании теории Аррениуса. Главный недостаток теории электролитической диссоциации, и вместе с тем причина всех ее недостатков, заключается в игно-рировании взаимодействия частиц растворенного вещества между собой, а также с молекулами растворителя. Все эти противоречия были в дальнейшем в значительной степени устранены в так на-зываемой теории сильных электролитов.
§ 50. Основные положения теории сильных электролитов. Как известно, величина электрической проводимости сильных электролитов далеко не соответствует полной диссоциации их мо-лекул па ионы. В 1923 г. Дебай и Гюккель создали теорию сильных электро-литов. В разработку этой теории большой вклад внесли Д. П. Ко-новалов, И. А. Каблуков, В. А. Кистяков, Л. В. Писаржевский, А. Нойес. Согласно этой теории в растворах сильных электроли-тов действуют электростатические силы притяжения между разноименными ионами и силы отталкивания между одноименными. Вокруг каждого иона образуется ионная атмосфера, состоящая из ионов противоположного знака. Каждый из ионов этой атмосферы находится в окружении другой ионной атмосферы. Поэтому ра-створ сильного электролита можно рассматривать как систему равномерно распределенных по всему объему сосуда разноимен-ных ионов, каждый из которых находится в центре силового поля, создаваемого окружающими ионами (рис.4.3). Тепловое дви-жение постоянно изменяет кар-тину распределения ионов в та-кой сфере: в ней происходит постоянный ионный обмен. Вви-ду того, что радиус ионной ат-мосферы относительно велик, атмосферы двух соседних ионов пересекаются, в результате че-го каждый ион в данный мо-мент может входить в состав одной или даже нескольких ионных атмосфер других ио-нов.Все это обусловливает до-вольно сложные взаимоотно-шения между компонентами раствора, которые не могут не сказаться на его свойствах. И сходя из того, что сильные электролиты полностью диссоции-рованы, можно было ожидать, что коэффициент Вант-Гоффа i для электролита, диссоциирующего, например, на два иона, должен равняться двум не только в разбавленных, но и в достаточно кон-центрированных растворах. Однако опыты не подтверждают этого. Коэффициент i в растворах сильных электролитов в значительной степени зависит от концентрации электролита, уменьшаясь с уве-личением концентрации раствора. Такая зависимость i от кон-центрации в растворах объясняется взаимодействием ионов между собой. В электрическом поле постоянного тока ионы в растворах сильных электролитов имеют меньшую подвижность ввиду ме-жионного взаимодействия. Дело в том, что под влиянием внешнего электрического поля «ионная атмосфера» смещается к одному полюсу, а ион, находя-щийся в центре этой атмосферы, стремится к другому полюсу. Кроме того, увлекаемые ионами сольватные (гидратные) оболочки также способствуют их торможению. Чем выше концентрация ра-створов, тем плотнее «ионная атмосфера» и тем медленнее дви-жутся ионы.

1. Рабочая программа по общей химии (курс физической и коллоидной химии) для специальности: 040400-стоматология

   Рабочая программа

   Рабочая программа составлена с учетом требований Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 040400 - стоматология в соответствии с учебным планом и на основании типовой программы

2. Спеціалізація – «Технологія харчування»

   Документ

   Нужна Тетяна Валеріївна, декан факультету харчування, канд. хім. наук, доцент кафедри хімії, тел. 335-43-55, E-mail: [email protected], години 10.

3. Тематические планы лекций, практических занятий, экзаменационные вопросы, примеры тестов тематические планы лекций по общей химии на 1 семестр (2-х часовые) Предмет и задачи химии. Химические дисциплины в системе медицинского образования

   Экзаменационные вопросы

   1. Предмет и задачи химии. Химические дисциплины в системе медицинского образования. Термодинамика. Химическая термодинамика как теоретическая основа биоэнергетики.

4. Тематические планы лекций, практических занятий, экзаменационные вопросы, примеры тестов тематические планы лекций по общей химии на 1 семестр (2-х часовые) Тематические планы лекций по биоорганической химии на

   Экзаменационные вопросы

   1. Взаимное влияние атомов в органических молекулах.Электронные эффекты заместителей. Сопряженные системы. Сопряженные системы с открытой цепью сопряжения,р, П – сопряженные,п-п сопряжение.

5. Рабочая программа по курсу «химия» для специальности (ей): 080502 «Экономика и управление на предприятии новый шифр название специальности (ей) (по отраслям)» для специализаций: «Экономика и управление на предприятии»

   Рабочая программа