Термодинамика процесса растворения

Согласно второму началу термодинамики при р, Т = = const вещества самопроизвольно могут растворяться в каком-либо растворителе, если в результате этого процесса энергия Гиббса системы уменьшается, т. е.

ΔG = (ΔН – TΔS) < 0.

Величину ΔН называют энтальпийным фактором, а величину TΔS – энтропийным фактором растворения.

При растворении жидких и твердых веществ энтропия системы обычно возрастает (ΔS > 0), так как растворяе–мые вещества из более упорядоченного состояния пе–реходят в менее упорядоченное. Вклад энтропийного фактора, способствующий увеличению растворимости, особенно заметен при повышенных температурах, по–тому что в этом случае множитель Т велик и абсолютное значение произведения TΔS также велико, соответст–венно возрастает убыль энергии Гиббса.

При растворении газов в жидкости энтропия системы обычно уменьшается (ΔS < 0), так как растворяемое вещество из менее упорядоченного состояния (боль–шого объема) переходит в более упорядоченное (ма–лый объем). Снижение температуры благоприятствует растворению газов, потому что в этом случае множи–тель Т мал и абсолютное значение произведения TΔS будет тем меньше, а убыль энергии Гиббса тем больше, чем ниже значение Т.

В процессе образования раствора энтальпия систе–мы также может как увеличиваться (NaCI), так и умень–шаться (КОН). Изменение энтальпии процесса раство–рения нужно рассматривать в соответствии с законом Гесса как алгебраическую сумму эндо– и экзотермиче–ских вкладов всех процессов, сопровождающих про–цесс растворения. Это эндотермические эффекты раз–рушения кристаллической решетки веществ, разрыва связи молекул, разрушения исходной структуры рас–творителя и экзотермические эффекты образова–ния различных продуктов взаимодействия, в том числе сольватов.

Для простоты изложения приращение энтальпии раст–ворения ΔН_раств можно представить как разность энер–гии Е_кр, затрачиваемой на разрушение кристаллической решетки растворяемого вещества, и энергии Е_сол, выде–ляющейся при сольватации частиц растворенного веще–ства молекулами растворителя. Иначе говоря, измене–ние энтальпии представляет собой алгебраическую сумму изменения энтальпии ΔН_кр в результате разруше–ния кристаллической решетки и изменения энтальпии ΔН_сол за счет сольватации частицами растворителя:

ΔН_раств = ΔН_кр + ΔН_сол,

где ΔН_раств – изменение энтальпии при растворении.

Однако растворение благородных газов в органичес–ких растворителях нередко сопровождается поглоще–нием теплоты, например гелия и неона в ацетоне, бен–золе, этаноле, циклогексане.

При растворении твердых веществ с молекулярной кристаллической структурой и жидкостей молекуляр–ные связи не очень прочные, и поэтому обычно ΔН_сол > ΔН_кр Это приводит к тому, что растворение, например, спиртов и сахаров представляет собой экзотермиче–ский процесс (ΔН_раств < 0).

При растворении твердых веществ с ионной решет–кой соотношение энергий Е_кр и Е_сол могут быть различ–ным. Однако в большинстве случаев энергия, выделяе–мая при сольватации ионов, не компенсирует энергию, затрачиваемую на разрушение кристаллической решет–ки, следовательно, и процесс растворения является эн–дотермическим.

Таким образом, термодинамические данные позво–ляют прогнозировать самопроизвольное растворение различных веществ на основе первого и второго начал термодинамики.

Учение о растворах представляет для медиков особый интерес потому, что важнейшие биологические жидкости – кровь, лимфа, моча, слюна, пот являются растворами солей, белков, углеводов, липидов в воде.

Биологические жидкости участвуют в транспорте питательных веществ (жиров, аминокислот, кислорода), лекарственных препаратов к органам и тканям, а также в выведении из организма метаболитов (мочевины, билирубина, углекислого газа и т. д.). Плазма крови является средой для клеток – лимфоцитов, эритроцитов, тромбоцитов.

В жидких средах организма поддерживается постоянство кислотности, концентрации солей и органических веществ. Такое постоянство называется концентрационным гомеостазом.

Динамика жизненных явлений связана с постоянными перемещениями воды, с перераспределением ее между отдельными частями организма. Между кровью и лимфой, омывающей ткани животных, а также между тканями организма, с одной стороны, и кровью и лимфой—с другой, происходит постоянный обмен: например, изменение осмотич. давления крови влечет за собой перераспределение воды в лимфе и тканях. Эти изменения имеют исключительно важное физиол. значение, влияя на интенсивность и направление происходящих в организме процессов. Вода постоянно поступает в организм и удаляется из него; часть воды образуется в самом организме в результате хим. реакций. В обратимых реакциях с участием воды, по закону действия масс, увеличение количества воды ведет к гидролизу, расщеплению вещества; уменьшение, наоборот,—к его синтезу (например, обратимые реакции омыления сложных эфиров водой). Известно также, что распад белков на аминокислоты связан с присоединением воды и, наоборот, синтез полипептидов из аминокислот—с отщеплением воды. В протоплазме, представляющей собой сложную гетерогенную и конденсированную систему, вода находится, гл. обр., в связанном состоянии. Вступая в многообразные отношения к различным частям организма, вода принимает участие в создании сложных структур организма.

В ФАРМАЦИИ растворение веществ играет большое значение. При изготовлении растворов в ампулах производственный цикл складывается из растворения исходных веществ, фильтрация растворов, изготовление ампул, подготовка их к накоплению и т.д.

В гигиене и санитарии используются дезинфицирующие растворы для обработки инструментов, помещений.

19. Концентрация – количественная характеристика растворов. Способы выражения концентрации: процентная (все виды), молярная концентрация эквивалента (нормальная) молярная, моляльная, титр. Пересчет одного вида концентрации в другой. Правило смещения растворов (метод креста).