Том 1 (Р. Эккерт - Физиология животных - механизмы и адаптации в 2-х томах), страница 10

Согласно теории, такоевыражение концентрации эквивалентно молярности недиссоциирующегорастворенного вещества, обладающего свойствами идеального газа, в растворе саналогичными коллигативными свойствами. Число индивидуальных частиц,присутствующих в данном элементе объема раствора, при одном и том же числерастворенных молекул больше в случае электролита по сравнению снеэлектролитом из-за диссоциации молекул на ионы.

Таким образом, приодинаковой молярности растворов осмолярность раствора электролита больше,чем раствора неэлектролита. Например, при растворении в воде 1 моля NaClполучается частиц почти в два раза больше, чем при растворении эквимолярногоколичества глюкозы, поскольку соль диссоциирует на Na + и Сl-.

Из-заэлектростатического притяжения между катионами и анионами растворенногоэлектролита существует статистически обусловленная вероятность того, что влюбой момент времени какое-то число ионов Na + ассоциировано с ионами С1-.Следовательно, электролит ведет себя так, как будто не все его молекулыдиссоциированы. А поскольку силы электростатического взаимодействия ионовдруг с другом убывают пропорционально квадрату расстояния между ними,эффективная диссоциация электролита будет тем выше, чем более он разбавлен.Таким образом, активность (т.

е. эффективная концентрация свободных частиц)иона зависит от его способности к диссоциации в данном растворе, а также отего суммарной концентрации. В табл. 2-2 приведены коэффициентыактивности1 некоторых распространенных электролитов. Электролиты свысокой степенью диссоциации (т. е. обладающие большим коэффициентомактивности) называются сильными электролитами (к ним относятся растворыКС1, NaCl, HC1), а электролиты, способные лишь к слабой диссоциации,слабыми.Т а б л и ц а 2 - 2. Коэффициенты активности типичных электролитов приразличных моляльных концентрациях (West, 1964)Растворенные частицы независимо от их химической природы изменяютфизические свойства раствора: наблюдается понижение точки замерзания,повышение точки кипения и понижение давления водяных паров.

Растворенныечастицы наделяют также раствор осмотическим давлением. Эти так называемыеколлигативные свойства тесно связаны друг с другом и все они количественнооднозначно связаны с числом частиц растворенного вещества в единице объемарастворителя, т.е. с осмоляльностью. Так, 1 моль идеального компонента (т.е.такого, у которого частицы не диссоциируют и не ассоциируют), растворенногов 1000 г воды при нормальном давлении (760 мм рт. ст.), понижает точкузамерзания на 1,86°С и повышает точку кипения на 0,54 °С.

В идеальномприборе для определения осмотического давления (осмометре) такой растворпри стандартной температуре (0°С) покажет осмотическое давление 22,4 атм.Поскольку коллигативные свойства зависят от суммарного числа растворенныхчастиц, приходящегося на единицу объема растворителя, коллигативныесвойства 10 мМ раствора NaCl (сильно диссоциирующий27электролит) и 20 мМ раствора сахарозы почти эквивалентны, так каккоэффициент активности NaCl при концентрации 10 мМ равен примерно 0,9(см.

табл. 2-2)1.281 Коэффициент активности определяется соотношением γ = а/m, где m-моляльная концентрация, а активность (которая представляет собой эффективную концентрацию вещества, определяемую на основепроявляемых раствором свойств).1 Значения коэффициентов активности приведены в таблице для различных моляльных, а не молярныхконцентраций. При низких концентрациях, однако, молярность и модальность практически совпадают.26 :: 27 :: 28 :: Содержание28 :: Содержание2.5.

Растворы электролитов2.5.1. Ионизация водыДинамический характер водородных связей между молекулами воды можнопредставить так, как это изображено на рис. 2-17, где показано, что ковалентнаяи водородная связи время от времени меняются местами. Из-за постоянноменяющегося характера отношении связывания между соседними молекуламиводы существует некоторая вероятность того, что три атома водородаобъединятся с одним атомом кислорода с образованием иона гидроксония,Н3О+, оставив при другом атоме кислорода лишь один атом водорода; врезультатеобразуется гидроксилъный ион, ОН-. Эта вероятность вдействительности очень невелика. В любой момент времени в литре чистойводы при 25 °С содержится всего лишь 1,0·10 -7 молей Н3О+ и такое жеколичество гидроксильных ионов. Положительно заряженные атомы водорода вгидроксонии притягивают электроотрицательные (кислородные) концысоседних недиссоциированных молекул воды, в результате чего образуетсястабильная форма иона гидроксония (рис.

2-18).Рис. 2.17. Динамический характер водородных связей в воде. В результатерезонанса может произойти разделение зарядов с образованием иона гидроксония и гидроксилъногоиона. (Dowben, 1969.)Диссоциацию воды удобно записывать в видеПри этом следует иметь в виду, что протон (Н+) фактически не находится врастворе в свободном состоянии, а становится частью иона гидроксония. Однакоон может мигрировать к соседней молекуле Н 2О, превратив ее в Н3О+ илизаставив один из ее протонов перейти к другой молекуле воды (рис. 2-19).

Цепьтаких миграций или переходов может (по типу передачи возмущения в цепочкестоящих рядом костяшек домино) распространяться на относительно большиерасстояния при том, что перемещение любого протона незначительно. Естьсведения, что такая протонная проводимость играет важную роль в некоторыхбиохимических процессах, в частности при фотосинтезе и окислительномфосфорилировании.Рис.

2.18. Ион гидроксония в растворе в окружении трех связанных с ним водородными связями молекулводы. (Lehninger, 1975.)Рис. 2.19. Миграция протона по молекулам воды. Каждая молекула на какой-то краткий промежутоквремени превращается в ион гидроксония. (Lehninger, 1975.)2828 :: Содержание29 :: Содержание2.5.2. Кислоты и основанияСогласно определению кислот и оснований, данному Бренстедом, ионН3кислый, а ОН--основный. Это означает, что первый может служитьдонором протона, а последний может его присоединять.

Таким образом, любоевещество, способное поставлять ион водорода, называется кислотой, а любоевещество, которое присоединяет ион водорода, - основанием. Кислотноосновная реакция всегда подразумевает наличие такой сопряженной кислотноосновной пары-донора протона и его акцептора (Н3О+ и ОН- в случае воды).Говорят, что вода обладает свойством амфотерности, поскольку она можетвыступать в роли как кислоты, так и основания. Аминокислоты также являютсяамфотерными соединениями.О+-Диссоциация воды на кислоту и основание представляет собой равновесныйпроцесс и может быть описана с помощью закона действующих масс, согласнокоторому скорость химической реакции прямо пропорциональна действующиммассам реагирующих веществ.

Например, константа равновесия для реакцииопределяется равенствомЧастичная диссоциация воды на Н+ и ОН- практически не влияет на ееконцентрацию, поскольку концентрация и того и другого компонентасоставляет всего лишь 10-7 М (10-7 моль/л), тогда как концентрация воды вчистой воде, т.е. ее молярное содержание в 1 литре (=1000 г), равна 1000 г/л,деленной на 18 г/моль (грамм-молекулярную массу воды), т.е. 55,5 М (55,5моль/л). Равенство (2-1) можно, таким образом, упростить, записав его в видеНапомним, что следствием закона действующих масс являетсясоотношение взаимности между концентрациями двух компонентов вравновесной системе.

Такая взаимность очевидна в выражении для константыKeq, которую можно объединить с молярностью воды (55,5), в результате чегополучается константа, называемая ионным произведением воды Кw. При 25 °Сона равна 10-14:Полученное значение следует из упоминавшегося ранее факта, что [Н+] =[ОН-] = 10-7 моль/л. Если [Н+] по какой-либо причине возрастает (например, прирастворении в воде какого-нибудь кислого вещества), то [ОН -] будет убыватьтак, чтобы оставалось неизменным значение Kw = 10-14. Эта реакция лежит воснове шкалы рН, стандартной шкалы кислотности и основности, по которойизмеряется концентрация [Н+] (а фактически Н3О+). Из табл.