Раздел 2. Общая химия. Физическая химия
2.1 Растворы. Способы выражения концентрации растворов. Массовая доля вещества в растворе. Молярная концентрация
Часть 1. Теоретическое введение
Химические реакции в живых организмах протекают в растворах. К растворам относятся такие важные биологические системы как цитоплазма, кровь, лимфа, желудочный сок, слюна, моча, пот. Они представляют собой водные растворы солей, белков, углеводов, липидов.
Под растворами понимают смеси переменного состава, состоящие из двух и более компонентов. В зависимости от агрегатного состояния, различают твердые, жидкие и газообразные растворы. Примером твердого раствора могут послужить сплавы металлов, жемчуг, зубы; жидкого – водные растворы спиртов, солей, слюна, пот; газообразного – воздух.
В свою очередь, эти системы по соответствию размеров, составляющих их компонентов, делят на гомогенные и гетерогенные системы. И в гомогенной и гетерогенной системе одно вещество оказывается в раздробленном (диспергированном) состоянии. Тип образующейся дисперсной системы зависит от степени раздробленности веществ. Если вещество диспергируется до молекулярного или ионного уровня, то образуется истинный раствор.
Истинным раствором называется термодинамически устойчивая гомогенная (однородная) система переменного состава с размером частиц 10–10–10–9 м, состоящая из двух и более компонентов.
В гетерогенных (неоднородных) дисперсных системах молекулы или ионы образуют крупные агрегаты с размером частиц 10–9–10–5 м. Эти агрегаты равномерно распределены в объеме другого вещества, состоящего из атомов или молекул.
Гетерогенные системы в отличие от гомогенных неустойчивы. Примерами таких систем являются суспензии (зубная паста), эмульсии (молоко), коллоидные растворы различных веществ (гидроокиси железа, лекарственных препаратов серебра – протаргол, колларгол). Основные биологические жидкости организма, такие как кровь, лимфа, цитоплазма, не являются простыми истинными растворами, а представляют собой дисперсные системы, в водной среде которых содержатся вещества с разным размером частиц.
В жидких растворах компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора, принято называть растворителем, а другой компонент – растворенным веществом. Например, в водном растворе глюкозы вода является растворителем, а глюкоза растворенным веществом. При одинаковом агрегатном состоянии компонентов (например, вода и этиловый спирт) растворителем обычно считают вещество, которое преобладает в растворе. Основной физико-химической характеристикой раствора является концентрация растворенного вещества. Под концентрацией раствора понимают содержание растворенного вещества (в граммах или молях) в единице массы или объема раствора или растворителя.
1. Массовая доля растворенного вещества ω(Х) (омега) представляет собой отношение массы растворенного вещества m(Х) к массе раствора m(р-ра), является безразмерной величиной и выражается в долях единицы или процентах (%).
2. Молярная доля χ(Х) (кси) представляет собой отношение количества вещества компонента раствора (Хi) к общему числу всех компонентов ∑(Хi) составляющих раствор. Как и массовая доля, молярная доля также является безразмерной величиной и выражается в долях единицы или процентах (%).
3. Объемная доля φ(Х) (фи) представляет собой отношение объема компонента раствора V(Х) к общему объему раствора V(р-ра). Это тоже безразмерная величина и может выражаться как в долях единицы, так и в процентах.
4. Молярная концентрация С(Х) представляет собой отношение количества вещества компонента раствора с(Х) к объему раствора V(р-ра) с размерностью моль/л. Например, 0,1 М раствор означает децимолярный раствор или раствор с молярной концентрацией растворенного вещества 0,1 моль/л.
5. Молярная концентрация эквивалента (или нормальная концентрация) С(1/ZХ) представляет собой отношение количества вещества эквивалента в растворе n(1/ZХ) к объему раствора v (в литрах).
Молярная масса вещества эквивалента 1/ZХ определяется произведением фактора эквивалентности[1]на молярную массу вещества: М(1/ZХ) = 1/Z × М(Х);
6. Моляльность раствора (моляльная концентрация) Сm(Х) представляет собой отношение количества растворенного вещества n(Х) к массе растворителя m(р-ля) в килограммах, размерность моль/кг.
7. Титр или массовая концентрация t(Х) представляет собой отношение массы растворенного вещества в граммах к объему раствора в миллилитрах, размерность г/мл.
При проведении лабораторных работ используют измерительную посуду: мерные колбы, пипетки (градуированные и пипетки Мора), бюретки, мерные цилиндры и мерные пробирки.
Колбы рассчитаны на различные объемы. На горле колбы есть кольцевая метка, а на самой колбе указана ее емкость в миллилитрах при определенной температуре. Заполнение мерных колб производят через воронку. Последние порции растворителя приливают медленно до совмещения нижнего края мениска раствора с меткой на колбе.
Пипетки Мора (I) предназначены для отмеривания определенного объема раствора, указанного на расширенной части пипетки. Градуированными пипетками (II) можно отмеривать заданные количества раствора. Для наполнения пипетки нижний конец ее опускают в жидкость (на дно сосуда) и втягивают раствор при помощи груши. Жидкость набирают так, чтобы она поднялась на 2–3 см выше метки и закрывают верхнее отверстие указательным пальцем. Затем ослабляют нажим и жидкость начинает вытекать из пипетки. Когда нижний мениск жидкости окажется на уровне с меткой, указательный палец снова прижимают. Затем пипетку вводят в колбу для титрования и дают жидкости стечь.