А. Дроздов - Неорганическая химия

Перенос веществ из области с меньшей кон–центрацией в область с большей концентрацией против градиента называется активным транспортом. Такой процесс не может идти самопроизвольно и тре–бует энергетических затрат. Источником энергии яв–ляется экзоэргоническая реакция гидролиза бионеорга–нического соединения – аденозинтрифосфата (АТФ).

Устойчивое стационарное распределение концент–раций ионов К внутри и вне клетки достигается, когда поток ионов К через мембрану внутрь клетки становит–ся равным потоку ионов К из клетки, возникающему вследствие пассивной диффузии. Аналогично дости–гается распределение (ионный гомеостаз) и для ионов Na, только активный транспорт и компенсирующая пас–сивная диффузия ионов направлены противоположно со–ответствующим потокам ионов К.

Процесс диффузии находит широкое применение в медицине. Так, например, метод диализа, основан–ный на избирательности диффузии низкомолекуляр–ных веществ через полупроницаемую мембрану вдоль градиента концентрации, используется в клинической практике при создании аппарата «искусственная поч–ка». Частицы ВМС не проходят через полупроницаемую мембрану, поэтому биологические жидкости (напри–мер, плазму крови) можно методом диализа очистить от вредных низкомолекулярных веществ – «шлаков» (мочевины, мочевой кислоты, билирубина, аминов, из–бытка ионов К), накапливающихся при различных забо–леваниях. При очистке кровь больного, отведенная из вены, поступает в специальные камеры с полупрони–цаемыми мембранами, через которые НМС могут диф–фундировать и удаляться из плазмы.

При ряде воспалительных заболеваний происходит деструкция белков, и в плазме крови наряду с НМС име–ются фрагменты белка (пептиды и полипептиды), кото–рые также необходимо удалять.

Прямым следствием понижения давления пара над раствором является изменение температуры замерза–ния ΔТ зи температуры кипения растворов ΔТ кпо срав–нению со значениями этих величин для чистого рас–творителя. Соотношения между этими величинами также вытекают из второго начала термодинамики.

Температурой кипения жидкости является температу–ра, при которой давление ее паров становится равным внешнему давлению (так, при 101,3 кПа температура кипения воды равна 100 °С). Температурой замерзания (кристаллизации) жидкости является температура, при которой давление пара над жидкостью равно давлению пара над твердой фазой. Если обозначить температуры замерзания и кипения раствора Т 3 и Т к , а эти же вели–чины для растворителя Т° 3и Т° к, то получим:

ΔТ к = Т к– Т° к> 0,

ΔТ 3= Т° 3– Т 3> 0.

Эффекты повышения температуры кипения и пониже–ния температуры замерзания растворов качественно могут быть объяснены с помощью принципа Ле Шателье.

Действительно, если в равновесную систему «жид–кость – пар» (например, Н 2О (ж)– Н 2О (г)), ввести раство–римое нелетучее вещество, то давление пара раствори–теля над раствором уменьшится. Чтобы компенсировать понижение давления пара и достигнуть прежнего равно–весного состояния, раствор нужно нагреть до более вы–сокой температуры (больше 373°К), так как процесс эн–дотермический.

Пусть имеется равновесная система «твердая фаза – жидкость», например Н 2О (т)> Н 2О (ж), при 273°К. Ес–ли растворить в жидкой фазе некоторое количество не– летучего вещества (нерастворимого в твердой фа–зе), то концентрация молекул воды в жидкой фазе уменьшится. В соответствии с принципом Ле Шателье начнет идти процесс, увеличивающий количество воды в жидкой фазе, – плавление льда. Для установления но–вого равновесия раствор необходимо охладить, т. е. по–низить температуру, так как процесс экзотермический.

По закону Рауля для разбавленных растворов пони–жение давления пара пропорционально концентрации раствора. Следовательно, повышение температуры ки–пения и понижение температуры замерзания таких ра–створов должно возрастать с увеличением их концент–рации.

Изучая замерзание и кипение растворов, Рауль уста–новил: повышение температуры кипения ΔТ ки пони–жение температуры замерзания ΔТ 3разбавленных растворов неэлектролитов прямо пропорциональ–но молярной концентрации раствора:

ΔТ к=К эb (x),

ΔТ 3= К зb (x),

где b (X)– молярная концентрация, моль/кг;

К зи К э– коэффициенты пропорциональности,

кг × К × моль -1, которые называются соответственно эбулиометрической и криометрической константами. Физический смысл констант К эи К зстановится ясен, если принять b (X)= 1. Тогда К э= ΔТ к, а К з= ΔТ з. Иначе го–воря, эбулиометрическая константа численно равна по–вышению температуры кипения одномолярного раст–вора, а константа криометрическая – понижению температуры замерзания одномолярного раствора.

Эбулиометрические и криометрические константы зависят только от природы растворителя и не зависят от природы растворенного вещества (идеальные раст–воры).

Осмосом называется преимущественно односторон–нее проникновение молекул растворителя (диффузия) через полупроницаемую мембрану из растворителя в раствор или из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией.

Необходимым условием возникновения осмоса яв–ляется наличие растворителя и раствора или двух раст–воров различной концентрации, разделенных полупро–ницаемой мембраной.

С точки зрения термодинамики движущей силой осмо–са является стремление системы к выравниванию кон–центраций, так как при этом энтропия системы возраста–ет, поскольку система переходит в менее упорядоченное состояние, энергия Гиббса системы соответственно уменьшается, химические потенциалы выравниваются. Поэтому осмос – самопроизвольный процесс.

Иллюстрацией, поясняющей связь механизма осмо–са с изменением давления пара над раствором, может служить простой опыт. Если в закрытый стеклянный со–суд поместить стакан с чистым растворителем и стакан с раствором какого-либо нелетучего вещества (уровни жидкостей в сосудах одинаковы), то через некоторое время уровень жидкости в первом стакане понизится, а уровень раствора во втором стакане повысится. В этом случае происходит переход растворителя из первого стакана во второй стакан, что обусловлено (по закону Рауля) более низким давлением пара рас–творителя над раствором, чем над чистым раствори–телем.

Таким образом, воздушное пространство между рас–творителем и раствором выполняет роль полупрони–цаемой мембраны.

Наполним сосуд с полупроницаемыми стенками вод–ным раствором глюкозы и поместим в другой сосуд с во–дой так, чтобы уровни жидкостей в этих сосудах совпа–дали. В результате осмоса объем раствора в первом сосуде увеличивается и уровень жидкости в этом сосуде постепенно повышается. При этом созда–ется препятствующее осмосу дополнительное гидро–статическое давление.