Гетерогенні рівноваги (стор

Біомедична значущість теми

З общебиологической точки зору інтерес, який виявляють біологами і медиками до гетерогенним равновесиям, обумовлений в першу чергу тією обставиною, що клітинні мембрани являють собою гетерогенні системи, окремі компоненти яких можуть перебувати в рідкій і твердій фазах. Специфічні функції біомембран в значній мірі залежать від фазового стану та фазового рівноваги в цих клітинних і субклітинних структурах.

Процеси утворення і розчинення мінеральних компонентів кісткової тканини також обумовлені зрушеннями гетерогенного рівноваги в організмі. Справа в тому, що мінеральні компоненти кісткової тканини, основу яких складає гідроксіфосфата кальцію Са5 (РО4) 3ОН, знаходяться в стані хімічної рівноваги з іонами кальцію і фосфату плазми крові. Зсув цього рівноваги під впливом різних факторів може призводити до порушення нормального ходу звапніння остеоидной тканини, т. Е. До розвитку рахіту.

При різних патологічних станах в різних середовищах організму може початися утворення твердої фази. Наприклад, утворення сечових каменів (оксалат кальцію, фосфат кальцію, урат кальцію) при нирково-кам'яної хвороби, утворення холестеринових каменів, білірубінокіслого кальцію, карбонату кальцію при печінково-кам'яної хвороби, відкладення карбонату кальцію в стінці судин (кальциноз) і т. Д.

Глибоке розуміння закономірностей освіти і розчинення малорозчинних солей в організмі людини необхідно майбутньому лікарю для усвідомленого прийняття необхідних заходів по профілактиці і лікуванню порушень мінерального обміну при різних захворюваннях

Закономірності настання і зміщення гетерогенних рівноваг вельми важливі також для вирішення питань про охорону навколишнього середовища. Наприклад, процеси осадження та видалення хімічних забруднень широко застосовують в санітарно-гігієнічної практиці для очищення природних і стічних вод.

Знання загальних закономірностей протікання процесів в гетерогенних системах необхідно студентам для подальшого вивчення ряду питань біохімії. медичної хімії, нормальної і патологічної фізіології, фармакології, санітарії та гігієни, ряду клінічних дисциплін.

Теорія гетерогенних рівноваг

Термодинамічна і концентраціоннаяKs

константи розчинності малорастворимого електроліту.

Гетерогенні рівноваги виникають в гетерогенних системах, т. Е. Системах, що складаються з декількох фаз, розділених реальними фізичними межами розділу фаз.

Розглянемо гетерогенную систему, що складається з малорастворимого осаду сильного електроліту і насиченого розчину над ним, між якими встановлюється динамічна хімічну рівновагу. При контакті осаду (наприклад, BaSO 4) з водою в системі протікають процеси: 1) розчинення - полярні молекули Н2О частина іонів з кристалічної решітки BaSO 4 переводять в рідку фазу; 2) осадження - під впливом електростатичного поля кристалічної решітки BaSO 4 частина іонів Ва2 + і переходять з рідкої фази в тверду, добудовуючи кристалічну решітку солі.

З плином часу швидкість розчинення стане рівною швидкості осадження і встановиться динамічні рівновагу між кристалічним осадом малорастворимой солі BaSO 4 і його водним розчином, що містить іони Ва2 + (p) і (p):

BaSO 4 (к) # 8644; Ba 2 (p) + (p) (1)

Розчин, що знаходиться в рівновазі з твердою фазою, що складається з BaSO 4. називають насиченим щодо осаду. Такий розчин є рівноважною гетерогенную систему.

Охарактеризуємо цей рівноважний процес кількісно константою рівноваги, застосувавши до даної системи закон діючих мас. Так як BaSO 4 є малорозчинні сильними електролітом (над осадом BaSO 4 молекул немає, а тільки іони) в законі діючих мас використовуємо уявну концентрацію (активність) a = fa × С.

Знаменник цього дробу - активність кристалічного BaSO4 - є постійною величиною, рівною за визначенням одиниці. Твір двох констант дає нову постійну величину, яку називають термодинамічної константою розчинності і позначають.

Цю величину часто називають твором розчинності і позначають ПР; це застаріле позначення.

Таким чином, в насиченому розчині малорастворимого сильного електроліту твір рівноважних активностей його іонів є величина постійна при даній температурі.

Розчин, що знаходиться в рівновазі з осадом BaSO4 є насиченим, але сильно розведеним. У розведених розчинах сильних електролітів коефіцієнт активності fa ® 1. і a ® С. В такому випадку активності іонів можна замінити їх молярними концентраціями і термодинамічна константа розчинності перейде в концентрационную константу розчинності Ks.

Рівняння (3) матиме вигляд:

Ks = C (Ba2 +) × C (), (4)

де С - рівноважні концентрації катіонів та аніонів (моль / л) в насиченому розчині малорастворимого сильного електроліту.

Якщо малорозчинний сильний електроліт утворює при дисоціації кілька іонів, то в вираження і Ks входять активності (концентрації) іонів у відповідних ступенях.

Ag2CrO4 # 8644; 2Ag + +; = A2 (Ag +) × a (); Ks = С2 (Ag +) × С () (5)

PbCl2 # 8644; Pb2 + + 2Cl-; = A (Pb2 +) × a2 (Cl-); Ks = С (Pb2 +) × С2 (Cl-) (6)

Для спрощених розрахунків користуються концентраційними константами розчинності Ks. приймаючи fa = 1.

Різні співвідношення між величиною і твором активностей іонів малорастворимого сильного електроліту в розчині характеризують насичені, ненасичені та пересичені розчини. Для електроліту AmBn можна записати наступні співвідношення:

am (An +) × an (Bm -)>

Користуючись рівняннями (3 - 6), можна розрахувати рівноважну концентрацію іонів в насиченому розчині малорастворимого сильного електроліту.

Взаємозв'язок між розчинністю і

Кількісно розчинність різних речовин виражається концентрацією насичених розчинів. Розчинність даного речовини дорівнює його молярної концентрації в насиченому розчині (молярна розчинність речовини): S моль / л. Розчинність часто також висловлюють в грамах розчиненої речовини на 100 г розчинника або в грамах розчиненої речовини на 1 л розчину.

Розчинність твердих речовин залежить від природи розчиненої речовини, розчинника, температури і т. Д.

Зв'язок між величиною і розчинність залежить від числа іонів, на які розпадається малорозчинний сильний електроліт в розчині. Розглянемо кілька прикладів розрахунку молярної розчинності малорастворимого сильного електроліту за величиною його, за умови = Ks

а) Бінарний електроліт:

AgCl (k) # 8644; Ag + (p) + Cl- (p)

Ks (AgCl) = C (Ag +) × С (Cl-) = 1,8 × 10-10

У стані рівноваги відповідно до умовою реакції:

C (Ag +) = C (Cl-) = S (AgCl)

Висловимо величину Ks солі через значення її розчинності:

б) Трехіонний електроліт:

Ag2CrO4 (к) # 8644; 2Ag + (p) + (p);

Ks (Ag2CrO4) = C2 (Ag +) × C () = 1,1 × 10-12

У стані рівноваги відповідно до рівнянням реакції.

Висловимо величину Ks солі через значення її розчинності

Ks (Ag2CrO4) = (2S) 2 × S = 4s3 (Ag2CrO4).

S (Ag2CrO4) = = 6,5 × 10-5 (моль / л)

У загальному вигляді залежність між Ks і S малорастворимого сильного електроліту типу AmBn виражається наступним рівнянням:

Порівнюючи величину однотипних (1 моль різних малорозчинних сильних електролітів утворює при розчиненні однакове число моль іонів) електролітів можна якісно оцінити розчинність опадів.

Умови освіти і розчинення опадів

Знаючи концентрації іонів в розчині, можна прогнозувати напрям гетерогенного процесу. Якщо твір концентрацій іонів, що утворюють малорозчинний сильний електроліт, в ступенях, рівних стехиометрическим коефіцієнтам, буде більше, то станеться освіту твердої фази, т. Е. Осаду.

Таким чином, умовою утворення осаду є перевищення твори концентрації іонів малорастворимого сильного електроліту над величиною.

Послідовність осадження двох і більше малорозчинних сильних електролітів визначається не величиною Ks. а рівноважними концентраціями іонів над осадом, які обчислюють з Ks. В першу чергу утворюється осад того малорастворимого сильного електроліту, для якого концентрація однойменного іона буде менше.

Як приклад розглянемо послідовність осадження фториду і оксалату кальцію.

(CaF2) = 4 × 10-11

(CaC2O4) = 2 × 10-9

Якщо брати за основу, то в першу чергу повинен утворитися осад CaF2, т. К.

Перевіримо це, розрахувавши концентрацію іонів Са2 + в насиченому розчині:

CaC2O4 # 8644; Са2 +

CaF2 # 8644; Са2 + + 2F-.

При розчиненні кожного благаючи СаС2О4 в розчин переходить 1 моль іонів Са2 + і 1 моль іонів:

де S - розчинність солі в моль / л:

a Са2 + = S = = 4,5 × 10-5 моль / л

При розчиненні благаючи CaF2 в розчин переходить 1 моль іонів Са2 + і 2 моль іонів F-:

(CaF2) = a Са2 + × a2F- = S × (2S) 2 = 4S3

a Са2 + = S = = 0,84 × 10-4 моль / л

Для СаС2О4 в його насиченому розчині активність іонів Са2 + менше, ніж для CaF2. Тому в першу чергу утворюється осад СаС2О4.

Процес утворення осаду можна розчленувати на три основні стадії: 1) виникнення зародків кристалізації; 2) зростання кристалів із зародків; 3) агрегація кристалів з утворенням полікристалічного осаду. Ці стадії протікають з різною швидкістю. Ця обставина пояснює той факт, чому при досягненні умови:

am (An +) × an (Bm -)>

не завжди відразу ж утворюється осад AmBn. остання стадія може вимагати для свого завершення декількох годин, а то й діб.

Умовою розчинення осаду є нерівність:

am (An +) × an (Bm-)<,

т. е. розчинення осаду малорастворимого електроліту відбувається за умови, що твір активностей його іонів менше.

З через великий обсяг цей матеріал розміщений на декількох сторінках:
1 2 3 4

Схожі статті