(плазмолиз). Растворы с более высоким содержанием вещества, чем в клетке, называются гипертоническими, с более низкой концентрацией вещества – гипотоническими. При помещении клетки в гипотонический раствор наблюдается переход растворителя в клетку, это вызывает увеличение объёма клетки вплоть до её разрушения (гемолиз). Изотонические растворы не вызывают изменения объёма клетки, поэтому они широко применяются в медицинской практике для возмещения объёма крови и повышения кровяного давления, а также при обезвоживании организма (например, при ожогах, сильной рвоте), для этого используются 0,85 – 0,90% раствор NaCl и 4,5 – 5,0% раствор глюкозы.
В живых организмах в нормальном состоянии внутриклеточная жидкость находится в изотоническом равновесии с внеклеточной жидкостью, например кровью. Общее нормальное осмотическое давление плазмы крови человека равно 7 · 108 – 8 · 108 Па. Равенство осмотического давления клеточного содержимого и раствора, окружающего клетку, является важнейшим физиологическим условием нормального функционирования клетки. Поэтому осмос и осмотическое давление играет важную роль в процессах осморегуляции живых организмов. Исключительно важна роль осмоса для живых организмов в распределении воды между тканями и клетками.
Осмотическое давление измеряется приборами, называемыми осмометрами. Знание величины осмотического давления необходимо для расчёта осмотической работы, производимой тканевой или клеточной мембраной для создания равной концентрации воды по обе стороны полупроницаемой мембраны. Осмометрия широко применяется для определения молекулярной массы таких биологически важных веществ, как белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и др.
Понятие растворитель и растворённое вещество в опредлённой степени условно. Растворителем принято считать то вещество, которого в растворе больше. Иногда за растворитель принимают вещество, которое при охлаждении раствора кристаллизуется первым. Если система гетерогенна, то обычно растворителем считают жидкое вещество,
До конца XIX в. существовало представление, что растворённое вещество и растворитель не взаимодействуют. Это представление было положено в основу так называемой физической теории растворов, основоположником которой был Вант-Гофф. Согласно этой теории, растворитель рассматривался как химически индиферентная среда, в которой равномерно распределялись частицы
26
растворённого вещества (ионы, молекулы). Другими словами, растворы рассматривались как механические смеси. С помощью физической теории удалось объяснить некоторые свойства разбавленных растворов: повышение температуры кипения, понижение температуры замерзания, понижение давления пара над раствором, т. е. те свойства, которые в разбавленных растворах зависят только от количества частиц, находящихся в растворе, но не зависят от их природы. В то же время физическая теория растворов не объясняла свойств концентрированных растворов.
В1887 г. Д И. Менделеевым была предложена химическая теория растворов. Согласно этой теории, частицы растворённого вещества взаимодействуют с молекулами растворителя, в результате чего образуются нестойкие соединения переменного состава, называемые сольватами (неводный растворитель) или гидратами (растворитель — вода). Гидраты и сольваты возникают не за счёт основных химических связей, а главным образом за счёт вандерваальсовских сил или водородной связи. Так как энергия этих связей невелика, то образующиеся соединения непрочные.
Подтверждением теории Менделеева служили факты, что при растворении солей СаСl2, СuSO4 и других в воде при кристаллизации растворов последних выделяются кристалогидраты СаС12· 6H2O, CuSO4· 5Н2О и др., и что при нагревании кристаллогидраты разлагаются с образованием настоящих растворов. Проявление тепловых эффектов при растворении, изменение физических свойств растворов при изменении состава раствора — все это свидетельствовало о том, что растворитель не индифферентен по отношению к растворённому веществу и что молекулы растворителя и растворённого вещества взаимодействуют между собой.
Однако следует отметить, что поскольку растворы в определённой степени проявляют свойства и механических смесей (переменность состава), и химических соединений (однородность, однофазность), то обе теории и физическая, и химическая не исключают, а дополняют друг друга.
В1891 г. И.А. Каблуков развил теорию Д. И. Менделеева и показал, что гидратации, а также сольватации подвергаются не только молекулы, но и ионы
растворённого вещества. Например, диссоциация кислоты проходит по схеме НС1↔H+ + Cl-,
однако, учитывая гидратацию иона Н+, уравнение диссоциации следует писать так:
НС1+H2О↔ H3О+ + Cl-.
27
Таким образом, ион гидроксония H3О+ является гидратированным ионом воды.
Kaк уже отмечалось выше, жидкие вещества имеют определённую структуру. Если повышается концентрация вещества в растворе, то, как правило, усиливается взаимодействие между компонентами раствора и это усложняет в целом его структуру. Структура разбавленных растворов приближается к структуре чистых растворителей, структура концентрированных растворов определяется концентрацией растворённого вещества, а также природой растворителя и растворяемого вещества. Природа растворителя и растворённого вещества в свою очередь определяется, главным образом, структурой их молекул и характером связей, которые возникают в молекулах и между молекулами. Все эти факторы и определяют различную растворимость веществ.
К сожалению, до настоящего времени нет теории, с помощью которой можно было бы предсказать или вычислить растворимость заранее. Однако установлены закономерности, подтверждающие влияние природы растворителя и растворяемого вещества на растворимость. Например, существует эмпирическое правило, что подобное растворяется в подобном: полярные молекулы лучше растворяются в полярных растворителях, неполярные молекулы – в неполярных. Так, хлороводород, который полностью диссоциирует в воде, совсем не диссоциирует в бензоле, в воде его растворимость высокая, а в бензоле практически отсутствует. Бензол хорошо растворяется в гексане (неполярные молекулы) и не растворяется в воде (полярные молекулы). Подобные закономерности наблюдаются и при некоторых биологических процессах. Правило — подобное растворяется в подобном — лежит в основе некоторых теорий клеточной проницаемости. При этом имеется в виду, что оболочки многих клеток содержат неполярные вещества – липиды.
Известно также правило Семенченко: растворимость данного вещества проходит через максимум в ряду растворителей, расположенных по возрастающему значению межмолекулярного взаимодействия в них. Установлено, что максимум отвечает тому растворителю, молекулярное поле сил которого близко к молекулярному полю сил растворённого вещества. Однако следует подчеркнуть, что это правило также не всегда справедливо, особенно для концентрированных твёрдых растворов, а также при наличии химического взаимодействия между компонентами.
Твёрдое состояние – одно из агрегатных состояний, свойственное
28
кристаллическим и аморфным веществам. Для кристаллических веществ характерен так называемый дальний порядок во взаимном расположении частиц, из которых состоит вещество, для аморфных – ближний порядок. Дальний порядок обозначает строгую периодическую повторяемость структурного элемента в бесконечно большом количестве периодов. Для ближнего порядка характерно, что определённый порядок во взаимном расположении можно зафиксировать только для близлежащих частиц; а для отдалённых друг от друга частиц (атомов, ионов, молекул) зависимость в расположении отсутствует.Этот порядок и определяет тот факт, что рентгеноскопические исследования не обнаруживают кристаллической решётки у аморфных тел. Аморфная структура, в свою очередь, определяет общие свойства аморфных веществ: отсутствие определённой температуры плавления, теплопроводности; коэффициент линейного расширения, скорость распространения света и другие параметры не зависят от направления. Такие вещества называются изотропными в отличие от кристаллических тел, в которых многие свойства зависят от направления (анизотропия).
К аморфным телам относятся многие технически важные материалы: стекло, естественные и синтетические смолы, каучук, целлюлоза, белки, а также некоторые вещества, образующие растительные и животные клетки и ткани.
Основным методом исследования дальнего и ближнего порядка в структуре является рентгеноструктурный анализ, основанный на явлении дифракции рентгентовских лучей.
Твёрдые растворы – это однородные кристаллические или аморфные фазы переменного состава, состоящие из двух и более компонентов. Для кристаллических твёрдых растворов характерно, что атомы растворённого компонента замещают атомы растворителя в его кристаллической решётке (растворы замещения), располагаются между ними (растворы внедрения) или образуют особый тип раствора с дефектной кристаллической решёткой (растворы вычитания).
Для кристаллических тел характерны явления изоморфизма и полиморфизма. Явление изоморфизма заключается в том, что из раствора двух кристаллических веществ может кристаллизоваться твёрдая фаза, содержащая оба исходных вещества в неопределённых соотношениях. Например, из растворов алюмокалиевых К2SO4·Al2(SO4)3·24H2O и хромокалиевых K2SO4·Cr2(SO4)3·24H2O квасцов выделяются кристаллы, в состав которых входят хром и алюминий. Изоморфные кристаллические решётки могут возникать изза
29
того, что атомы и ионы одного вещества распределяются в узлах кристаллической решётки другого, при этом тип элементарной ячейки исходных кристаллов должен быть один и тот же, а размеры ячеек близкими. Однако возможно образование твёрдых изомолярных смесей и за счёт диффузии, в результате чего атомы (или ионы) одного вещества внедряются в промежутки кристаллической ячейки другого вещества.
Полиморфизм заключается в том, что одно и то же вещество в зависимости от условий его получения может иметь различную структуру кристаллов. Как известно, углерод существует в двух основных структурных формах: алмаз и графит. Графит имеет гексагональную кристаллическую решётку, а тип связи — ковалентно-металлический. Алмаз имеет кубическую структуру и является типичным ковалентным соединением.
Кристаллическое строение имеют многие биологически важные вещества. Так, с помощью рентгенографии было установлено, что к кристаллическим веществам относятся некоторые вирусы, миоглобин, инсулин, пепсин, гемоглобин, рибонуклеаза и др. Удалось определить также их молекулярную массу, форму, размер и симметрию молекул.
Существуют жидкие вещества, названные жидкими кристаллами. Для жидких кристаллов характерно то, что их структура является промежуточной между структурами жидкости и кристаллического твёрдого тела (такое состояние называют иногда мезоморфизмом). Это выражается в том, что частицы могут свободно перемещаться друг относительно друга, однако их ориентация сохраняется. Поэтому в жидкокристаллическом состоянии могут находится лишь те вещества, молекулы которых имеют удлинённую форму, поэтому его водный или водно-спиртовой раствор обладает свойствами жидкого кристалла. Так, если каплю жидкого мыла подсушить, а затем рассмотреть в поляризационный микроскоп, то станет видна его анизотропность.
Полипептиды, ДНК также при растворении образуют жидкие кристаллы. Жидкокристаллическую структуру имеют и некоторые ткани живых организмов, например миелиновая оболочка нервов. Поэтому пучок нервных волокон в поляризационном свете выглядит ярко светящимся.
Структура жидкого кристалла может изменяться под действием внешних факторов: электрического и магнитного полей, тепла, излучения и др. Изменение структуры приводит к тому, что изменяется длина волны света, отражаемого жидким кристаллом. Это свойство применяется в технике, например, для распознавания внутренних дефектов в деталях. Плёнки на основе жидких
30