реком.Коллиг. св-ва студент мед русс

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ УКРАИНЫ
ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КОЛЛИГАТИВНЫЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ
Методические указания для самостоятельной работы
студентов І курса по дисциплине «Медицинская химия»
«Утверждено»
Ученым советом
Харьковского национального
медицинского университета
Протокол №5
от 20 мая 2015 р.
Харьков 2015
Коллигативные свойства растворов: Метод. указ. для студентов 1-го курса /
сост.
А.О. Сыровая,
Л.Г. Шаповал,
Е.Р. Грабовецкая,
В.Н. Петюнина,
В.А. Макаров, С.В. Андреева, С.А. Наконечная, Т.С. Тишакова, С.Н. Козуб,
О.Л. Левашова,
Л.В. Лукьянова,
Е.В. Савельева,
Н.Н. Чаленко. – Харьков: ХНМУ, 2015. – 15 с.
Составители:
А.О. Сыровая
Л.Г. Шаповал
Е.Р. Грабовецкая
В.Н. Петюнина
В.А. Макаров
С.В. Андреева
С.А. Наконечная
Т.С. Тишакова
С.Н. Козуб
О.Л. Левашова
Л.В. Лукьянова
Е.В. Савельева
Н.В. Копотева
Н.Н. Чаленко
Н.В. Копотева,
Тема занятия «Коллигативные свойства растворов»
1. Количество часов 2
2. Материальное и методическое обеспечение темы.
Таблицы:
1. Графологическая структура темы.
2. Закон Вант-Гоффа.
3. Закон Рауля.
4. Изотонический коэффициент.
5. Коллигативные свойства в медико-биологических исследованиях.
6. Гемолиз, плазмолиз клетки.
7. Схема осмометра.
Учебно-методическая литература:
1. Медицинская химия: учеб. / В.А. Калибабчук, Л.И. Грищенко,
В.И. Галинская и др.; под ред. проф. В.А. Калибабчук. – К.: Медицина, 2008.
– 400 с.
2. Медицинская химия: Учебное пособие / И.В.
А.О. Сыровая,
Завгородний,
Н.М. Ткачук и др. / Под ред. И.В. Завгороднего и
А.О. Сыровой. – Харьков, Экограф, 2011. – 244 с.
3. Рабочая тетрадь для самостоятельной работы студентов по курсу
«Медицинская химия» Харьков, ХНМУ, 2013. – 72 с.
4. Методические указания для самостоятельной работы студентов по
курсу «Медицинская химия».
5. Конспект лекции.
Лабораторная посуда и реактивы для проведения лабораторной работы
«Рост искусственной клетки Траубе» (штатив с пробирками, пипетки на 5 мл,
кристаллическая соль гексацианоферрат(ІІ) калия, 5% раствор сульфата
меди)
3. Обоснование темы. Коллигативные свойства растворов имеют
важное значение при изучении жизнедеятельности организма, например,
осмотическое
давление
является
важным
фактором,
определяющим
распределение воды и питательных веществ между различными органами и
тканями. В медицинской практике широко используют изотонические и
гипертонические
биологических
растворы.
жидкостей
Определение
используют
коллигативных
в
свойств
медико-биологических
исследованиях (осмометрия, криометрия, эбулиометрия).
4. Цель занятия:
- общая: трактовать общие физико-химические закономерности,
лежащие в основе процессов жизнедеятельности.
- конкретная: уметь анализировать взаимосвязь между коллигативными
свойствами и концентрацией растворов. Иметь представление о методах
криометрии, эбулиометрии и осмометрии и их использовании в медикобиологических исследованиях.
а) знать: роль воды и водных растворов в жизнедеятельности
организма, коллигативные свойства растворов, закон Рауля и его следствие,
закономерности осмоса и диффузии, осмотическое давление, закон ВантГоффа, особенности коллигативных свойств в растворах электролитов,
теоретические основы осмометрии, криометрии, ебулиометрии , особенности
осмоса в живом организме, процессы гемолиза и плазмолиза.
б) уметь: использовать растворы, имеющие различную концентрацию,
рассчитать осмотическое давление в растворах различной концентрации,
депрессию растворов, молярные массы физиологически активных веществ
исходя из величин осмотического давления и депрессии; классифицировать
растворы на основании величин осмотического давления; прогнозировать,
что произойдет с клеткой, помещенной в гипотонический, изотонический,
гипертонический раствор.
в) практические навыки:
-
рассчитывать
осмотическое
давление,
депрессию
растворов,
молярные массы физиологически активных веществ исходя из величин
осмотического давления и депрессии;
- классифицировать растворы на основании величин осмотического
давления и концентраций;
-
прогнозировать,
что
произойдет
с
клеткой,
помещенной
гипотонический, изотонический, гипертонический раствор.
5. Граф логической структуры темы.
Коллигативные свойства растворов
Осмотическое давление
Понижение давления пара
растворителя над раствором
Закон Вант-Гоффа
Закон Рауля
Повышение температуры
кипения раствора
Осмометрия
Эбулиометрия
Понижение температуры
замерзання раствора
Криометрия
в
6. Ориентировочная карта работы студентов.
№
Этапы
Время,
Учебные и наглядные
Место
мин.
пособия
проведения
1. Ответы на вопросы
10
Учебное пособие
2. Самостоятельная
39
Методические указания
п.п.
работа студентов с
для студентов, тексты
методической
лекций, учебное пособие
литературой,
для самостоятельной
решение учебных
работы студентов,
задач, заполнение
справочные данные,
рабочей тетради
таблицы
3. Выполнение
20
Учебная
аудитория
Реактивы, посуда
лабораторной
работы, оформление
протокола
4. Контроль знаний
15
5. Анализ и подведение
5
итогов занятия
6. Домашнее задание
1
7. Задания для самостоятельной работы:
- Перечень вопросов для изучения:
На практическом занятии следует рассмотреть следующие теоретические
вопросы:
1. Коллигативные свойства разбавленных растворов неэлектролитов:
1) Осмос и осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа.
2) Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над
раствором. Закон Рауля.
3) Снижение температуры замерзания (депрессия) и повышение температуры
кипения растворов.
2.
Коллигативные
свойства
растворов
электролитов.
Изотонический
коэффициент.
3. Роль осмоса в биологических системах. Свойства полупроницаемых
мембран. Онкотическое давление. Гемолиз и плазмолиз.
4. Криометрия, эбулиометрия и осмометрия; их использование в медикобиологических исследованиях.
1. Коллигативные свойства разбавленных растворов неэлектролитов
Свойства растворов, не зависящие от природы компонентов, а
зависящие только от количества кинетических единиц системы называют
коллигативными. К ним относится осмотическое давление, понижение
давления пара растворителя над раствором, повышение температуры кипения
и понижение температуры замерзания растворов. Если растворы различной
концентрации разделить полупроницаемой мембраной, процесс диффузии
может
принять
односторонний
характер.
В
организме
существует
бесчисленное множество мембран. Это оболочки клеток и их органоидов
(ядро, тельца Гольджи и др.), стенки кровеносных сосудов, оболочки органов
и др. Мембраны различаются по своему составу, структуре, размерам пор и,
как следствие, проницаемости. Одни из них проницаемы только для молекул
воды, другие могут пропускать ионы и малые молекулы. Разнообразная
проницаемость для ионов может зависеть от взаимодействия между
заряженными
группами
проницаемую
только
мембраны
для
в
этих
растворителя,
ионов.
Если
поместить
мембрану,
между
чистым
растворителем и раствором или между растворами различной концентрации
возникает процесс, называется осмосом.
1) Осмос и осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа.
Осмос
–
это
односторонняя
диффузия
растворителя
через
полупроницаемую мембрану из чистого растворителя в раствор или из
раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией. По
мере увеличения избыточного давления в растворе скорость осмоса
уменьшается и при определенном давлении наступает равновесие, при
котором в обоих направлениях через мембрану проходит одинаковое
количество молекул растворителя. Избыточное гидростатическое давление
в растворе по сравнению с чистым растворителем при установлении
осмотического равновесия называется осмотическим давлением. При
изучении осмотического давления было установлено, что оно подчиняется
тем же законам, что и давление идеального газа. Осмотическое давление
прямо пропорционально молярной концентрации и температуре:
Р = СRТ
закон Вант-Гоффа.
В приведенной формуле нет величины, которая зависела бы от
природы растворенного вещества. Итак, величина осмотического давления
будет одинакова для любого вещества (неэлектролита) при одинаковой
температуры
и
молярной
концентрации.
Осмотическое
давление
биологических жидкостей поддерживается на достаточно устойчивом
уровне, регулируется работой почек, выделением пота, содержанием
водяных паров в выдыхаемом воздухе. Так, осмотическое давление крови
человека
составляет
700-800
кПа.
Этому
осмотическому
давлению
соответствует осмотическая концентрация в плазме крови при 37 °С от
0,287 моль/л до 0,303 моль/л.
Растворы
с
одинаковым
осмотическим
давлением
называются
изотоническими. Изотоническими относительно крови является 0,9% раствор
NаСl и 5% раствор глюкозы.
Растворы с большим осмотическим давлением – гипертонические, с
меньшим – гипотонические.
Онкотическое давление – это часть осмотического давления крови,
обусловлена высокомолекулярными соединениями и составляет 3,5 – 3,9
кПа.
2) Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя
над раствором. Закон Рауля.
Кроме осмотического давления, к коллигативным свойствам относится
понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором,
понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения
растворов.
При определенной температуре давление насыщенного пара над
каждой жидкостью величина постоянная. Давление пара, при котором при
данной температуре наступает динамическое равновесие, характеризующееся
равенством скоростей испарения и конденсации жидкости, называется
давлением насыщенного пара. Опыт показывает, что давление насыщенного
пара
растворителя
над
раствором
всегда
ниже,
чем
над
чистым
растворителем при той же температуре. Это можно объяснить исходя из
принципа Ле-Шателье. Между жидкостью и паром устанавливается
равновесие:
(H2O)ж ↔ (H2O) пар
Если растворить в воде любое вещество, то вследствие гидратации,
количество
жидкой
воды
становится
меньше
и
начнется
процесс
конденсации пара (процесс увеличения количества жидкости). Новое
равновесие устанавливается при более низком давлении насыщенного пара.
Снижение давления насыщенного пара будет тем больше, чем больше
концентрация растворов. Французский химик Рауль (1886) установил, что
относительное снижение давления пара растворителя над раствором равно
мольной доле растворенного вещества (закон Рауля):
P -P
0
=N
2
P
0
Из закона Рауля видно, что растворы будут кипеть при более высокой
температуре, а замерзать при более низкой.
3) Снижение температуры замерзания (депрессия) и повышение
температуры кипения растворов.
Жидкость начинает кипеть при той температуре, при которой давление
ее насыщенного пара равно внешнему давлению. Поскольку давление пара
над раствором ниже, чем над чистым растворителем, оно станет равно
атмосферному давлению при более высокой температуре. Повышение
температуры кипения и понижение температуры замерзания соответствуют
принципу Ле-Шателье:
(H2O) ж. ↔ (H2O) тв.
Если растворить в воде любое вещество, концентрация молекул воды
снизится и начнется процесс плавления льда. Новое равновесие установится
при более низкой температурой. Повышение температуры кипения и
понижение температуры замерзания связано с концентрацией раствора.
Рауль установил: для разбавленных растворов неэлектролитов повышение
температуры
кипения
и
понижение
температуры
замерзания
пропорционально моляльной концентрации.
ΔTзам = Kkb(x)
ΔTкип = Kеb(x)
Kе и Кk соответственно эбулиоскопическая и криоскопическая
константы, зависящие только от природы растворителя и не зависят от
природы растворенного вещества. Они показывают, на сколько повышается
температура кипения или снижается температура замерзания раствора, если
он содержит 1 моль вещества в 1 кг растворителя. Для воды Kе = 0,52 К • кг /
моль; KК = 1,86 К • кг / моль.
2. Коллигативные свойства растворов электролитов.
Изотонический коэффициент
Для растворов электролитов понижение давления насыщенного пара,
снижение температуры замерзания, повышение температуры кипения,
осмотическое давление должны быть больше, чем для неэлектролитов (закон
Вант-Гоффа). Это отношение называется изотоническим коэффициентом:
i = N / N0
где N – число частиц в растворе электролита, N0 – количество
растворенных молекул.
Изотонический
коэффициент
зависит
от
величины
степени
диссоциации электролита и вычисляется по формуле:
i = 1 +  ( - 1)
где ν – количество ионов в соединении,  – степень диссоциации.
Поэтому для электролитов:
P = iСRT
ΔTзам = iKкb(x)
ΔTкип = iKеb(x)
3. Роль осмоса в биологических системах. Свойства
полупроницаемых мембран. Онкотическое давление. Гемолиз и
плазмолиз
Осмос играет большую роль в физиологических процессах организма.
Усвоения пищи, обмен веществ тесно связаны с разной проникающей
способностью клеточной мембраны для воды и растворенных веществ.
Мембрана имеет полупроницаемые свойства. Осмотическое давление играет
роль механизма, подающего клеткам питательные вещества и воду.
Осмотическое давление крови в норме составляет 700–800 кПа. Этому
осмотическому давлению соответствует осмотическая концентрация в плазме
крови, что при 37оС находится в пределах 0,287–0,303 моль / л.
Онкотическое давление – это часть осмотического давления крови,
обусловленная высокомолекулярными соединениями, в частности белками и
составляет 3,5 – 3,9 кПа.
Растворы
с
одинаковым
осмотическим
давлением
называют
изотоническими. Изотоническими относительно крови является, например,
0,9% раствор NaCl, 5% раствор глюкозы и др. Растворы с большим
осмотическим давлением является гипертоническими, а соответственно с
меньшим осмотическим давлением – гипотоническими. Поэтому по закону
осмоса клетка, которая погружена в гипертонический раствор, подвергается
плазмолизу (сморщивание), а в гипотоническом растворе будет наблюдаться
гемолиз (разбухание и разрыв). При необходимости поступления в организм
большого
количества
жидкости
или
для
разведения
лекарственных
препаратов для внутривенного вливания нужно применять изотонические
стерильные растворы, чтобы избежать плазмолиз эритроцитов. Для
промывания ран в медицинской практике используют гипертонические
растворы, например 10% раствор NaCl.
4. Криометрия, эбулиометрия и осмометрия; их использование в
медико-биологических исследованиях
Измерение
осмотического
давления
(осмометрия),
повышение
температуры кипения (ебулиометрия), снижение температуры замерзания
(криометрия) используются для определения некоторых физико-химических
величин. В частности, измерив ΔTзам, можно определить молекулярную
массу неэлектролита, а также можно определить степень диссоциации
электролита. В биологических исследованиях ΔTзам называется депрессией.
Измерение депрессии биологических жидкостей (крови, лимфы, мочи)
позволяет рассчитывать их осмотическую концентрацию, то есть суммарную
концентрацию всех частиц. В норме депрессия крови составляет 0,56 К.
- Перечень работ, подлежащих изучению:
Опыт. Рост «искусственной клетки» Траубе.
Цель работы. Изучить роль осмотических явлений в биологических
системах. Приборы и реактивы. Штатив с пробирками, пипетки на 5 мл,
кристаллическая соль гексацианоферрат(II) калия, раствор сульфата меди (II)
с ω (CuSO4) = 5%. Перегородки, проницаемые для воды, но непроницаемые
для растворенного вещества, могут быть растительного и животного
происхождения. Можно приготовить такую перегородку и искусственно,
используя для этой цели раствор сульфата меди (II) и кристаллическую соль
гексацианоферрата(II) калия K4[Fe(CN)6] . Получаемое по реакции
K4[Fe(CN)6] + 2CuSO4 = Cu2[Fe(CN)6] + 2K2SO4
комплексное соединение Cu2[Fe(CN)6] - гексацианоферат(II) меди
имеет
полупроницаемые свойства.
Выполнение. Наливают в пробирку 5 мл раствора сульфата меди (II),
погружают
в
него
небольшой
кристаллик
соли
K4[Fe(CN)6]
(не
взбалтывать!). Через час зарисовать образования, напоминающие водоросли.
- Перечень практических навыков, которыми необходимо овладеть.
После рассмотрения темы нужно уметь рассчитывать осмотическое
давление, депрессию растворов, молярные массы физиологически активных
веществ
исходя
из
величин
осмотического
давления
и
депрессии;
классифицировать растворы на основании величин осмотического давления и
концентраций; прогнозировать, что произойдет с клеткой, которую поместят
в гипотонический, изотонический, гипертонический раствор.
8. Ситуационные задачи для определения конечного уровня
знаний.
1. Какое свойство растворов относится к коллигативным?
А. концентрация
Б. понижение давления насыщенного пара растворителя
В. температура плавления
Г. температура кипения
2. Какие растворы изотоничны крови?
А. 9% раствор NaOH
Б. 10% раствор NaCl
В. 5% раствор С6H12O6
Г. 0,5% раствор белка.
3. Какую формулу можно использовать для расчета осмотического
давления 0,9% раствора NaCl?
А. P = bRT
Б. P = СRT
В. P = RT.
Г. P = iCRT
Эталоны ответов: 1 - Б; 2 - В; 3 - Г.
9. Рекомендации к оформлению результатов работы.
Алгоритмы решения учебных вопросов аудиторной и самостоятельной
работы и результаты занести в рабочую тетрадь. Оформить протокол
лабораторного
опыта,
сделать
выводы
о
свойствах
искусственной
полупроницаемой перегородки и осмотических процессов.
10. Литература
а) основная:
1. Медицинская химия: учеб. / В.А. Калибабчук, Л.И. Грищенко,
В.И. Галинская и др.; под ред. проф. В.А. Калибабчук. – К.: Медицина, 2008. –
400 с.
2. Медицинская химия: Учебное пособие / И.В.
А.О. Сыровая,
Завгородний,
Н.М. Ткачук и др. / Под ред. И.В. Завгороднего и
А.О. Сыровой. – Харьков, Экограф, 2011. – 244 с.
б) вспомогательная:
1. Садовничая Л. П., Хухрянский В. Г., Цыганенко А. Я. Биофизическая
химия. – Киев: «Вища школа», 1986. – 272 с.
2. Зеленин К. Н. Химия. – Санкт-Петербург: «Специальная Литература»,
1997. – 688 с.
3. Чанг Р. Физическая химия с приложениями к биологическим системам.
– Москва, «Мир», 1980.
Учебное издание
Коллигативные свойства растворов
Методические указания для самостоятельной работы студентов І курса
по дисциплине «Медицинская химия»
Составители:
Сыровая Анна Олеговна,
Шаповал Людмила Григорьевна,
Грабовецкая Евгения Романовна,
Петюнина Валентина Николаевна,
Макаров Владимир Александрович,
Андреева Светлана Викторовна,
Наконечная Светлана Анатолиевна,
Тишакова Татьяна Станиславовна,
Козуб Светлана Николаевна,
Левашова Ольга Леонидовна,
Лукьянова Лариса Владимировна,
Савельева Елена Валериевна,
Копотева Наталия Василиевна,
Чаленко Наталия Николаевна.
Ответственный за выпуск: Грабовецкая Е.Р.
Компьютерный набор и верстка: Грабовецкая Е.Р.
Ризография.
Усл. печ. стр. 1,25, тираж 100 экз.
ФЛП Томенко Ю.И.
г.Харьков, пл. Руднева, 4