ВОДА І ЇЇ РОЛЬ В ПРОЦЕСІ ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ

Як відомо, життя зародилося у воді і як і раніше залишається з нею тісно пов'язаної. Тому фізико-хімічні властивості води мають фундаментальне значення для процесів життєдіяльності.

Колігативні властивості ВОДИ. Осмотичного тиску плазми крові. ГОМЕОСТАЗ

Організм людини в середньому на 60% складається з води. Вода заповнює всі складові частини клітини і позаклітинного простору і являє собою середовище, в якій здійснюється транспорт речовин, метаболічні реакції і перенесення хімічної енергії. Вода є основою циркулюючої рідини, а також бере участь в обмінних процесах. Вона виступає в ролі середовища, в якій розчинені або дисперговані різні речовини, що входять до складу організму, в ній містяться основні макрокомпоненти організму - білки, вуглеводи, ліпіди, нуклеїнові кислоти, а також мікроелементи.

Розчинені у воді речовини змінюють її фізико-хімічні властивості. Відомі такі властивості води, зміна яких пов'язане в основному з числом (кількістю) розчинених частинок і не залежить від хімічної будови розчиненої речовини. Ці властивості називають Колігативні. До них відносяться чотири термодинамічних властивості води, коли зі збільшенням концентрації розчиненого речовини спостерігається: 1) зниження тиску пара над розчином; 2) підвищення температури кипіння води і

  • 3) зниження температури її замерзання; 4) підвищення осмотичного тиску розчину.
  • 1. Зміна тиску пара над розчином в залежності від кількості розчиненої речовини визначається першим законом Рауля - тиск пари розчину, що містить нелетку розчинена речовина, прямо пропорційно молярної частки розчинника;

де р - тиск пари над розчином, Па; До р - константа Рауля, Па; x (X w ) - молярна частка розчинника X W9 чисельно дорівнює відношенню кількості розчинника n (X w ), моль, до суми кількості розчинника і кількості розчиненого речовини n (Xj) 9 моль:

Закон Рауля точно дотримується тільки для ідеальних розчинів.

2-3. Підвищення температури кипіння і зниження температури замерзання є прямими наслідками зниження тиску (пружності) пара розчинника над розчином і описуються другим законом Рауля :

Так, чиста вода при атмосферному тиску замерзає при 273,16 К і кипить при 373,16 К. При розчиненні в воді будь-якого речовини тиск її пара знизиться, і для того, щоб розчин закипів, необхідно нагріти його до більш високої температури, при якій тиск пари стане рівним атмосферному. Відомо, що рідина замерзає при тій температурі, при якій тиск пари речовини в твердому стані стає рівним тиску пара цієї речовини в рідкому стані. Так, при 273,16 К тиск пара льоду (0,613 кПа) дорівнює тиску пари води (лід і вода можуть співіснувати при одній температурі) - це температура замерзання. Оскільки температура замерзання і температура кипіння характеризують фазові переходи речовини, співвідношення між цими величинами можна продемонструвати фазової діаграмою (рис. 2.1). На рис. 2.1 наведені фазові діаграми парів льоду, води і водних розчинів. Видно, що при зниженні тиску насиченого пара над розчином (криві BD і В К) зростає температура кипіння води (порівняйте положення точок D і К з точкою С) і знижується температура замерзання (порівняйте положення точок В і В 'з точкою А).

Фазові діаграми парів льоду, води і водних розчинів різних концентрацій

Мал. 2.1. Фазові діаграми парів льоду, води і водних розчинів різних концентрацій:

АС - лінія температурної залежності тиску насиченої пари над водою (або крива випаровування); BD і В'К - лінії температурних залежностей тиску насиченої пари над розчинами різних концентрацій (криві випаровування); ЕА - лінія температурної залежності тиску насиченої пари над льодом

(Крива сублімації)

Розчин 1 благаючи (1 М) ідеального нелетучего речовини в 1000 г води називають молекулярний. У такому розчині вплив розчиненого речовини проявляється в тому, що при тиску 760 мм рт. ст. температура замерзання води дорівнює -1,86 ° С, температура кипіння + 100,543 ° С, осмотичний тиск 22,4 атм. (Порівняй: в цих умовах температура замерзання чистої води (Т ^ м) дорівнює 0 ° С і температура кипіння (Т 0кІ п) чистої води -100 ° С.)

Оскільки 1 моль поняття кількісне і відповідає змісту певного числа молекул, а саме 6,02 * 10 23 , то зміни температури замерзання і температури кипіння розчинів, що містять однакові кількості розчиненої речовини незалежно від їх хімічної будови, будуть однаковими. Наприклад, 1М розчин гліцерину і 1М розчин глюкози мають температуру замерзання -1,86 ° С, а температура замерзання 0,1 цих же розчинів складе - 0,186 ° С; 0,1 розчин NaCl в результаті повної дисоціації речовини в воді буде містити в 2 рази більше число частинок в порівнянні з 0,1 розчином гліцерину, і температура замерзання 0,1 розчину NaCl буде в 2 рази вища за температуру замерзання розчину гліцерину тієї ж концентрації, а саме -0,372 ° С.

Зниження температури замерзання і підвищення температури кипіння ідеального одномоляльного розчину називають криоскопической ( К) і ебуліоськопічеський (Е) константами відповідно.

4. Підвищення осмотичного тиску розчину.

Від кількості води в організмі залежить концентрація речовин в клітині і інтрацеллюлярних (внутрішньоклітинних) рідинах. Всі процеси в організмі збалансовані так, що ці концентрації залишаються постійними. Регуляція концентрацій речовин в клітинах і в інтрацеллюлярних рідинах пов'язана з осмосом.

Осмос - це явище спрямованої дифузії через напівпроникну мембрану розчинника (води) із зони зі зниженою концентрацією речовин в зону їх підвищеної концентрації, при якій концентрації по обидва боки мембрани вирівнюються. В результаті відбувається розбавлення розчину в зоні підвищеної концентрації. Осмотичний тиск визначається силою, яку необхідно прикласти для запобігання цьому спрямованого руху розчинника. Схематично явище осмосу представлено на рис. 2.2.

Основний фактор, що підтримує рівновагу (водний баланс) між інтра- (внутрішньоклітинними) і екстрацелюлярного (міжклітинних) об'ємами рідини, - осмотичний тиск (л) плазми крові, яке в організмі людини при 37 ° С коливається в межах 7,7 ... 8 , 1 атм.

де i - осмотичний коефіцієнт; С - концентрація розчинених речовин; R - універсальна газова постійна; Т - температура.

Рівень тиску крові визначається концентрацією в ній солей Na, які затримують воду і тим самим створюють осмотичний тиск. У плазмі крові і в міжклітинному просторі концентрація солей, виражена у вагових одиницях W, дорівнює 0,9%, що становить 0,15 моль / л.

Осмос та осмотичний тиск

Мал. 2.2. Осмос та осмотичний тиск:

а - вихідний стан; б - кінцевий стан: в результаті спрямованої дифузії відбувається збільшення об'єму рідини в зоні підвищеної концентрації розчину і стовп рідини висотою h створює тиск, що перешкоджає дифузії; в - сила, прикладена до поршня, чисельно рівна гідростатичного тиску стовпа рідини висотою А, і є осмотичним тиском

Розчини, що мають осмотичний тиск, що дорівнює осмотичного тиску плазми крові, носять назву ізотонічних. Розчини з більш низьким осмотичним тиском називаються гіпотонічними , а з більш високим - гіпертонічними. Ізотонічним плазмі крові буде 0,9% -ний розчин NaCl - такий розчин прийнято називати фізіологічним.

Якщо клітина знаходиться в контакті з гіпертонічним розчином, то вода починає виходити з неї шляхом осмосу через плазматичну мембрану. Цей процес називають Плазмоліз.

Приміщення крові в гіпертонічний розчин призводить до того, що еритроцити зменшуються в об'ємі, зморщуються в результаті виходу з них води і руйнуються. При розведенні ж крові водою еритроцити набухають і розриваються. В результаті гемоглобін, укладений в еритроцитах, переходить в розчин, утворюється так звана лакова кров. Процес руйнування еритроцитів і перехід гемоглобіну в плазму носить назву гемоліз.

Здатність води змінювати свої властивості під впливом розчинених у ній речовин має важливе біологічне значення. Наприклад, завдяки наявності в крові розчинених речовин, зокрема білків, нездатних проходити крізь капілярні мембрани, в ній створюється більш високий осмотичний тиск, ніж в міжклітинної рідини. В результаті вода дифундує з міжклітинної рідини в капіляри, що призводить до заповнення судинної системи і оберігає її від колапсу.

Водний обмін тісно пов'язаний з сольовим, а підтримку водносолевого балансу - гомеостазу (сталості співвідношень солей) життєво необхідно для осмотичної регуляції. За осморегуляцію і підтримання концентрації іонів Na + і К + відповідає спеціальна група гормонів, головними з яких у хребетних є антидіуретичний гормон, гіпоталамо-гіпофізарний комплекс, а також вазопресин і альдостерон. Вазопресин у ссавців гальмує діурез нирками, сприяє затриманню води в організмі, регулює осмотичний тиск крові. Альдостерон регулює осмопроцесси, вибірково впливає на обмін іонів Na + , К + і Н + , підтримує їх нормальну концентрацію в між- і внутрішньоклітинному просторі.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >