Замерзание представляет собой фазовый переход, при котором происходит превращение жидкости в твердое вещество. Температурой замерзания 9кристаллизации) жидкости называют ту температуру, при которой давление насыщенного пара над жидкостью равно давлению насыщенного пара над выпадающими из нее кристаллами твердой фазы.

При этой температуре и соответствующем ей давлении насыщенного пара скорость кристаллизации равна скорости плавления и обе эти фазы могут сосуществовать в течение длительного времени.

Еще М.В. Ломоносов заметил, что разбавленный раствор замерзает при температуре более низкой, чем чистый растворитель. Так, морская вода замерзает не при 273 К, а при несколько более низкой температуре. Многочисленные эксперименты показали, что такое изменение температуры замерзания раствора можно рассматривать как общее правило.

Процессы замерзания и кипения были детально изучены Раулем и представлены в виде закона, который в последствии был назван вторым законом Рауля.

рассмотрим простейший вывод этого закона. На рис.2 показана диаграмма, выражающая зависимость давления насыщенног пара от температуры над чистым растворителем и над раствором.

Кривая 0А – зависимость давления насыщенного пара чистой воды от температуры.

Кривая ВС, ДЕ – зависимость давления насыщенного пара воды над растворами с различными концентрациями растворенного вещества

0Д – выражает температурную зависимость давления насыщенного пара воды над льдом.

Из рис.2 видно, что давление пара над раствором при 273 К ниже, чем над водой, но оно не равно давлению пара над льдом при той же температуре. Лишь при температуре ниже 273 К (Т’з) давление пара над раствором уменьшается настолько, что становится равным давлению пара над льдом. Этому соответствует точка В. При более высоких концентрациях раствора кривые, выражающие зависимость давления пара воды над раствором от температуры, располагаются ниже кривой ВС, но параллельно ей.

Введем следующий обозначения:

Р 0 А – давление пара над чистым растворителем при 273 К

Р А – давление пара над раствором при температуре его замерзания Т’ з

Из прямоугольного треугольника ВОК определяем

Из рисунка 2 видно, что , где - понижение температуры замерзания раствора.

Подставляя эти значения в выше записанное уравнение, получим

(3)

Из первого закона Рауля для сильно разбавленных растворов имеем

и (4)

где n А, n В, m А сохраняют ранее присвоенные обозначения (см. выше). Если через М 0 А обозначить молярную массу растворителя, то

При подстановке этого выражения в уравнение (4) получим

Умножим и разделим правую часть этого выражения на 1000, тогда

(5)

Объединим все постоянные величины в уравнении (5) в одну постоянную К (), получим следующее выражение

(6)

Выражение представляет собой моляльность раствора Св.

Подставив это выражение в уравнение (6), получим окончательное уравнение.

(7)

Это и есть математическое выражение второго закона Рауля: понижение температуры замерзания или повышение температуры кипения растворов прямо пропорционально его моляльной концентрации.

Коэффициент К в уравнении (7) носит название криоскопической постоянной, показывает молярное понижение температуры замерзания раствора, является индивидуальной характеристикой растворителя (К Н2О =1,86º) и имеет ту же размерность, что и Е (Кº·кг·моль -1)

Метод исследования, основанный на измерении понижения температуры замерзания растворов, называется криоскопическим. Он также, как и эбуллиоскопический позволяет вычислить молярную массу растворенного вещества

На рис.3 изображен прибор, предназначенный для измерения температуры замерзания растворов.

ОСМОС И ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ .

Весьма важным в биологическом отношении свойством растворов является осмос.

В природе часто растворы отделяются от растворителя мембранами, проницаемыми лишь дл я частиц растворителя. В этом случае растворенное вещество диффундировать в растворитель не может, и будет наблюдаться только переход растворителя в в раствор, т.е. растворитель будет перемещаться в обоих направлениях, но все же в раствор его будет переходить немного больше, чем в обратном направлении.

Механизм осмоса легко представить на основе изотермической перегонки. Пусть полупроницаемая мембрана, имеющая микропоры, разделяет растворитель и раствор с концентрацией С в (рис.4)

В пору, ограниченную с одной стороны растворителем, а с другой раствором, идет испарение. Вследствие повышения по закону Рауля упругости насыщенного пара со стороны растворителя из парообразной фазы концентрируется, переходя в раствор.

В результате осмоса увеличивается объем раствора, и его концентрация постепенно снижается; проникающий через мембрану в раствор растворитель увеличивает столб жидкости h и, следовательно, повышает гидростатическое давление (см. рис.5). Одновременно будет возрастать число молекул растворителя, перемещающихся через мембрану в обратном направлении, т.е. из раствора в растворитель. постепенно гидростатическое давление и разбавление раствора достигнут величин, при которых количество молекул растворителя, перемещающихся в обоих направлениях, уравняется и наступит осмотическое равновесие. Развившееся в результате осмоса избыточное гидростатичекое давление, измеряемое столбом раствора высотой h, при котором устанавливается осмотическое равновесие, называют осмотическим давлением.

рис. 5

Полупроницаемыми для многих растворов являются мембраны из коллодия, целлофана, железистосинеродистой меди и др.

ЗАКОНЫ ОСМОТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ .

Изучение законов осмотического давления выявило их полную аналогию с газовыми законами. Для разбавленных растворов неэлектролитов их можно сформулировать так:

при постоянной температуре осмотическое давление прямо пропорционально молярной концентрации растворенного вещества (аналогия с законом Бойля-Мариотта):

при постоянной молярной концентрации осмотическое давление прямо пропорционально абсолютной температуре (аналогия с законом Гей-Люссака):

Из двух этих законов следует, что при одинаковых молярных концентрациях и температуре растворы разных неэлектролитов создают одинаковое осмотическое давление, т.е. эквимолярные растворы неэлектролитов изотоничны (аналогия с законом Авогадро).

Вант-Гоффом был предложен объединенный закон для осмотического давления в растворах (аналогично объединенного газовому закону Менделеева-Клайперона): Осмотическое давление разбавленных растворов неэлектролитов прямо пропорционально молярной концентрации, коэффициенту пропорциональности и абсолютной температуре:

так как с=n/V, где n – число молей неэлектролита, а V – объем раствора, то или

Коллигативными свойствами растворов называются такие их свойства, которые зависят только от концентрации частиц растворенного вещества, но не от его химического состава. В данном разделе будут рассмотрены следующие четыре коллигативных свойства растворов: 1) понижение давления пара, 2) повышение температуры кипения, 3) понижение температуры замерзания, 4) осмотическое давление. Все эти четыре свойства относятся к растворам, содержащим нелетучие растворимые вещества, т.е. такие растворимые вещества, давление пара которых пренебрежимо мало.

Понижение давления паров растворов

Частицы чистого растворителя могут переходить в паровую фазу со всей поверхности жидкости (рис. 6.34). Однако в растворе из-за наличия частиц растворенного вещества переход частиц растворителя с поверхности в паровую фазу оказывается затруднен. Если растворенное вещество характеризуется более низким давлением пара, чем растворитель, то давление пара раствора оказывается пониженным по сравнению с чистым растворителем. Эту закономерность можно понять на основе закона Рауля (см. предыдущий раздел). В предельном случае, когда раствор содержит совершенно нелетучее растворенное вещество, давление пара раствора создается исключительно частицами растворителя. На рис. 6.35 показана фазовая диаграмма давление пара-состав для такого случая. Разумеется, указанный предельный случай является чисто гипотетическим, поскольку в действительности все твердые вещества имеют некоторое давление пара, хотя оно может быть очень небольшим.

Рис. 6.35 показывает, что по мере увеличения мольной доли нелетучего растворенного вещества В давление пара раствора уменьшается. С помощью закона Рауля

Рис. 6.34. Частицы нелетучего растворенного вещества препятствуют удалению с поверхности жидкости частиц растворителя и вследствие этого снижают давление пара.

можно вывести уравнение, описывающее уменьшение давления пара для разбавленных растворов. Согласно закону Рауля, давление пара растворителя равно

Для двухкомпонентной системы имеем

и, следовательно,

Если подставить это выражение в уравнение (5), получим

Отсюда следует, что

Это показывает, что уменьшение давления пара пропорционально мольной доле нелетучего растворенного вещества .

Повышение температуры кипения раствора

Раствор, содержащий нелетучее растворенное вещество, обладает меньшей летучестью, чем чистый растворитель. Поэтому его кипение начинается при более высокой температуре, чем кипение чистого растворителя. На рис. 6.36 показана зависимость давления пара от температуры для чистого растворителя и для раствора, содержащего нелетучее растворимое вещество. Повышение температуры кипения пропорционально понижению давления паров:

Используя это выражение и закон Рауля, можно вывести другое выражение, связывающее понижение температуры кипения с составом раствора, а именно

В этом выражении означает моляльность растворенного вещества. С термином «моляльность» мы уже встречались в разд. 4.2. Он означает число молей растворенного вещества в 1 кг растворителя.

Величина называется эбуллиоскопической постоянной растворителя. Она называется также моляльной постоянной повышения температуры кипения или просто постоянной повышения температуры кипения. В табл. 6.5 приведены значения постоянной для некоторых растворителей.

Рис. 6.35. Фазовая диаграмма давление пара состав для раствора, содержащего нелетучее растворенное вещество.

Рис. 6.36. Повышение температуры кипения раствора при атмосферном давлении.

Экспериментальное определение повышения температуры кипения раствора

Для экспериментального определения повышения температуры кипения раствора может использоваться метод Ландсбергера. Пары растворителя пропускают через растворитель, находящийся в градуированной мензурке (рис. 6.37). Выделение энтальпии испарения в результате конденсации паров заставляет растворитель в мензурке кипеть. Это предотвращает перегревание, которое может произойти, если температура жидкости становится выше ее температуры кипения.

После измерения температуры кипения чистого растворителя его охлаждают и растворяют в нем взвешенное количество растворенного вещества. Затем пропускают через полученный раствор пары растворителя до тех пор, пока не начнется кипение. В этот момент измеряют температуру раствора. Поскольку повышение температуры кипения раствора по сравнению с чистым растворителем обычно мало, необходимо проводить измерения температуры с достаточной точностью. С этой целью используется термометр Бекмана. Концентрацию раствора определяют, зная массу растворенного вещества и окончательный объем раствора, который устанавливают с помощью градуированной мензурки.

Таблица 6.5. Эбуллиоскопические постоянные растворителей

Рис. 6.37. Установка для определения повышения температуры кипения раствора.

Определение молярной массы вещества по повышению температуры кипения его раствора

Метод Ландсбергера может использоваться для определения молярной массы растворенного вещества. Процедура определения состоит из трех стадий:

1) экспериментальное определение повышения температуры кипения ;

2) выражение моляльности растворенного вещества через неизвестную молярную массу и экспериментально установленные массы растворенного вещества и растворителя, которые соответствуют найденному повышению температуры кипения;

3) определение эбуллиоскопической постоянной при помощи таблиц либо экспериментально. В последнем случае следует повторно провести эксперимент, пользуясь тем же растворителем, но другим растворенным веществом, с известной молярной массой.

Необходимое выражение для моляльности выводится из ее определения:

где число молей растворенного вещества, а масса растворителя в граммах. Величина представляет собой массу растворенного вещества в килограммах. Поскольку

где - масса растворенного вещества в граммах, неизвестная молярная масса растворенного вещества, можно преобразовать выражение (7) к следующему виду:

Это и есть выражение для моляльности растворенного вещества, необходимое на второй стадии определения его молярной массы.

Если подставить теперь это выражение, а также значение АТ, найденное на первой стадии, и значение найденное на третьей стадии эксперимента, в уравнение (6), получим

Выразим теперь с помощью этого уравнения неизвестную молярную массу через экспериментально определенные величины:

Пропанон имеет температуру кипения пропанона растворили 1,00 г нелетучего вещества. Температура кипения полученного раствора равна 57,4°С. Вычислим молярную массу и относительную молекулярную массу растворенного вещества, если известно, что эбуллиоскопическая постоянная пропанона равна .

При растворении 1,00 г неизвестного вещества в 10 г растворителя повышение температуры кипения составило 1,2°С. Подставив эту и другие известные величины в уравнение (8), получим

Таким образом, молярная масса нелетучего растворенного вещества равна 142,5 г/моль и, следовательно, его относительная молекулярная масса равна 142,5.

Понижение температуры замерзания раствора

В предыдущем разделе было указано, что добавление к жидкости второго компонента приводит к понижению ее температуры замерзания (см. рис. 6.33). Понижение температуры замерзания АТ зависит от моляльности растворенного вещества (по типу соотношения, определяющего повышение температуры кипения раствора):

где - криоскопическая постоянная растворителя, иначе называемая моляльной постоянной понижения температуры замерзания или просто постоянной понижения температуры замерзания.

Значения криоскопической постоянной для некоторых растворителей приведены в табл. 6.6.

Для экспериментального определения понижения температуры замерзания может использоваться установка, схематически изображенная на рис. 6.38. Во внутренней

Таблица 6.6. Криоскопические постоянные растворителей

Рис. 6.38. Установка для определения понижения температуры замерзания раствора.

градуированной стеклянной пробирке помещается известная масса растворителя. Растворитель медленно охлаждают, непрерывно помешивая, чтобы свести к минимуму переохлаждение (см. предыдущий раздел). При этом каждые полминуты определяют температуру с помощью термометра Бекмана. По его показаниям строят кривую охлаждения, на которой определяют температуру замерзания. Затем растворитель нагревают до расплавления и добавляют к нему известную массу растворяемого вещества. Раствор перемешивают до полного растворения добавленного вещества. Затем раствор охлаждают, записывая температуру каждые полминуты, и определяют новую температуру замерзания.

Определение относительной молекулярной массы вещества по понижению температуры замерзания его раствора

Понижение температуры замерзания раствора нелетучего вещества может использоваться для определения его относительной молекулярной массы.

В основанном на этом принципе методе Раста в качестве растворителя используется

камфора, имеющая большую криоскопическую постоянную (см. табл. 6.6). В других методах с этой целью используются уксусная кислота или другие растворители.

Уксусная кислота имеет температуру замерзания 16,63°С. При добавлении к 40 г этой кислоты 2,5 г неизвестного органического вещества температура замерзания полученного раствора понизилась до 15,48°С. Вычислим относительную молекулярную массу неизвестного растворенного вещества.

Для решения поставленной задачи необходимо вывести уравнение, аналогичное уравнению (8). Это можно сделать с помощью уравнений (9) и (7) подобно тому, как с помощью уравнений (6) и (7) было получено выше уравнение (8). В результате находим

Известно, что . Из табл. 6.6 находим . Подставляя эти значения в уравнение (10), находим

Итак, относительная молекулярная масса органического растворенного вещества равна 212.

Осмотическое давление

Осмос - это самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую мембрану из разбавленного раствора или чистого растворителя в концентрированный раствор. Это явление можно продемонстрировать с помощью прибора, схематически изображенного на рис. 6.39. Широкий конец трубки, закрытый мембраной животного происхождения (например, бычьим пузырем), наполняют раствором сахара и погружают в стакан с водой. Через некоторое время вода переходит сквозь мембрану в раствор сахара.

Мембрана, пропускающая частицы растворителя, но не пропускающая частицы растворенного вещества, называется полупроницаемой мембраной. Полупроницаемая мембрана пропускает частицы растворителя в обоих направлениях. Однако, поскольку с той стороны мембраны, где концентрация раствора выше, концентрация растворителя, наоборот, ниже, происходит результирующий переход растворителя в концентрированный раствор. Это приводит к установлению разности давлений по обе стороны мембраны. Давление, которое необходимо приложить к концентрированному раствору, чтобы воспрепятствовать переносу растворителя через мембрану, называется осмотическим давлением. Его обозначают греческой буквой п.

Осмотическое давление является коллигативным свойством, поскольку оно зависит только от концентрации растворенных частиц, а не от их химического состава.

Осмотическое давление играет важную роль в биологических процессах. Например, в организме животных некоторые типы клеток, например эритроциты, содержат солевой раствор. Эти клетки ограничены плазматической мембраной. В водной среде эритроциты подвергаются осмосу, набухают и лопаются. Однако, если они попадают в более концентрированный раствор соли, клетки сморщиваются.

Рис. 6.39. Эксперимент, показывающий действие осмотического давления.

Растительные клетки содержат солевые растворы в особых полостях - вакуолях. Вакуоль окружена тонким слоем цитоплазмы, который обладает свойствами полупроницаемой мембраны и контролирует поглощение воды растительной клеткой.

Если давление, приложенное к концентрированному раствору, превышает осмотическое давление, растворитель переходит из концентрированного раствора через мембрану в разбавленный раствор. Этот процесс называется обратный осмос. Он находит промышленное применение с целью получения питьевой воды из морской воды.

Эксперименты, подобные описанному выше с сахарным раствором, показывают, что: 1) при постоянной температуре осмотическое давление прямо пропорционально разности концентраций в растворах, разделенных мембраной; 2) при фиксированной

разности концентраций осмотическое давление прямо пропорционально абсолютной температуре.

Соотношение между осмотическим давлением и температурой аналогично уравнению состояния идеального газа (см. разд. 3.1). Оно называется уравнением Вант-Гоффа:

В этом уравнении - осмотическое давление, К - объем раствора, - число молей растворенного вещества, Т - абсолютная температура, - молярная газовая постоянная. Уравнение (11) может быть представлено в другой форме:

где с - концентрация раствора

Уравнение Вант-Гоффа является приближенным и справедливо только для разбавленных растворов.

Определение относительной молекулярной массы растворенного вещества по осмотическому давлению раствора

Уравнение Вант-Гоффа может использоваться для определения относительной молекулярной массы растворенного вещества по создаваемому им осмотическому давлению, которое устанавливают экспериментальным путем. Этот метод особенно удобен для определения средней относительной молекулярной массы полимеров и других макромолекулярных веществ.

Раствор сахара с концентрацией 2,5 г/дм3 создает осмотическое давление атм при 25 °С. Вычислим относительную молекулярную массу растворенного вещества.

Искомое значение относительной молекулярной массы растворенного вещества можно найти непосредственно с помощью уравнения Вант-Гоффа (11). Исходные данные задачи таковы:

Подставив эти значения в уравнение Вант-Гоффа, найдем

Аномальные значения относительной молекулярной массы

Выше было показано, что для определения относительной молекулярной массы могут использоваться три разных коллигативных свойства растворов, а именно: 1) повышение температуры кипения; 2) понижение температуры замерзания; 3) осмотическое давление.

Аномальные значения относительной молекулярной массы могут получаться в тех случаях, когда растворенное вещество ассоциирует либо диссоциирует в растворе. Например, карбоновые кислоты могут ассоциировать в органических растворителях, образуя димеры (см. рис. 6.26). Это происходит из-за образования водородных связей. Электролиты наподобие хлорида натрия диссоциируют в водных растворах:

Поэтому коллигативные свойства растворов электролитов зависят только от концентрации, а не от химической природы ионов растворенного вещества, присутствующих в растворе. В растворе хлорида натрия на каждый моль растворенного приходятся два моля ионов. Из-за этого относительная молекулярная масса найденная по повышению температуры кипения раствора, оказывается приблизительно вдвое меньше, чем вычисленная по химической формуле .

Сопоставляя значения относительной молекулярной массы, найденные экспериментально по коллигативным свойствам, с вычисленными по химическим формулам растворенных веществ, можно определить степень ассоциации либо диссоциации растворенного вещества.

Еще М. В. Ломоносовым в 1764 г. был обнаружено, что растворы замерзают при более низкой температуре, чем чис­тые растворители. Понижение температуры замерзания раст­вора связано с понижением упругости (давления) пара раст­ворителя над раствором (изменение концентрации клеточного сока у растений к зиме).

Температурой замерзания раствора называется такая темпера­тура, при которой кристал­лы растворителя находятся в равновесии с раствором данного состава.

Разность Δt = t 0 ° — ti° называется понижением температуры замерзания раствора и будет тем больше, чем больше концентрация раствора. Количественно эта зависи­мость выражается уравнением:

Δt = K С m (36)

где Δt — понижение температуры замерзания раствора;

Сm — моляльная концентрация;

К — коэффициент пропорциональности, называемый криоскопической постоянной растворителя или моляльным понижением температуры замерзания раствора.

Метод исследования, основанный на измерении понижения температуры замерзания растворов, называется криоскопическим методом.

Растворы замерзают при более низкой и кипят при более высокой температуре, чем чистые растворители.

Для растворов неэлектролитов согласно закону Рауля понижение температуры замерзания раствора прямо пропорционально моляльной концентрации (уравн.36).

Повышение температуры кипения раствора так же прямо пропорционально моляльной концентрации:

Δt кип =ЕC m (37)

Е- эбулиоскопическая постоянная.

Осмотическое давление растворов рассчитывается по формуле Вант-Гоффа:

Р осм =RTC м (38)

R- универсальная газовая постоянная 8,314 кДж/моль град

T- температура, 0 К, C м -молярная концентрация.

Контрольные вопросы

1.В чем суть закона распределения?

2.Вывод закона распределения.

3.Применение закона распределения.

4.На каком условии фазового равновесия основан вывод закона распределения?

5.Какие факторы влияют на значение коэффициента распределения?

6.Какая экстракция эффективнее: однократная или дробная?

Задачи

Номер задания	m г H 2 O	m г САХАРОЗЫ	Номер задания	m г H 2 O	m г САХАРОЗЫ
		60	.2
		55

ПРИ КАКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ БУДУТ КИПЕТЬ РАСТВОРЫ, СОДЕРЖАЩИЕ В m г ВОДЫ m г САХАРА. ПОСТРОИТЬ ГРАФИК ЗАВИСИМОСТИ температуры кипения от содержания растворенного вещества в растворе

Номер задания	m г H 2 O	m г САХАРОЗЫ	Номер задания	m г H 2 O	m г САХАРОЗЫ
		60
		55

Номер задания	m г H 2 O	m г ГЛЮКОЗЫ	Номер задания	m г H 2 O	m г ГЛЮКОЗЫ
		4,57			10,01
					12,57
					5,56
					14,40
		8,32			11,54

ОПРЕДЕЛИТЬ ТЕМПЕРАТУРУ ЗАМЕРЗАНИЯ РАСТВОРА В m г H 2 O КОТОРОГО, СОДЕРЖИТСЯ m г ГЛЮКОЗЫ ПОСТРОИТЬ ГРАФИК ЗАВИСИМОСТИ температуры ЗАМЕРЗАНИЯ от содержания растворенного вещества в растворе

Изменения, наступающие в биологических объектах под влиянием низких температур,
можно разделить на: 1) изменения физиологического характера; 2) изменения физико-
химического порядка; 3) изменения механического порядка. К явлениям физиологического
характера следует отнести так называемый температурный шок, возникающий в результате
воздействия низких температур. Термин «температурный шок» впервые был предложен
Миловановым в 1934 г., наблюдавшим потерю подвижности сперматозоидов быка и
барана в результате их внезапного охлаждения от 15 до 0°.

Температурный шок при внезапном охлаждении. наблюдается и у ряда видов
бактериальных клеток, особенно в фазе логарифмического роста. При быстром
охлаждении молодых культур от 37 до 0° погибает до 95% особей бактерий Е. соП. При
постепенном снижении температуры в указанных пределах бактериальные клетки не
повреждаются. Температурного шока можно избежать путем постепенного охлаждения
организмов и изолированных клеток в тех же пределах температуры, в которых при
быстром и сверхбыстром, охлаждении возникает шок. Постепенное охлаждение
способствует так называемой холодной адаптации, частичного уменьшения содержания
воды.

На чувствительность клеток к температурному шоку существенно влияет состав среды,
в которой они находятся. Чувствительность сперматозоидов к температурному шоку
значительно понижается при добавлении к сперме в качестве разбавителя яичного желтка,
защитное действие которого обусловливается предположительно за счет лецитина.

Эритроциты при быстром охлаждении от 30 до 5° обычно не повреждаются, но
повышение концентрации, хлористого натрия до 0,8М и выше ведет в этих условиях к
гемолизу их.

Температурный шок может возникать у одноклеточных многоклеточных организмов
при быстром охлаждении их не только до 0°, но и ниже. Было доказано, что лейкемические
клетки мышей выживают, сохраняя способность к заражению, только при условии
медленного замораживания до -70°. Более высокая выживаемость наблюдается и при
медленном охлаждении от 0 до -79° патогенных простейших и сперматозоидов по
сравнению с быстрым и сверхбыстрым замораживанием.

Патогенные амебы и другие простейшие, ткани яичника, яйцеклетки млекопитающих,
ткани гипофиза и надпочечника, ткань семенника, опухолевые клетки и некоторые виды
микроорганизмов сохраняют жизнеспособность, при медленном замораживании, но не
переносят быстрого и сверхбыстрого охлаждения до низких температур. Механизм
температурного шока в результате быстрого и сверхбыстрого охлаждения до нуля и
замораживания при низких температурах объясняется внезапным изменением
осмотического давления внутри клеток. Медленное охлаждение ослабляет интенсивность
изменения осмотического давления вследствие диффузии воды из клеток через клеточные
мембраны и кристаллизации ее в межклеточных пространствах. Это явление называют
также температурной адаптацией. Быстрого и сверхбыстрого замораживания и хранения
биологических материалов при возможно низкой температуре. К таким материалам
относятся ферменты и некоторые виды микроорганизмов.

Одним из преимуществ быстрого охлаждения является также то, что в этих условиях
действие концентрированных левых растворов после выделения льда занимает менее
продолжительный период до достижения их эвтектической точки.

Что касается тканей млекопитающих, предназначенных для последующей трансплантации или культивирования, за исключением клеток некоторых опухолей,
паращитовидной желез, то они в большинстве случаев после быстрого и замораживания не проявляют признаков жизнеспособности. Следовательно, оптимальная скорость охлаждения и замораживания зависит от ряда условий.

Нарушения физиологического характера, наступающие при замораживании, обычно
сопровождаются физико-химическими и структурными изменениями в биологических
системах. Эти изменения обусловливаются в основном вне- и внутриклеточной
кристаллизацией воды и эвтектической концентрацией солей. Оба указанных фактора тесно
взаимосвязаны и взаимозависимы. Один из них вызывает чисто механические
(кристаллизация), другой (концентрация солей) - физико-химические изменения в
клетках животного и растительного происхождения. Увеличению концентрации
электролитов при замораживании всегда сопутствует кристаллизация воды. Увеличение
концентрации солей, как при положительных температурах, так и при замораживании
ведет к денатурации белков и к растворению липопротеинов.

При замораживании любого биологического материала, безусловно содержащего в
растворенном состоянии различные соли, наблюдается эвтектическое разделение раствора.
Сначала кристаллизируется чистая вода, а соли концентрируются в незамерзшей части до
тех пор, пока не будет достигнута наивысшая их концентрация. Предел максимальной
концентрации солей материалов любого происхождения, вслед за которым наступает
полное затвердение раствора при низких температурах, называют эвтектической точкой.
Так, например, максимальная (эвтектическая) концентрация поваренной соли,
составляющая 22,42%, достигается при температуре -21,2°. При понижении температуры
концентрация соли больше не увеличивается, так как такой раствор полностью
затвердевает.

Степень повреждающего действия концентрированных солей, приближающаяся к
эвтектической, зависит от состава суспензии, количества белка, а также от природы соли и
скорости замораживания.

Жидкости биологических систем являются обычно весьма сложными растворами,
содержащими целый комплекс солей с разными эвтектическими точками. В таких
растворах, по данным Рэ, практически невозможно определить эвтектическую точку в
силу разности эвтектической концентрации различных солей. В сложных биологических
растворах обычно определяется эвтектическая зона в пределах 10° и более с минимальной и
максимальной границами. В интервале этой зоны и происходит замерзание
гипертонических растворов разных солей.

Гипертоническая концентрация солей губительно влияют на ткани и клетки животных,
простейших и бактерий в процессе замораживания и хранения при температурах равных
эвтектической зоны.

В процессе замораживания вода из клеток переходит в окружающую среду с такой
скоростью, что точка замерзания их внутреннего содержимого становится несколько ниже
точки замерзания окружающей жидкости. К моменту, когда окружающая клетки жидкость
концентрируется до насыщения, содержимое клеток оказывается достаточно обезвоженным
и не может замерзнуть. Вне- и внутриклеточная кристаллизация всегда сопровождаются
концентрированием солевых растворов при низких температурах, разрушающее действие
которых в настоящее время доказано и не вызывает сомнения. Однако нельзя не учитывать
и действие кристаллов льда, вызывающее разрушение коллоидных растворов, нарушение
равновесия между гелем и золем и связи ферментов с их субстратами.

Особенно вредна внутриклеточная кристаллизация воды, как правило, ведущая к
разрушению структуры и гибели животных клеток. При быстрых скоростях охлаждения
вне- и внутриклеточная кристаллизация может наступать практически одновременно.
При сверхбыстрых скоростях охлаждения до очень низких температур стадия
кристаллизации минуется и препарат переводится в стекловидное состояние
(витрифицируется). По утверждению Люйе, гибель клетки не наступает, если удается
перевести протоплазму в стекловидное состояние и затем вновь в жидкое, минуя стадию
кристаллизации. Он показал, что критическая зона температуры, при которой образуются
кристаллы, находится в пределах 0 до -40°. При сверхбыстром охлаждении
концентрированных растворов белков, Сахаров и многоатомных спиртов, нанесенных в виде
тонкой пленки путем погружения в сжиженные атмосферные газы при температурах от -150
до -196°, они превращаются в прозрачные «стекла». При медленном отогревании такие
«стекла» кристаллизуются и становятся непрозрачными, а при быстром отогревании они
тают, не подвергаясь кристаллизации.

Рис.69. Кривые изменения давления паров воды, льда и раствора в зависимости от температуры

Все чистые характеризуются строго определенными температурами (или точками) замерзания и кипения. Так, чистая при нормальном атмосферном давлении замерзает при 0° и кипит при 100°; бензол замерзает при 5,5°, а кипит при 80,1° и т. д. Эти температуры сохраняются неизменными до тех пор, пока вся жидкость не замерзнет или не превратится в пар.

Иначе обстоит дело с растворами. Присутствие растворенного повышает точку кипения и понижает точку замерзания растворителя, и тем сильнее, чем концентрированнее раствор. Поэтому растворы замерзают при более низких, а кипят при более высоких температурах, чем чистые растворители. Нетрудно доказать, что это является прямым следствием понижения давления пара растворов.

Как известно, всякая жидкость начинает кипеть при такой температуре, при которой давление ее насыщенного пара достигает величины внешнею давления. Например, под давлением 760 мм рт. ст. кипит при 100° потому, что при этой температуре давление водяного пара как раз равно 760 мм. Если же растворить в воде какое-нибудь вещество, давление ее пара понизится. Чтобы довести давление пара полученного раствора до 760 мм, очевидно, нужно нагреть раствор выше 100°. Отсюда следует, что точка кипения раствора всегда будет выше точки кипения чистого растворителя.

Более низкая температура замерзания раствора, по сравнению с чистым растворителем, объясняется тем, что точка замерзания есть та температура, при которой одновременно могут существовать твердая и жидкая фазы Жданного (стр. 218). Однако для этого необходимо, чтобы давление пара твердой и жидкой фаз было одинаковым, иначе пар будет переходить от одной фазы к другой до полного исчезновения той из них, над которой давление пара больше. Лед и могут неограниченно долго существовать вместе при 0° именно потому, что при 0° давление пара льда (4,6 мм) равно давлению пара воды. Эта температура и является точкой замерзания чистой: воды.

Если мы возьмем не чистую воду, а какой-нибудь раствор, давление его пара при 0° будет меньше 4,6 мм; поэтому лед, опущенный в такой раствор, быстро тает. Одновременное существование льда и раствора будет возможно только при температуре ниже 0°, и именно при такой, при которой давление их паров станет одинаковым. Другими словами, раствор будет замерзать при более низкой температуре, чем чистый растворитель.

Все эти соотношения становятся особенно ясными, если изобразить их графически, начертив кривые изменения давления паров с температурой. На рис. 69 линия аа 1 изображает кривую давления пара чистой воды, а линия bb 1 - кривую давления пара раствора. Так как при любой температуре давление пара раствора меньше давления пара чистой воды, линия bb 1 лежит ниже линии аа. Чтобы определить по этим кривым температуру кипения воды и раствора при каком-нибудь давлении, например при 760 мм, проведем из соответствующей точки оси ординат пря-мую, параллельную оси абсцисс. Из точек а 1 и b 1 пересечения этой прямой с кривыми давления пара опустим перпендикуляры на ось абсцисс. Температуры Т и Т 1 будут отвечать точкам кипения воды и раствора, так как при этих температурах давление их паров одинаково. Мы видим, что точка кипения раствора лежит выше точки кипения чистой воды.

Линия ас на рис. 69 изображает кривую давления пара льда. Мы уже говорили, что при температуре замерзания давление паров твердой и жидкой фаз растворителя или твердого растворителя и раствора должно быть одинаковым. Этому условию отвечают точки а и b пересечения кривых аа 1 и bb 1 с кривой ас. Температуры замерзания воды и раствора определяются как проекции точек а и b на ось абсцисс. В этом случае, как видно из рисунка, температуры Т и Т 1 расположены в обратном порядке, т. е. температура замерзания раствора меньше температуры замерзания воды.

При замерзании разбавленных растворов вначале выделяется в твердом виде чистый растворитель, например в случае водного раствора - чистый лед. Так как по мере выделения льда увеличивается, то температура замерзания не остается постоянной, а постепенно понижается. Однако выделение льда и понижение температуры замерзания происходят лишь до тех пор, пока не достигнет некоторой определенной для данного вещества величины, при которой весь раствор застывает в сплошную массу. Под микроскопом видно, что она состоит из тонких прослоек льда и растворенного вещества в твердом виде. Такая масса получила название эвтектики. Температура, при которой происходит ее образование, называется э в т е к т и ч е с к о и т е м п е р а т у р о й, а соответствующая - эвтектической концентрацией.

Возьмем, например, 10%-ный раствор поваренной соли и начнем его охлаждать. Первое появление кристаллов льда наблюдается около -7°. По мере выделения льда концентрация остающегося раствора увеличивается и температура замерзания падает все ниже и ниже. Наконец, когда концентрация NaCl достигает 24,42%, весь раствор застывает в сплошную белую массу - эвтектику. Это происходит при температуре -21,2°, которая и является, таким образом, эвтектической температурой для раствора поваренной соли.

Рис 70. Кривая замерзания растворов поваренной соли

Аналогичная картина наблюдается при охлаждении насыщенных растворов, т. е. таких растворов, в которых концентрация растворенного вещества выше эвтектической. Отличие в поведении этих растворов заключается в том, что при их охлаждении вначале выделяется не лед, а растворенное вещество в твердом виде. Например, из насыщенного при 20° раствора поваренной соли, содержащего 26,4% NaCl, при охлаждении выделяется соль. По мере выделения соли концентрация раствора уменьшается, и когда она становится равной 24,42%, происходит образование эвтектики (при температуре -21,2°). Таким образом, при охлаждении всякого насыщенного раствора после выделения некоторого количества кристаллов в конце концов образуется эвтектика.

На рис. 70 изображена кривая замерзания растворов поваренной соли различной концентрации. Из рисунка видно, что с увеличением концентрации температура замерзания понижается. Самой низкой точке кривой отвечает эвтектическая температура -21,2° и эвтектическая концентрация 24,42% NaCl. При дальнейшем увеличении концентрации температура замерзания (т. е. температура, при которой начинается выделение твердой фазы) снова повышается, но теперь из раствора выделяется в твердом виде уже не вода, а поваренная соль.

Эвтектическая температура является самой низкой из всех: возможных температур замерзания растворов данного вещества. Для различных веществ она весьма различна. Так, например, для: калийной селитры эвтектическая температура всего -2,9° (при эвтектической концентрации 10,9% KNO3), для поваренной соли -21,2°, для хлористого кальция -55°, для серной кислоты -75° и т. д.

Низкой эвтектической температурой поваренной соли объясняется таяние льда, посыпанного солью. Лед и соль не могут существовать вместе при температуре выше -21,2°; поэтому при смешивании с солью лед сейчас же начинает плавиться. Способностью льда поглощать при плавлении большое количество тепла пользуются для приготовления охлаждающих смесей, открытых Бойлем в 1665 г. и особенно тщательно изучавшихся Т. Е. Лови-цем. В 1792 г., смешивая снег с хлористым кальцием, Ловиц впервые достиг охлаждения до -50°. Понятно, что таким путем нельзя получить температуру ниже эвтектической.

Подобно тому, как при замерзании разбавленных растворов выделяющаяся твердая фаза состоит из чистого растворителя, так и при кипении растворов твердых веществ в жидкостях образующиеся пары состоят из чистого растворителя. Поэтому по мере выкипания жидкости концентрация раствора увеличивается и точка кипения повышается до тех пор, пока раствор не сделается насыщенным и не начнется кристаллизация. Как только начинается кристаллизация, концентрация раствора перестает изменяться и точка кипения становится постоянной.

С количественной стороны явления замерзания и кипения растворов были изучены Раулем, который экспериментальным путем установил следующие положения, известные под названием з а-конов Рауля:

1. Понижение точки замерзания пропорционально количеству вещества, растворенного в данном весовом количестве растворителя.

Так, например, раствор, содержащий в 100 г воды 5 г сахара, замерзает при минус 0,27°, а содержащий 10 г - при минус 0,54° и т. д.

2. Эквимолекулярные количества различных веществ, будучи растворены в одном и том же весовом количестве данного растворителя, понижают его точку замерзания на одной тоже число градусов.

Например, при растворении 0,1 граммолекулы сахара (34,2 г) в 1000 г воды точка замерзания понижается на 0,186°. Такое же понижение дает 0,1 граммолекулы глюкозы (18 г), 0,1 граммолекулы перекиси водорода (3,4 г) и т. д.

Понижение точки замерзания, соответствующее (по расчету) растворению 1 граммолекулы вещества в 1000 г растворителя (молекулярное понижение), есть величина постоянная для данного растворителя. Она называется криоскопической константой растворителя. Для различных растворителей криоскопические константы различны. Ниже приводим некоторые из них.

Криоскопические константы

Вода 1,86°

Бензол. . . . 5,1°

Уксусная кислота. . . 3,9°

Нафталин 6,9°

Совершенно аналогичные законы были установлены Раулем и в отношении повышения точек кипения. Молекулярное повышение точки кипения, т. е. повышение, вызываемое растворением 1 граммолекулы вещества в 1000 г растворителя, называется эбулиоскопической константой растворителя.

Эбулиоскопические константы

Вода … 0,52°

Бензол…2,53°

Эфир…1,82°

Хлороформ…3,61°

Математически законы Рауля могут быть выражены следующим уравнением:

∆t = K x C (1)

тде ∆t -понижение точки замерзания или повышение точки кипения растворителя; С - число молей растворенного вещества, приходящееся на 1000 г растворителя; К -коэффициент пропорциональности, равный соответственно криоскопической или эбулиоскопической константе растворителя (при С=1 ∆t = K). Так как число молей вещества равно его весу в граммах (т), деленному на (М), то, заменив в предыдущем

уравнении С на m: M, получим:

∆t = K(m:M) (2)

Законы Рауля применимы с теми же ограничениями, о которых мы говорили, излагая закон Вант-Гоффа: концентрированные растворы и растворы электролитов сильно отклоняются от этих законов.

Теоретическое обоснование законов Рауля было дано Вант-Гоффом, который указал на их связь с законом осмотического давления и вывел уравнения, позволяющие вычислить по понижению точки замерзания или по повышению точки кипения раствора.

На законах Рауля основаны очень удобные методы определения молекулярных весов растворенных веществ. Для определения берут навеску исследуемого вещества, растворяют ее в некотором количестве растворителя и устанавливают вызванное ею понижение температуры замерзания или повышение температуры кипения. По этим данным легко рассчитать растворенного вещества, если известна криоскопическая или эбулио-скопическая константа растворителя. Обратно, зная растворяемого вещества, таким же путем можно определить криоскопическую или эбулиоскопичеекую константу.