cơ sở lí hoá trong sinh học

Tuy nhiên sự khác biệt ấy không phải luôn có thể dễ dàng thấy được, ví dụ, trong một số trường hợp các quá trình hoà tan kèm theo những hiệu ứng nhiệt giống như những phản ứng hoá học bì

Đặt vấn đề 3

Nội dung 4

1 Đặc trưng chung của các dung dịch 4

2 Các tính chất của dung dịch pha loãng 7

3 Áp suất thẩm thấu 8

3.1 Đặc điểm chung của áp suất thẩm thấu 8

3.2 Định luật áp suất thẩm thấu – Định luật Van-Hoff 9

3.3 Sự sai lệch khỏi định luật Van-Hoff và Raule trong các dung dịch chất điện li 13

3.4 Cơ sở của thuyết điện li 14

3.5 Áp suất thẩm thấu với sự sống 17

Kết luận 20

Tài liệu tham khảo 21

mô còn phụ thuộc vào trạng thái tồn tại của vật chất và các quy luật đặc trưng của từng trạng thái vật chất đó.

Trong vật lý, một trạng thái của vật chất, hay một pha của vật chất, là một tập hợp các điều kiện vật lý và hóa học mà ở đó vật chất có các tính chất lý hóa đồng nhất và sự sống chỉ sử dụng vật chất ở các trạng thái nhất định như dung dịch, hỗn hợp giản đơn, huyền phù, hợp chất hóa học, với những nồng độ thích hợp đối với từng loại tế bào, mô

Kiến thức lý hóa là cơ sở của rất nhiều hiện tượng sinh học xảy ra trong

cơ thể sống, trong đất và trong mối tương tác giữa cơ thể với môi trường Nhiên cứu cơ sở lý hóa trong sinh học giúp ta biết được chức năng và hoạt động của từng loại tế bào, từng loại mô, từng cơ quan và hệ thống cơ quan trong mối liên

hệ giữa chúng với nhau và giữa cơ thể với môi trường, nghiên cứu sự điều hòa chức năng để đảm bảo cho sự tồn tại, phát triển và thích ứng của cơ thể với biến đổi của môi trường

Việc nghiên cứu đề tài: “Phân biệt dung dịch với hỗn hợp giản đơn,

huyền phụ và hợp chất hóa học và chỉ rõ nồng độ của dung dịch sinh lý là loại nồng độ nào, công thức tính áp suất thẩm thấu của dung dịch sinh lý và lý giải

vì sao sử dụng công thức đó” cũng là vấn đề cấp thiết.

Do sự hạn chế về điều kiện thời gian, nguồn tài liệu cũng như sự hạn chế trong kiến thức chuyên môn của bản thân nên bài tiểu luận sẽ không tránh khỏi thiếu sót Rất mong sự góp ý của Thầy cùng các anh chị học viên trong lớp để bài viết được hoàn thiện hơn

NỘI DUNG

1 Đặc trưng chung của các dung dịch:

Các hệ thống đồng nhất có thành phần có thể biến đổi trong những giới hạn rộng mà không gây ra những đột biến nào trong các tính chất của hệ thống được goị là dung dịch

- Dung dịch là những hệ thống đồng nhất gồm từ hai hay nhiều chất và chiếm vị trí trung gian giữa hỗn hợp giản đơn, huyền phù (gồm từ các cấu tử dị thể) và các hợp chất hoá học.

Dung dịch bao gồm chất hòa tan (chất tan) và dung môi (tức là môi trường làm hòa tan chất tan)

Ví dụ: đường hay muối hòa tan trong nước gọi là dung dịch

- Huyền phù (nổi lơ lửng, từ phù có nghĩa là nổi và huyền là treo hay đeo lơ lửng) là một hệ gồm pha phân tán là các hạt rắn lơ lửng trong môi trường phân tán lỏng (hỗn hợp dị thể).

Nếu để yên một huyền phù thì ngược lại với dung dịch , chất rắn có kích thước không nhỏ lắm sẽ lắng xuống đáy tạo thành một lớp cặn (sa lắng hay trầm tích ) Chất lỏng phía trên có thể được chiết ra (lắng gạn) và tách chất rắn

ra khỏi chất lỏng

Ví dụ: Nếu ta khuấy đất sét nghiền nhỏ với nước và để lắng yên một thời gian, những hạt đất sét sẽ dần lắng xuống đáy bình Những hạt đất sét không tan

và ta có thể thấy bằng mắt thường Hỗn hợp như vây ta gọi là huyền phù

Khác biệt với các hợp chất giản đơn, các phân tử tạo nên dung dịch phân

bố đều trong toàn bộ dung dịch mà không tạo nên các tích tụ bộ phận với kích thước lớn hơn phân tử

Khác biệt với các hợp chất hoá học, dung dịch có thành phân thay đổi nhưng không tuân thủ định luật tỉ lệ bội (số)

Đồng thời quá trình hoà tan không phải một sự phân bố cơ học đơn giản

bởi mối quan hệ tương tác của chất tan với dung môi Mối tương tác đó khác biệt với tuơng tác hoá học bình thường bởi đặc trưng và trị số của mối liên kết các cấu tử Tuy nhiên sự khác biệt ấy không phải luôn có thể dễ dàng thấy được,

ví dụ, trong một số trường hợp các quá trình hoà tan kèm theo những hiệu ứng nhiệt giống như những phản ứng hoá học bình thường, còn các chất đuợc hình thành qua sự tương tác của chất tan với dung môi được gọi là các sonvat có thể tách ra khỏi dung dịch và có những tính chất cá biệt nhất định

Do vậy, các dung dịch không chỉ là các hổn hợp đồng nhất của hai hay nhiều chất mà còn là các sản phẩm do môi trường tương tác giữa các chất đó tạo nên

D.I Mendeleev xác lập trong quá trình hoà tan có sự tồn tại của “hai hiện tượng được thực hiện đồng thời:vật lý và hoá học”, làm lạnh hay đun nóng dung dịch được ông giải thích là do sự ưu thế của một trong các hiện tượng Ông liên kết sự toả nhiệt khi hoà tan với quá trình hoá học của mối tương tác giữa chất được hoà tan với nước Quan điểm tưong tác giữa các chất tan và dung môi hình thành nên các hợp chất hoá học nhất định toả nhiệt không bền vững mà một phần của chúng ở trong trạng thái phân li

Như vậy D.I Mendeleev nêu ra ý nghĩa của các quá trình hoá học nhưng

đã không bỏ qua các tác nhân vật lý Lí thuyết đó gọi là thuyết thuỷ hóa hay

thuyết hoá học của các dung dịch của D.I.Mendeleev Ngày nay thuyết này đã

được mọi người công nhận

Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc nội tại của dung dịch được tiến hành nhờ phương pháp hiện đại như trắc phổ hồng ngoại, phổ tán xạ tổ hợp (hay tán xạ Ranma) và các phương pháp khác đã xác lập được rằng, nói chung, phân tử chất tan giống với phân tử chất lỏng nhiều hơn so với phân tử khí hay phân tử kết tinh

Khi nghiên cứu các dung dịch người ta phân biệt dung môi và chất tan Trong trường hợp hoà tan với chất lỏng, chất chiếm lượng lớn hơn gọi là dung môi Trong trường hợp hoà khí hay chất rắn vào chất lỏng thì chất lỏng được coi

là dung môi, còn chất tan là khí hoà tan hay chất rắn Tuỳ thuộc vào hàm lượng tưong đối của chúng

Đặc trưng quan trọng nhất của dung dịch là thành phần định tính (gồm những chất nào) và thành phần định lượng (thành phần này hay thành phần khác chứa trong dung dịch với liều lượng bao nhiêu).

Luợng chất tan chứa trong một lượng dung dịch xác định được gọi là

nồng độ Nếu lượng chất tan được so với trọng lượng xác định thì nồng độ

đó gọi là nồng độ trọng lượng, nếu được so với thể tích dung dịch thì gọi là

nồng độ thể tích Thường nông độ trọng lượng thể hiện ra phần trăm hay

được đặc trưng bằng trọng lượng riêng của dung dịch Chẳng hạn, dung dịch

mà trong 100g của nó chứa 10 g muối và 90 g nước thì được gọi la dung dịch muối 10%

Ví dụ 1: Dung dịch 0,9% NaCl: trong 100 g dung dịch có 0,9 g NaCl +

nồng độ thể tích C =Vn Chuẩn cũng là một sự thể hiện của nồng độ.

Ví dụ 2: 1 N KCl = 74,5 g/l (một đương lượng dung dịch bằng nồng độ

mol)

Trong một số trường hợp (khi xác định thành phần hơi trên dung dịch, sự giảm điểm băng và tăng điểm sôi của dung dịch) người ta dùng số mol chứa 100

g dung môi (nồng độ mol) làm thước đo nồng độ.

Ví dụ 3: 1 M NaCl = 58,5 g/l (phân tử gam/lít).

Khi nghiên cứu tính chất của dung dịch, tiện lợi hơn đối với việc phát hiện các quy luật trong các tính chất của chúng, người ta không đối chiếu trọng lượng hay thể tích của các thành phần mà so sánh số lượng mol, đặc biệt so sánh phần nhỏ của mol Ni n nN

+

=

Khi hợp chất (chất tan) có hóa trị nhỏ (bằng 1) thì nồng độ đương lượng bằng nồng độ mol Ngược lại, khi chất tan có hóa trị lớn, nồng độ đương lượng khác nồng độ mol.

H N

4

2 Các tính chất của dung dịch pha loãng:

Các dung dịch pha loãng trong đó phân tử chất tan cách biệt nhau bởi số lượng các phân tử dung môi và do đó các tính chất đặc trưng vê mối tương tác giữa chúng không còn thể hiện rõ rệt

Hai yếu tố ảnh hưởng rõ nhất đến tính chất của dung dịch loãng là: bản chất và nồng độ của dung môi và của chất tan Từ đó, dung dịch có các tính chất đặc trưng sau:

• Áp suất hơi của dung dịch thấp hơn áp suất hơi của dung môi

• Các dung dịch đóng băng ở nhiệt độ thấp hơn so với dung môi

• Các dung dịch sôi ở nhiệt độ cao hơn so với dung môi

• Trong dung dịch xuất hiện áp suất thẩm thấu

Dung dịch trong cơ thể sinh vật đóng vai trò quan trọng: vận chuyển vật chất từ nơi này đến nới khác của cơ thể, là môi trường để thực hiện các phản ứng hóa sinh, bảo vệ các tỏ chức, thực hiện sự trao đổi chất, dẫn truyền các xung điện thần kinh

Căn cứ vào khả năng phân li của chất tan, có thể chia dung dịch ra thành hai loại dung dịch hòa tan không điện li và dung dịch hòa tan chất điện li

* Dung dịch hòa tan không điện li là hệ đồng nhất gồm hai hay nhiều chất không có khả năng phân li thành ion

* Dung dịch hòa tan chất điện li khác với dung dịch hòa tan không phân li

ở chỗ chất hòa tan có khả năng phân li thành ion dương hoặc ion âm Đặc trưng cho loại dung dịch này, người ta đưa ra khái niệm độ phân li:

α = số phân tử phân li / số phân tử chất tan (α = 0 → 1)

Đối với chất điện li hoàn toàn có α = 1, và chất không điện li làα = 0.

3 Áp suất thẩm thấu:

3.1 Đặc điểm chung của áp suất thẩm thấu

Sự khuếch tán một chiều của dung môi vào dung dịch được gọi là sự

thẩm thấu còn lực gây ra bởi sự thẩm thấu gọi là áp suất thẩm thấu.

Áp suất thẩm thấu sinh ra là do sự có mặt các chất hòa tan trong dung dịch Áp suất này có tác dụng làm dung môi chuyển động về phía dung dịch và

có độ lớn bằng áp suất thủy tĩnh cần thiết làm ngừng sự thẩm thấu khi đặt dung dịch ngăn cách với dung môi bằng một bàn bán thấm

Sự khuếch tán một chiều là hiện tượng nếu có một màng chắn bán thấm chia dung dịch và dung môi thành hai phần và chỉ cho phép các phân tử dung môi tự do đi qua, giữ lại các phân tử chất tan

Sự khuếch tán kiểu đó là do số lượng các phân tử dung môi trong đơn vị thể tích nhiều hơn so với cùng thể tích của dung dịch vì trong dung dịch các phân tử chất tan chiếm một phần thể tích Kết quả của sự vận động các phân tử:

sự chuyển dịch của các phân tử dung môi từ dung môi qua màng vào dung dịch chiếm ưu thế hơn so với sự chuyển dịch của chúng theo hướng ngược lại

Ví dụ: nếu ta cho nước vào dung dịch đậm đặc chất nào đó, ví dụ như

dung dịch KMnO4, sau một thời gian, các cấu tử KMnO4 xâm nhập vào lớp nước

và phân bố đều trong toàn bộ dung tích của chất lỏng, đồng thời các phân tử nước cũng xâm nhập vào các lớp KMnO4 Quá trình đó tiếp tục cho tới khi xác lập sự cân bằng nồng độ dung dịch

Sự khuếch tán tự phát như vậy là hệ quả của sự vận động nhiệt của các phân

tử chất tan có khả năng tương tự như các phân tử khí phân tán đều khắp cả dung tích

Sự khuếch tán trong dung dịch khác với sự khuếch tán trong không khí là

có tốc độ thấp hơn do mật độ cao của môi trường

Kết quả cuối cùng của sự thẩm thấu và khuếch tán là sự cân bằng nồng

độ, trong đó các phương thức để đạt được trạng thái cân bằng đó khác nhau cơ bản Trong quá trình khuếch tán, sự cân bằng nồng độ đạt được nhờ sự chuyển dịch của các phân tử chất tan, còn trong trường hợp thẩm thấu, đó là sự chuyển dịch của các phân tử dung môi

Cơ chế của hiện tượng thẩm thấu phức tạp hơn nhiều Cấu trúc và thành phần của màng có vai trò đặc biệt quan trọng Tùy thuộc vào bản chất của màng,

cơ chế thẩm thấu sẽ khác nhau Trong một số trường hợp chỉ có những chất có thể hòa tan trong màng là có thể tự do qua màng; trong trường hợp khác, màng tương tác với dung môi tạo nên hợp chất trung gian kém bền vốn dễ phân giải và cuối cùng màng có thể là vách ngang hình rây có lỗ thông với kích thước xác định Màng bán thấm có thể được chia thành 3 nhóm: nhóm thứ nhất gồm nhóm màng tế bào và màng mô sinh vật như màng bàng quang, màng vách ruột…; nhóm thứ hai gồm các màng hữu cơ nhân tạo như màng colodion, gelatin, xelophan…; nhóm thứ ba là những màng tạo ra từ các chất hữu cơ bằng phản ứng trao đổi gọi là màng kết tủa

Ví dụ: màng kết tủa; màng từ đồng feroxianua Cu2[Fe(CN)6] được tạo nên

từ phản ứng hóa học:

2 CuSO4 + K4[Fe(CN)6] = Cu2[Fe(CN)6] + 2 K2SO4

Áp suất thẩm thấu chỉ xuất hiện trên ranh giới giữa dung dịch và dung môi (hay dung dịch có nồng độ khác), nếu ranh giới như vậy được hình thành bởi màng bán thấm Dung dịch chứa trong cốc bình thường không ép lên vách

cốc áp suất nào khác ngoài áp suất thủy tĩnh bình thường Vì vậy cần xem áp

suất thẩm thấu không phải như là tính chất của chất tan hay của dung môi hay của bản thân dung dịch mà như là tính chất của hệ gồn dung môi, dung dịch với màng ngăn bán thấm giữa chúng

3.2 Định luật áp suất thẩm thấu – Định luật Van-Hoff

Khi nghiên cứu kết quả của các thí nghiệm đo áp suất thẩm thấu của các dung dịch, Van-Hoff đã rút ra kết luận giữa trạng thái của vật chất trong dung dịch và trạng thái khí của cùng chất đó tồn tại một sự tương đồng, thêm vào đó

là sự tương đồng không chỉ có đặc trưng định tính (khuếch tán một chiều qua màng bán thấm) mà còn mang đặc trưng định lượng

• Tại cùng một nhiệt độ, áp suất thẩm thấu của dung dịch khác nhau tỉ

lệ thuận với nồng độ của chúng:

Những dẫn liệu có được khi nghiên cứu áp suất thẩm thấu của dung dịch nước chứa đường Saccaroz:

m

mol/1000g nước

C mol/1l dung dịch

P atm

P m

P C

0,9 0,7560 23,72 26,4 31,5

Bảng 1 Áp suất thẩm thấu của dung dịch với nồng độ khá nhau ở 200C

Từ bảng số liệu trên, ta thấy trong cùng điều kiện nhiệt độ không đổi, khi nồng độ trọng lượng và nồng độ thể tích càng tăng thì áp suất của dung dịch cũng tăng theo , dẫn đến tỉ lệ P

P osm = K.T (vận dụng được định luật Gei-Lussac)

Để minh họa, bảng 02 dẫn ra số liệu đối với dung dịch saccaroz 1% ( 0,02 gmol/1l), qua bảng số liệu này chúng ta thấy rõ, trong cùng một điều kiện về nồng độ đương lượng, áp suất của dung dịch tăng theo nhiệt độ tuyệt đối môi trường dung dịch

• Các chất khác nhau ở cùng nhiệt độ và có cùng nồng độ mol như nhau có cùng áp suất thẩm thấu (là nồng độ đẳng trương), do đó ứng dụng được định luật Avogaro đối với dung dịch.

Như vậy có thể kết hợp cả ba định luật bằng phương trình Mendeleev – Clapeiron:

Thay vào thể tích dung dịch V và số phân tử gam chất tan n, dùng nồng

độ C thuận lợi hơn khi viết phương trình đó dưới dạng:

P = n

V R T Nhưng n

V = C Vì vậy có thể đối với các dung dịch bằng cách ký hiệu áp suất thẩm thấu thông qua Posm, ta có phương trình:

Posm = C R T

Trong đó, hằng số R trong phương trình áp suất thẩm thấu bằng hằng số khí, có nghĩa là R = 0,082 l.atm/độ Theo phương trình này, dung dịch mol của các chất không điện li ở 00C có áp suất thẩm thấu bằng 22,4 atm:

Posm = 1 0,082 273 = 22,4

Trên cơ sở các số liệu thực nghiệm, định luật Van – Hoff phát biểu: áp

suất thẩm thấu của dung dịch bằng áp suất khí nếu chất tan ở trạng thái khí và chiếm thể tích của dung dịch trong cùng điều kiện nhiệt độ

Phương trình Van – Hoff nghiệm khá đúng với một số dung dịch loãng nhưng đối với một số dung dịch khác như dung dịch muối vô cơ thì áp suất thẩm thấu lớn hơn nhiều so với giá trị tính được Đó là vì các chất điện li khi hòa tan trong dung môi sẽ tạo thành các ion, nếu các ion này không thấm qua màng bán thấm thì số lượng phân tử trong dung dịch tăng lên dẫn đến áp suất thẩm thấu tăng lên Từ đó ta

thấy phương trình Van-Hoff chỉ đúng với dung dịch loãng không điện li.

Từ định luật Van – Hoff thấy rằng áp suất thẩm thấu ở nhiệt độ đã cho tỉ

lệ với nồng độ của dung dịch, nghĩa là: Posm = K C

Biết rằng sự giảm băng điểm của dung dịch cũng tỉ lệ với nồng độ của nó, nghĩa là: ΔT3 = E3 C Từ đó thấy rằng giữa áp suất thẩm thấu của dung dịch

và sự giảm băng điểm tỉ lệ thuận với nhau, thể hiện bằng công thức:

osm 3 osm 3 P

Posm1 và ΔT3-1:áp suất thẩm thấu, độ giảm băng điểm của dung dịch 2

Vì dung dịch mol ở 00C có áp suất thẩm thấu = 22,4 atm, còn dung môi mol có mức giảm băng điểm = - 1,86 0C, thì khi sử dụng phương trình

Giả sử một dung dịch điện li nếu có a% số phân tử chất hòa tan bị phân li

và mỗi phân tử phân li thành n ion

Gọi N0 là sô phân tử của chất hòa tan ứng với đơn vị thể tích dung dịch nếu chất hòa tan không điện li

N là số phân tử có trong đơn vị thể tích dung dịch sau khi đã phân li thành các ion thì ta có:

N = N0 a n + (1 – a ) N0 = N0 [ 1 + a( n – 1 )]