Portál:Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL)/14. Otázka
 | 14. Otázka | |||
| Skupenské stavy hmoty, Gibbsův zákon fází, Fázový diagram vody, funkce vody v organismu | ||||
| Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL) | ||||
| Předchozí • Další | ||||
Fázové změny
Fázové změny nebo také fázové přechody jsou děje, při kterých narušíme termodynamickou rovnováhu látky nebo soustavy. Tímto narušení dojde ke změně fáze látky. Při této změně dojde ke skoku, při kterém se mohou změnit fyzikální veličiny, které danou látku charakterizují.
Tání a tuhnutí
Atomy, molekuly nebo ionty upevněné v krystalové mřížce kmitají následkem tepelného pohybu. S rostoucí teplotou stoupá jejich kinetická energie až dosáhne takové hodnoty, že částice opustí mřížku a ta se rozpadne. Při ochlazovaní kapaliny dochází k opačnému jevu.
Vypařování a kondenzace
- V uzavřené nádobě je kapalina a nad ní při jakékoliv teplotě její vlastní páry. Převládá-li pohyb molekul z kapalné fáze do plynné, dochází k vypařování a roste tlak plynu nad kapalinou do té doby, než je stejný počet molekul v plynné i kapalné fázi ( = nasycená pára).
- Dochází-li k vypařování v celém objemu kapaliny, jedná se o var.
- Náhlým ochlazením páry dojde k její kondenzaci, jsou k tomu však třeba kondenzační centra (malé částečky prachu nebo ionty).
Sublimace a desublimace
Přechod z pevné fáze v plynnou a naopak.
Ionizace a rekombinace
Přechody plynné fáze v plazmatickou a naopak.
Gibbsův zákon fází
Disperzní systém je soustava obsahující alespoň dvě fáze nebo dvě složky (jedna – podíl je rozptýlena v druhé – prostředí). Dvoufázový disperzní systém je heterogenní, protože mezi disperzními podíly existují v disperzním prostředí jasné hranice. Systém sestávající se naopak ze dvou složek v jedné fázi je homogenní (cukr rozpuštěný ve vodě) a jeho složky nejsou opticky rozlišitelné.
Gibbsův zákon fází:
- = počet složek soustavy, = počet fází soustavy, = počet stupnů volnosti (teplota, tlak)
Příklad:
- Kapalina a její pára (, ) má jeden stupeň volnosti – měnit lze jen tlak nebo jen teplotu.
- Pokud chceme měnit teplotu i tlak, může existovat pouze jedna fáze.
- Mají-li se v rovnováze udržet fáze tři, stane se to pouze za dané teploty a tlaku () – v tzv. trojném bodě.
- Pro vodu je trojný bod 273,16 K[1] (0,01 °C) při tlaku 610,6 Pa
- ↑ JIŘÍ, Beneš,, Jirák, DANIEL a Vítek, FRANTIŠEK. Základy lékařské fyziky. - vydání. Charles University in Prague, Karolinum Press, 2015. 322 s. ISBN 9788024626451.
Voda jako rozpouštědlo, voda v organizmu
Voda je nejvíce zastoupená složka v živých organismech, nejdůležitější rozpouštědlo a je také pochopitelně nezbytnou součástí lidského těla. Většina důležitých životních procesů probíhá právě ve vodném prostředí.
Struktura molekuly vody, vlastnosti
V molekule jsou vázané dva atomy vodíku, každý po jednom elektronu, a jeden atom kyslíku se šesti elektrony. Působením kovalentní vazby dosáhnou atomy ideální konfigurace vzácného plynu. Molekula vody je lomená a její vazby spolu svírají úhel 104,45° (vycházíme z teorie hybridizace a přítomnosti dvou volných elektronových párů, které nepatrně mění vazebný úhel).
Značný rozdíl elektronegativit mezi kyslíkem a vodíkem působí tak, že kyslík k sobě přitahuje elektrony, které se účastní vazby. Proto se v molekule vytvoří parciální náboje (na kyslíku záporný, na vodících kladný), které způsobují charakter elektrického dipólu.
Vodíkové můstky
Mezi molekulami vody se elektrostaticky vytvářejí tzv. vodíkové můstky, slabé vazebné interakce mezi opačnými náboji sousedních molekul (energie vodíkové vazby u vody je 19 kJ•mol–1). Díky vodíkovým můstkům se tvoří prostorová síť spojených molekul. Voda je proto dobrým polárním rozpouštědlem.
Molekuly se organizují do čtyřstěnů a takto vytváří krystalickou strukturu ledu (částečně i vody).
Hustota vody je nejvyšší při 3,98 °C a je to tzv. anomálie vody, protože u ostatních kapalin hustota stoupá s klesající teplotou.
Voda jako rozpouštědlo
Díky své nesymetričnosti rozpouští voda hydrofilní, polární látky plynné, kapalné i pevné fáze a vznikají tak vodné roztoky. V organismu tvoří disperzní prostředí pro makromolekuly, molekuly a ionty v buňkách a napomáhá tak vzájemné interakci. Když jsou látky rozpuštěné ve vodných roztocích ve formě iontů, roztok je elektrolyt a vede elektrický proud (např. fyziologický roztok – 0,9 % vodný roztok NaCl). Mnohé organické látky (glycerol, ethanol, bílkoviny) ve vodném roztoku nevedou proud, jsou obklopeny molekulami vody, ale nejsou rozštěpené na ionty.
Průběh rozpouštění
Proces rozpouštění vodou můžeme také jinak nazvat elektrolytická disociace (disociace účinkem polárního rozpouštědla). Elektrolytické disociace dělíme na dva typy:
Disociace látek s iontovou mřížkou
Molekuly rozpouštědla, které obklopí mřížku, se orientují k povrchu mřížky. Každá molekula se orientuje opačným nábojem k iontu v mřížce. Působením vazebných sil oslabí molekula rozpouštědla vazby v mřížce a odtrhne ionty, které se následně uvolní do roztoku.
Disociace látek s polární vazbou
V důsledku interakce mezi polárními molekulami (např. HCl, CH3COOH) a molekulami polárního rozpouštědla dochází ke zvýšení polarizace kovalentní vazby polárních rozpouštěných molekul. To způsobí, že molekula úplně rozštěpí. Uvolněné ionty jsou ovšem stále pevně obaleny molekulami rozpouštědla a vytváří tzv. solvatační obal. Tomuto procesu se také jinak říká solvatace.
Voda v organismu
Vodu v organismu rozdělujeme na volnou, která zajišťuje rozpouštění a transport látek, a vodu vázanou, která je vázána v hydratačních obalech (např. hydrofilní koloidy). Obě dvě složky jsou v rovnováze a jejich molekuly se navzájem neustále vyměňují. Voda je výsledným produktem při různých biochemických reakcích, jedním z příkladů je průběh oxidace. Významnou roli hraje také osmóza, díky níž se voda v těle může pohybovat přes semipermeabilní membrány. Jaký bude obsah vody v jednotlivých tělesných částech závisí na obsahu osmoticky aktivních částic – osmolaritě. (nejméně vody obsahuje zubní sklovina) Voda je významná také pro termoregulaci a odvádění tepla pocením, kvůli vysoké hodnotě výparného tepla (2,25 MJ•kg–1) při 37 °C.
