医用化学 (第3版)

**章 溶液与溶胶 溶液是指含有一种以上物质的液体或固体，其中水溶液与人类的关系*为紧密。如人的组织间液、血液、淋巴液及各种腺体分泌液等都是溶液；人体内的新陈代谢必须在溶液中进行；临床上许多药物常配成溶液使用等。 溶胶在自然界尤其生物界普遍存在，机体的组织和细胞中的基础物质，如蛋白质、核酸、淀粉、糖原、纤维素等，都可形成胶体；血液、体液、细胞、软骨等都是典型的胶体系统。生物体的许多生理现象和病理变化与其胶体性质密切相关。 因此，掌握溶液和溶胶的有关知识对医学及相关学科的学习是非常重要的。本章主要介绍与医学关系极为密切的一些知识——溶液的组成标度、溶液的渗透压及胶体溶液等。 **节 分散系的分类 在进行科学研究时，通常将一种或几种物质分散在另一种物质中形成的系统称为分散系统，简称分散系。其中，被分散的物质称为分散相，容纳分散相的物质称为分散介质。例如，矿物分散在岩石中生成矿石，水滴分散在空气中形成云雾，聚苯乙烯分散在水中形成乳胶，溶质分散在溶剂中形成溶液等。医学临床上使用的生理盐水和葡萄糖注射液都是分散系统，其中氯化钠、葡萄糖是分散相，水是分散介质。根据分散相粒子直径的大小，可以把分散系分为分子分散系（真溶液）、胶体分散系和粗分散系（表1-1），它们具有不同的扩散速度、膜的通透性和滤纸的通透性能。真溶液的分散相粒子小于1nm，粗分散系分散相粒子大于100nm，分散相粒子介于两者之间的是胶体分散系。 表1-1 分散系按分散相粒子的大小分类 分子分散系又称为真溶液，其中分散相与分散介质以分子或离子的形式彼此混溶，没有界面，是均匀的单相，分子半径在10-9m以下，分散相粒子相当于单个分子或离子的大小，如CuSO4溶液。 胶体分散系是分散相粒子半径为10-9~10-7m的体系。分散相中的每一个粒子都是由许许多多分子或离子组成的集合体，比单个分子或离子要大得多。虽目测是均匀的，但实际上是多相不均匀体系。以肉眼或普通显微镜来观察胶体，与溶液一样透明，两者几乎没有区别，但在高倍显微镜下可以发现，胶体中的分散相和分散介质是不同的两相。 粗分散系中分散相粒子大于10-7m，目测是浑浊不均匀体系，放置后会沉淀或分层。粗分散系统包括悬浊液和乳状液。悬浊液是指分散相以固体小颗粒的形式分散在液体中形成的多相分散系统，如黄河水、泥浆等都是悬浊液。乳状液是指分散相以小液滴的形式在另一种液体中形成的多相分散系统，如牛奶、某些杀虫剂的乳化液等。 第二节 物质的溶解度 在一定条件（温度、压力）下，一定量的溶剂溶解溶质达到饱和时，所含溶质的量称为溶解度。根据工作需要，溶解度有各种不同的表示法，通常用一定温度下，100g溶剂形成饱和溶液时所溶解溶质的质量（单位为g）表示。如果没有指明溶剂，通常所说的溶解度就是指物质在水里的溶解度。 物质溶解度的大小与很多因素有关，主要取决于溶质和溶剂的本性及外界的温度和压力。 一、固体在液体中的溶解度 温度对固体物质溶解度的影响，可以用实验绘制的溶解度曲线来表示。用纵坐标表示溶解度，横坐标表示温度，根据物质在不同温度时溶解度数据，可以绘出溶解度随温度变化的曲线，叫做溶解度曲线。 常见的几种固体盐类在水中的溶解度曲线见图1-1。 图1-1 溶解度曲线 从图1-1中可见，大多数固体物质的溶解度随温度升高而增大。极少数物质如醋酸钙的溶解度，随温度的升高反而减小。少数固体物质溶解度受温度的影响很小，如NaCl。比较特殊的是硫酸钠的溶解度曲线，有一个转折点（约32.4℃）。在32.4℃以下，与饱和溶液呈平衡的固体是含结晶水的硫酸钠Na2SO4 10H2O，其溶解度随温度升高增大。而在32.4℃以上，与饱和溶液呈平衡的固体是无水硫酸钠Na2SO4，其溶解度随温度上升而减小。 利用不同温度下物质的溶解度不同这一性质，可以对物质进行提纯以除去其中杂质。在实际工作中，常将待提纯物质先加热溶解于适当的溶剂中，使其成为饱和或接近饱和的溶液，趁热滤去不溶性杂质，然后将其冷却，这时随温度降低，物质的溶解度减小，从溶液中析出结晶，而可溶性杂质由于含量少，远未达到饱和而留在母液中。*后过滤，使析出的结晶与母液分离而得到较纯物质。此操作称为重结晶。 二、气体在液体中的溶解度 气体溶解度定义跟固体溶解度不同。由于称量气体的质量比较困难，所以气体物质的溶解度通常用体积来表示。气体的溶解度是指某气体在压强为101kPa和一定温度时溶解在1体积的溶剂中达到饱和状态时的体积。表1-2是一些常见气体在水中的溶解度。 表1-2 一些气体在水中的溶解度（单位：ml L-1） 从表1-2可以看出，温度升高，气体的溶解度减小。相同温度下，不同的气体在水中的溶解度相差很大，这与气体及溶剂的本性有关。H2、O2、N2等气体在水中的溶解度较小，是因为这些气体在溶解过程中不与水发生化学反应，称为物理溶解。而CO2、HCl、NH3等气体在水中的溶解度较大，是因为这些气体在溶解过程中与水发生了化学反应，称为化学溶解。 气体在液体中的溶解度，除与气体的本性、温度有关外，压力对其影响也比较大。压力和分压的单位是帕（或帕斯卡，符号Pa），通常用千帕（符号kPa）表示。 （一）分压定律 混合气体的总压力等于各组分气体分压力之和。这一定律称为分压定律。这种关系可用数学式表示： 式中，p是混合气体的总压力，p1、p2、p3等是各组分气体的分压力。 混合气体中每一种气体的分压力，可由总压力和该气体在混合气体中所占的体积百分数或摩尔分数的乘积来计算： 式中，p为气体总压力，V1为气体1的体积百分数，x1为气体1的摩尔分数。 例1-1人的肺泡气总压力为101.325kPa，37℃时，它的组成用体积百分数表示分别为：O2为13.4%，CO2为5.3%，N2为75%，H2O（蒸汽）为6.3%，试求各气体在肺泡中的分压。 解：pO2=101.325×13.4%=13.6（kPa） pCO2=101.325×5.3%=5.4（kPa） pN2=101.325×75%=76.0（kPa） pH2O=101.325×6.3%=6.4（kPa） （二）亨利定律 1803年亨利（Henry）从实验中总结出一条规律，其内容是：“在一定温度下，气体溶解达到平衡时，气体在液体中的溶解度和气相中该气体的分压成正比。”这一规律称为亨利定律。可用数学式表示 式中，c为气体在液体中溶解度，一般是指1kg水中溶解的气体质量（g）；p为液面上气体的平衡分压；K为常数，是该气-液体系的特征常数。 必须注意，亨利定律只适用于压力不大（一般为202.3~303.9kPa）和溶解度很小的气体。另外，亨利定律只适用于不与溶剂发生化学反应的气体，即溶质在气相和液相中的分子状态必须相同。 例1-2在0℃，平衡压力为303.9kPa，氧气的溶解度为0.2085g/1000g水，求在同温度、平衡压力为202.6kPa下氧气的溶解度。 解：由式（1-3）先求K:K = c/p= 0.2085/303.9 = 0.000 686（g/1000g水 kPa） 对于一定气体和溶剂，在一定温度下，K是一个常数，与气体的压力无关。在平衡压力为202.6kPa时，将K代入式（1-3），则得在水中溶解度为 c = Kp = 0.000 686 × 202.6 = 0.139（g/1000g水） 亨利定律在医学上有许多应用实例。例如，使用麻醉气体时，气体的分压越大，则它在血液中的溶解度就越大。高压氧气舱的压力为202.6~253.25kPa，比常压大，因此溶于患者血液的氧气就越多。利用亨利定律还可以解释潜水病，潜水员在深水时，水压压力大，气体在人体血液中溶解度也大，上浮时，压力减小，气体的溶解度也随之减小，这时溶解在人体的氮气会形成小气泡，影响人体血液循环甚至威胁生命。所以潜水员的氧气瓶中一般用氦气+氧气，因为氦气的溶解度*小，同等压力变化下溶解度变化也小。 三、液体在液体中的溶解度 一种液体在另一种液体中的溶解有三种情况：一是两种液体完全互溶，如乙醇与水、甘油与水等；二是两种液体部分互溶，如乙醚与水等；三是两种液体完全不溶，如苯与水、四氯化碳与水等。 将两种互不混溶的液体放在同一容器中，就会分成两相，密度大的一相位于下层，密度小的一相位于上层。在一定温度下，一种溶质在相互接触的两种互不混溶的溶剂中，溶解达平衡时，溶质在两相中的浓度比是一个常数，这一定律称为分配定律。表示如下式： cA/cB=K（1-4） 式中，cA、cB分别表示溶质在溶剂A、B中的浓度；常数K称为分配系数，它与溶质和溶剂的本性、温度及压力有关。 例如，将水和四氯化碳放在一起，加入少量碘，碘微溶于水、四氯化碳。在这两种液体中的溶解度差别很大（表1-3）。当温度一定时，水中碘的浓度与四氯化碳中碘的浓度比是一个常数。 表1-3 碘在四氯化碳和水中分配情况 利用化合物在两种互不相溶或微溶的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使化合物从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中，这个过程称为萃取。萃取是一种常用的有效的提纯、分离技术。 第三节 溶液的组成量度及计算 溶液是由溶质和溶剂组成的，溶液的性质常常与溶液中溶质和溶剂的相对含量有关。给患者输液或用药时，必须规定药液的量度和用量。因为如果药液过稀，就不会产生明显的疗效，药液过浓对人体有害，甚至会危及患者的生命安全。 溶液的组成量度是用来表示一定量的溶剂或溶液中所含溶质的量。由于“溶质的量”可取物质的量、质量、体积，溶液的量可取体积，溶剂的量常可取质量、体积等，所以在实际生活中我们所遇到的浓度的表示方法是多种多样的。下面重点介绍几种常用的浓度表示方法。 一、物质的量及物质的量浓度 物质的量是国际单位制（缩写为SI）规定的一个基本物理量，用来表示系统中所含基本单元的量，用符号“nB”表示，其单位为摩尔（简称摩），符号mol。摩尔是一系统物质的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0.012kg 12C的原子数目相等时，其物质的量为1mol。1mol 12C所含的原子数，叫阿伏伽德罗常数，用“NA”表示，其数值为6.02×1023。因此，1摩尔任何物质，均含有NA个基本单元。在使用物质的量时，基本单元应予指明，它可以是分子、原子、离子、电子及其他粒子，也可以是这些微粒的特定组合。基本单元要求用加圆括号的化学式（或化学式的组合）表示，而不宜用中文名称。例如，“1摩尔氢”的质量多大？这句话的含义较模糊。当基本单元为微粒特定组合时，通常用加号连接，例如4mol（H2＋0.5O2）就是4mol H2和2mol O2的特定组合。再如，求KMnO4的物质的量时，若分别用KMnO4和1/5KMnO4作基本单元，则相同质量的KMnO4，其物质的量之间有如下关系。 可见，基本单元的选择是任意的，它既可以是实际存在的，也可以根据需要而人为设定。 1mol物质的质量称为该物质的“摩尔质量”，符号为MB，单位为kg mol-1，常用单位为g mol-1。例如，1mol 12C的质量是0.012kg，则12C的摩尔质量MC＝12g mol-1。 任何分子、原子或离子的摩尔质量，当单位为g mol-1时，数值上等于其相对原子质量、相对分子质量或离子式量。若用mB表示B物质的质量，则该物质的物质的量为 物质的量浓度，是指单位体积溶液中所含溶质B的物质的量，以符号cB表示。 式中，nB表示溶液中溶质B的物质的量，V表示溶