Получение и очистка коллоидных растворов. Физико-химия дисперсных систем. Диаметр частиц эмульсий

Применяют, в основном, 2 метода:

Дисперсионный метод – используют дробление твердого вещества до частиц, размером, соответствующих коллоидам. Измельчение производят:

механически при помощи шаровых мельниц, гомогенизаторов или ультразвуковых дезинтеграторов;
с помощью физико-химических способов , таких как пептизация, добавление поверхностно–активных веществ.

Конденсационный метод — укрупнение частиц путем агрегации молекул или ионов, до размеров, соответствующих коллоидам. Это можно реализовать следующими способами:

испарение растворителя;
замена растворителя;
осуществление реакций, в результате которых образуются малорастворимые или нерастворимые вещества – , разложения, гидролиза и др.

Способы очистки коллоидных систем

Коллоидные растворы могут содержать примеси, снижающие их стабильность, вследствие чего производят их очистку. Для этого используют такие методы, как диализ, электродиализ, фильтрация и ультрафильтрация.

Коллоидный раствор наливают в сосуд, в нижней части которого находится мембрана и помещенный в емкость с водой. В растворитель проникают лишь ионы и молекулы низкомолекулярных примесей.

Процесс диализа протекает медленно и для его ускорения используют электрическое поле.

Категории

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ХИМИИ
Коллоидные растворы (часть 1)
1. Основные понятия. Классификация дисперсных
систем.
2. .
3. .
4. Строение мицеллы гидрофобных систем.
5. .
.
Лектор: Ирина Петровна Степанова, доктор биологических
наук, профессор, зав. кафедрой химии

Коллоидная химия («коллоид» – от
греческого κόλλα – клей) – наука,
изучающая физико-химические
свойства гетерогенных
высокодисперсных систем и ВМВ в
твердом состоянии и в растворах.
Коллоидный раствор золота
(экспонат музея Фарадея в
Королевском институте)

Томас Грэм (Грэхэм)
английский/шотладский химик
впервые использовал термин
«коллоид» для описания
растворов с необычными
свойствами.
В развитие этой науки
внесли вклад Т. Юнг,
П. Лаплас, Д. Гиббс,
Г. Гельмгольц, Д. Рэлей
И. Ленгмюр и др.
Т. Грэм (1805-1869)

История развития коллоидной химии

Николай Петрович Песков основатель современной
коллоидной химии как науки о
поверхностных явлениях и
дисперсных системах.
Ввел понятие об агрегативной и
седиментационной
устойчивости дисперсных
систем.
Н. П. Песков (1880-1940)

Медико-биологическое значение темы

Медико-биологическое значение темы
«Человек – это ходячий
коллоид»
И.И. Жуков

Медико-биологическое значение темы

.

Медико-биологическое
значение темы
.

Медико-биологическое значение темы

раствора серебра
a – клетка E.Coli
b – клетка E.Coli, подвергнутая воздействию наночастиц
серебра

Бактерицидная активность коллоидного раствора серебра

Медико-биологическое значение темы
Бактерицидная активность коллоидного
раствора серебра
Популяции of Listeria
До обработки
После обработки
через 1.5 часа

Бионаноматериалы

Медико-биологическое значение темы
Бионаноматериалы
Реагент
Продукт
Клетки костной ткани
на пористом кремнии
Сшитые ферменты

Наноматериалы

Медико-биологическое значение темы
Наноматериалы
Быстрозастывающая наножидкость состоит из
шестимолекулярных колец, которые формируют
трубчатые структуры. Предполагается, что этой
жидкостью будут лечить переломы.

Основные понятия

Два
общих
признака дисперсных
систем: гетерогенность и дисперсность.
Дисперсной системой (ДС) называется
система, в которой одно вещество в более
или менее раздробленном (дисперсном)
состоянии равномерно распределено в
массе другого вещества.

Классификация дисперсных систем

Дисперсная фаза (ДФ) представляет собой частицы, а
дисперсионная среда (ДСр) - сплошная среда, в которой
находится раздробленая дисперсная фаза.
Степень дисперсности (D) определяется величиной,
обратной диаметру частиц (d): D = 1 / d.

Дисперсные системы

Дисперсная
фаза
Дисперсионная
среда
Поверхность
раздела фаз
Пример: система - глина в воде.
Глина - ДФ, вода - ДСр.

Коллоидный раствор серебра

Основные понятия. Классификация дисперсных систем

Поперечный размер частиц ДФ
Для сферических частиц это диаметр сферы d,
для кубических частиц - ребро куба L (м-1; см-1) или
дисперсность (D
= 1/d, м-1, см-1).

Формы дисперсной фазы n

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Формы дисперсной фазы n

Количественные характеристики ДФ

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Количественные характеристики ДФ
Удельная поверхность Syд - это межфазная
поверхность, приходящаяся на единицу объема
ДФ (V) или ее массы (т).
S уд
S
V
4 r 2 3 6
S уд
6D
4 3 r d
r
3
S уд
6l 2 6
3 6D
l
l
Удельная поверхность
Удельная поверхность
для сферической
частицы с радиусом r
Удельная поверхность
для кубической
частицы с ребром куба

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Важным свойством ДС
является наличие большой
межфазной поверхности.
Характерными являются
процессы, протекающие на
поверхности, а не внутри
фазы.

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
По степени дисперсности дисперсные
системы классифицируют на:
1.Грубодисперсные (d ˃ 10-5 см).
2.Коллоидно-дисперсные (10-7 ˂ d ˂ 10-5
см).
3.Молекулярно-дисперсные (истинные
растворы) (d ˂ 10-7 см).

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
d ˂ 10-7 см
Истинный
раствор
d: 10-5 – 10-7 см
Коллоидный
раствор
d ˃ 10-5 см
Суспензия

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Грубодисперсные (d ˃ 10-5 см) – не проходят
через тонкие бумажные фильтры, быстро
оседают, видимы в обычный микроскоп.
Коллоидно-дисперсные (10-7 ˂ d ˂ 10-5 см) –
проходят через бумажные фильтры, но
задерживаются на ультрафильтрах, видимы в
ультрамикроскоп. Структурной единицей
является мицелла.
Молекулярно-дисперсные (истинные растворы)
(d ˂ 10-7 см) – дискретными единицами в них
являются молекулы или ионы. Образуются
самопроизвольно.

Классификация по агрегатному состоянию ДСр и ДФ

ДСр ДФ
Название системы
Г
Г
Ж
Т
-----------Аэрозоли (Туман)
Аэрозоли (Пыль, дым)
Ж
Г
Ж
Т
Пены, газовые эмульсии
Эмульсии
Суспензии, лиозоли
Т
Г
Ж
Т
Твердые пены
------------Твердые золи

Суспензии

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Суспензии

Эмульсии

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Эмульсии

Виды эмульсий

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Виды эмульсий
Масло в воде
Вода в масле
m
Вода
Масло

Диаметр частиц эмульсий

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Диаметр частиц эмульсий
< 0.5 мм
0.5-1.5 мм
1.5-3 мм
>3 мм

Эмульсии

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Эмульсии
Текучая
жидкость
Вязкая
жидкость
Гелеобразная
жидкость

Эмульсии

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Эмульсии

Эмульсии

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Эмульсии

Пена

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Пена

Аэрозоль

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Аэрозоль

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Если ДСр является вода, то системы соответственно
называются гидрофобными и гидрофильными.

Золи и гели

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Золи и гели
Кровь
Сухожилия

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Золь – бесструктурный коллоидный
раствор, в котором частицы ДФ слабо
взаимодействуют между собой и свободно
передвигаются друг относительно друга
(например, золь серебра – колларгол).
По внешнему виду золи напоминают
истинные растворы.

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Гель – структурированный коллоидный
раствор, в котором частицы ДФ связаны
между собой в пространственные структуры
типа каркасов.
В них коллоидные частицы малоподвижны
и способны совершать только
колебательные движения.
По внешнему виду гели
желеобразны (например, зубная
паста Blend-a-med).

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Золь
(раствор)
Гель
(лат. gelate замерзать)

Методы получения коллоидных растворов

По способу достижения
коллоидной степени
дисперсности различают
диспергационные и
конденсационные методы
получения.

Получение лиофобных коллоидных систем

Дисперсия
Вещество
Пересыщенный
истинный раствор
Конденсация

Методы получения коллоидных растворов

Методы диспергирования (от лат. –
измельчать) – получение частиц ДФ путем
дробления крупных частиц на более
мелкие.
Применяют:
механическое дробление (с помощью
шаровых или коллоидных мельниц)
ультразвуковое (под действием
ультразвука)
электрическое (при использовании
электродов).

Методы диспергирования
Коллоидная
мельница

Методы получения коллоидных растворов

Химическое диспергирование –
пептизация (заключается в
химическом воздействии на осадок).

Методы получения коллоидных растворов

Конденсационные методы (от лат. –
укрупнять) – получение частиц ДФ путем
объединения атомов, молекул, ионов.
Различают физическую и химическую
конденсацию.

Методы получения коллоидных растворов

Физическая конденсация – это метод
замены растворителя.
Сначала готовят истинный раствор
вещества в летучем растворителе (например,
канифоль в спирте) и добавляют к жидкости,
в которой вещество нерастворимо (вода).
В результате происходит резкое понижение
растворимости и молекулы вещества
конденсируются в частицы коллоидных
размеров.

Методы получения коллоидных растворов

Химическая конденсация – для
получения коллоидных растворов
используют любые реакции, в
результате которых образуются
малорастворимые соединения
(реакции обмена, гидролиза,
восстановления и др.).

Химическая конденсация

Чтобы в ходе реакции образовался
коллоидный раствор, необходимо
соблюдение, по крайней мере, трех условий:
чтобы вещество ДФ было нерастворимо в
ДСр;
чтобы скорость образования зародышей
кристаллов ДФ была гораздо больше, чем
скорость роста кристаллов;
чтобы одно из исходных веществ было
взято в избытке, именно оно является
стабилизатором.

Примеры реакций химической конденсации

Реакция
восстановления
Ag20 + Н2 → 2Ag↓ + Н20
Реакция
окисления
2H2S + S02 → 3S↓ + 2H20
Реакция
гидролиза
Реакция обмена
100°
FeCl3+ 3H20 → Fe(OH)3 ↓ +
ЗНСl
K4 + 2CuCl2 →
Cu2 ↓ + 4KCl

Методы очистки коллоидных растворов

Коллоидные растворы, как и истинные, хорошо
фильтруются через бумажный пористый фильтр, но,
в отличие от истинных, не проходят через
полупроницаемые мембраны.
На этом основана очистка
коллоидных растворов от
низкомолекулярных
веществ (диализ,
фильтрация,
ультрацентрифугирование).

Диализ

Методы очистки коллоидных растворов
Диализ
Диализ проводят с помощью прибора диализатора. Он состоит из 2 сосудов,
отделенных полупроницаемой мембраной,
способной пропускать молекулы и ионы
низкомолекулярных веществ.
Во внутренний сосуд наливается раствор
золя, во внешнем – циркулирует вода. Примеси
удаляются через мембрану из раствора золя в
растворитель.

Методы очистки коллоидных растворов

Диализатор: 1 - диализуемая жидкость; 2 растворитель; 3 - диализная мембрана; 4 мешалка

Диализ

Методы очистки коллоидных растворов
Диализ

Электродиализ
Для ускорения процесса применяют электродиализ.
Диализуемая
жидкость
Дистиллированная
вода
Дистиллированная
вода
Воронка
Раствор
примесей
Диализная
мембрана

Электродиализ

Электродиализ
применяют
для
обессоливания.
Например,
для
опреснения морской
воды.

Диализ

По принципу компенсационного диализа
работает аппарат «искусственная почка».
Аппарат подключают к системе
кровообращения больного, кровь под
давлением протекает между двумя
мембранами, омываемыми снаружи
физраствором.
При этом токсичные вещества крови
вымываются в физраствор, что способствует
очищению крови.

Диализ
До диализа
В Момент
равновесия

Методы очистки коллоидных растворов

Для очистки коллоидных растворов от
грубодисперсных частиц проводят
фильтрование через обычные бумажные
фильтры. Грубодисперсные частицы
задерживаются на фильтре.
Для отделения ДФ от ДС, применяют
ультрафильтрацию. При этом используют
специальные фильтры, не пропускающие
коллоидные частицы или макромолекулы.
Как правило, ультрафильтрацию проводят
под давлением.

Методы очистки коллоидных растворов

Прибор для
ультрафильтрации: 1
- воронка Бюхнера;
2 - мембрана;
3 - колба Бунзена;
4 - насос

Методы очистки коллоидных растворов

Для разделения частиц ДФ, имеющих
различную массу, применяют
ультрацентрифугирование.
При этом разделение частиц
происходит в центробежном поле
больших ускорений в центрифугах. Так,
разделяют фракции белков.

Строение мицеллы
гидрофобных систем
Строение коллоидных частиц и
возникновение на них заряда объясняет
мицеллярная теория коллоидных систем.

Строение мицеллы

Заряд на коллоидных частицах возникает
либо за счет ионизации молекул,
находящихся на поверхности твердой
фазы, либо в результате избирательной
адсорбции на твердой фазе.

Строение мицеллы

Рассмотрим второй случай –
образование мицеллы AgI в KI.
AgNO3 + KI (избыток) = AgI +
KNO3
Осадок AgI находится в избытке
раствора KI.
Избыток электролита выполняет
роль стабилизатора.

Строение мицеллы

При этом образуется мицелла, имеющая следующее
строение:
K
K
K
K
I
I
+
+
K
+
I
+
+
агрегат
K
I
+
I
AgI I
I
I I
K
+
ядро
адсорбционный
слой
гранула
мицелла
потенциалопределяющие ионы (п.о.и.)
K
+
K
плотный слой противоионов (п.и.)
+
K
+
диффузный слой противоионов

Строение мицеллы

Осадок AgI является агрегатом мицеллы.
На твердой кристаллической поверхности
осадка в соответствии с правилом Панета-Фаянса
будут адсорбироваться ионы I-, достраивая
кристаллическую решетку и сообщая частицам
отрицательный заряд.
Ионы I- называются потенциалопределяющими.

Строение мицеллы

Агрегат и потенциалопределяющие ионы
составляют ядро мицеллы.
К отрицательному заряду будут
притягиваться противоионы K+, образуя
плотный слой противоионов.
Потенциалопределяющие ионы и
противоионы плотного слоя вместе
образуют адсорбционный слой.

Строение мицеллы

Адсорбционный слой вместе с агрегатом
составляют гранулу (или частицу). Гранула
заряжена, её заряд определятся знаком и
величиной заряда потенциалопределяющих
ионов.
Часть противоионов, не вошедших в
адсорбционный слой, образуют диффузный
слой.
Гранула и диффузный слой составляют
мицеллу.
Мицелла,
таким
образом,
электронейтральна.

Строение мицеллы.

Формула мицеллы AgI в KI:
x
ядро
] nI
n
x
K
xK
m количеством 100-1000 (микрокристаллов) – ядро, является зародышем новой фазы, на поверхности которого происходит адсорбция ионов электролита, находящихся в дисперсионной среде. Согласно правилу Панета - Фаянса лучше адсорбцируются ионы, одинаковы с ионами, которые входят в кристаллическую решетку ядра и достраивают эту решетку. Ионы, которые адсорбируются непосредственно на ядре, называются потенциалопределяющие , так как они определяют величину потенциала и знак заряда поверхности, а также и знак заряда всей частицы. Потенциалопределяющими ионами в данной системе являются ионы I - , которые находятся в избытке, входят в состав кристаллической решетки ядра AgI, выполняют роль стабилизаторов и составляют внутреннюю оболочку в жесткой части двойного электрического слоя (ДЭС) мицеллы. Агрегат с адсорбированными на нем ионами I - образует ядро мицеллы.

К отрицательно заряженной поверхности частиц AgI на расстоянии, близком к радиусу гидратированного иона, из раствора притягиваются ионы противоположного знака ( противоионы ) - положительно заряженные ионы К + . Слой противоионов - внешняя оболочка двойного электрического слоя (ДЭС), удерживается как электростатическими силами, так и силами адсорбционного притяжения. Агрегат молекул вместе с твердым двойным слоем называется коллоидной частицей - гранула .

Часть противоионов вследствие теплового движения размещается диффузно вокруг гранулы, и связаны с ней только за счет электростатических сил. Коллоидные частицы вместе с окружающим ее диффузным слоем называется мицелла . Мицелла электронейтральна, так как заряд ядра равен заряду всех противоионов, а гранула обычно имеет заряд, который называется электрокинетический или ξ - дзета - потенциал. В сокращенном виде схему строения мицеллы для данного примера можно записать в таком виде:

Одним из основных положений теории строения коллоидных частиц является представление о строении двойного электрического слоя (ДЭС). Согласно современным представлениям, двойной электрический слой ДЭС состоит из адсорбционного и диффузионного слоев. Адсорбционный слой состоит из:

заряженной поверхности ядра мицеллы в результате адсорбции на ней потенциалопределяющих ионов, которые определяют величину потенциала поверхности и его знак;
слоя ионов противоположного знака - противоионов, которые притягиваются из раствора к заряженной поверхности. Адсорбционный слой противоионов находится на расстоянии молекулярного радиуса от заряженной поверхности. Между этой поверхностью и противоионами адсорбционного слоя существуют как электростатические, так и адсорбционные силы, и поэтому эти противоионы связаны особенно прочно с ядром. Адсорбционный слой очень плотный, толщина его постоянная и не зависит от изменения внешних условий (концентрации электролита, температуры).

Вследствие теплового движения часть противоионов проникает вглубь дисперсионной среды, и их притяжение к заряженной поверхности гранулы осуществляется только за счет электростатических сил. Эти противоионы составляют диффузный слой , который менее прочно связан с поверхностью. Диффузный слой имеет переменную толщину, которая зависит от концентрации электролитов в дисперсионной среде.

При движении твердой и жидкой фаз друг относительно друга возникает разрыв ДЭС в диффузной части и на границе раздела фаз возникает скачок потенциала, который называют электрокинетическим ξ - потенциалом (дзета - потенциал). Его величина определяется разницей между общим количеством зарядов (φ) потенциалопределяющих ионов и количеством зарядов противоионов (ε), содержащиеся в адсорбционном слое, т.е. ξ = φ - ε. Падение межфазного потенциала при удалении от твердой фазы вглубь раствора показано на рис.10.5.

Рисунок 10.5 Строение ДЭС

Наличие разницы потенциалов вокруг частиц гидрофобного золя препятствует их слипанию при столкновении, то есть являются фактором агрегатной устойчивости золя. Если количество диффузных ионов уменьшается или стремится к нулю, то гранула становится электронейтральной (изоэлектрической состояние) и имеет наименьшую устойчивость.

Таким образом, величина электрокинетического потенциала определяет силы отталкивания, а следовательно и агрегатную устойчивость коллоидного раствора. Достаточная устойчивость коллоидного раствора обеспечивается при величине электрокинетического потенциала ξ = 0,07В, при значениях меньших ξ = 0,03В силы отталкивания слишком слабые, чтобы противостоять агрегации, а потому происходит коагуляция, которая неизбежно заканчивается седиментацией.

Величину электрокинетического потенциала можно определить с помощью прибора для электрофореза по формуле (10.5):

где η - вязкость; ϑ - скорость перемещения частиц; l - расстояние между электродами вдоль раствора; Е - электродвижущая сила, D - диэлектрическая постоянная.

Факторы, влияющие на ξ - потенциал:

Наличие в растворе индифферентного электролита - электролита, который не содержит потенциалопределяющий ион.

Индифферентный электролит содержит противоион. В таком случае происходит сжатие диффузионного слоя и падение ξ и как следствие - коагуляция.
Индифферентный электролит содержит ион однознаковий с противоионом, но не сам противоион. В этом случае происходит ионный обмен: противоион замещается на ионы индифферентного электролита. Наблюдается падение ξ, но степень падения будет зависеть от природы иона - заместителя, его валентности, степени гидратованости. Лиотропные ряды катионов и анионов – ряды, в которых ионы располагаются по увеличении их способности сжимать диффузный слой и вызвать падение ξ - потенциала.

Li + - Na + - NH 4 + - K + - Rb + - Cs + - Mg 2+ - Ca 2+ - Ba 2+ …

CH 3 COO – - F – - NO 3 – - Cl – - I – - Br – - SCN – - OH – - SO 4 2–

2. Добавление раствора электролита-стабилизатора – электролита, содержащего потенциалопределяемый ион, вызывает увеличение ξ - потенциала, а значить способствует устойчивости коллоидной системы, но до определенного предела.

Устойчивость и коагуляция коллоидных систем

Современную теорию устойчивости и коагуляции коллоидных систем создавали несколько известных ученых: Дерягина, Ландау, Фервей, Овербек и потому ее сокращенно называют теория ДЛФО . Согласно этой теории устойчивость дисперсной системы определяется балансом сил притяжения и отталкивания, возникающих между частицами при их сближении в результате броуновского движения. Различают кинетическую и агрегатную устойчивость коллоидных систем.

Кинетическая (седиментационная) устойчивость - способность дисперсных частиц находиться во взвешенном состоянии и не оседать (не седиментировать). В дисперсных системах, как и в природных растворах, существует броуновское движение. Броуновское движение зависит от размеров частиц, вязкости дисперсной среды, температуры и т.д. Тонкодисперсные системы (золи), частицы которых практически не оседают под действием силы тяжести, относятся к кинетически (седиментационно) устойчивым. К ним также относятся гидрофильные золи - растворы полимеров, белков и т.д. Гидрофобные золи, грубодисперсные системы (суспензии, эмульсии) кинетически неустойчивы. В них достаточно быстро проходит разделение фазы и среды.
Агрегатная устойчивость - способность частиц дисперсной фазы сохранять определенную степень дисперсности неизменной. В агрегатноустойчивых системах частицы дисперсной фазы при столкновения не слипаются и не образуют агрегатов. Но при нарушении агрегатной устойчивости коллоидные частицы образуют крупные агрегаты с последующим выпадением дисперсной фазы в осадок. Такой процесс называется коагуляцией , и протекает он самопроизвольно, так как при этом уменьшается свободная энергия системы (Δ G <0) .

К факторам, которые влияют на стабильность коллоидных систем, относятся:

Наличие электрического заряда дисперсных частиц. Дисперсные частицы лиофобных золей имеют одинаковый заряд, и поэтому при столкновении они будут отталкиваться друг от друга тем сильнее, чем выше дзета - потенциал. Однако электрический фактор не всегда является определяющим.
Способность к сольватации (гидратации) стабилизирующих ионов. Чем больше гидратированные (сольватированы) противоионы в диффузном слое, тем больше общая гидратная (сольватная) оболочка вокруг гранул и тем стабильнее дисперсная система.

Согласно теории при броуновском движении коллоидные частицы свободно сближаются на расстояние до 10 -5 см. Характер изменения ван-дер-ваальсовых сил притяжения (1) и электростатических сил отталкивания (2) между коллоидными частицами показан на рис. 10.6. Результирующая кривая (3) получена путем геометрического сложения соответствующих ординат. При минимальных и больших расстояниях, между частицами преобладает энергия притяжения (I и II энергетические минимумы). В II энергетическом минимуме энергия сцепления частиц недостаточна для удержания их в агрегатированном состоянии. На средних расстояниях, соответствующих толщине двойного электрического слоя, преобладает энергия отталкивания с потенциальным барьером AB, препятствующим слипанию частиц. Практика показывает, что при дзета-потенциале ξ = 70 мВ коллоидные системы характеризуются высоким потенциальным барьером и большой агрегативной устойчивостью. Для дестабилизации коллоидной системы, т.е. осуществления процесса коагуляции, необходимо снизить  -потенциал до значений 0 - 3 мВ.

Рисунок 10.6. Потенциальные кривые взаимодействия коллоидных частиц

Коагуляция дисперсных систем

Коагуляция - процесс слипания коллоидных частиц. Данный процесс протекает сравнительно легко под действием самых различных факторов: введение электролитов, неэлектролитов, замораживание, кипячение, перемешивания, действия солнечного света и т.д.. В процессе электролитической коагуляции (под воздействием электролитов) часто наблюдается ионообменная адсорбция: ионы коагулянта с большей валентностью или большим адсорбционным потенциалом вытесняют противоионы сначала диффузного слоя, а затем и адсорбционного слоя. Обмен проходит в эквивалентном количестве, но замена противоионов приводит к тому, что при достаточной концентрации электролитов в дисперсной среде частицы теряют устойчивость и при столкновении слипаются.

Для электролитической коагуляции установлен ряд экспериментальных общих правил:

1. Коагуляцию лиофобных золей вызывают любые электролиты, но с заметной скоростью она наблюдается при достижении определенной концентрации электролита. Порог коагуляции (С к) - это минимальная концентрация электролита необходимая для начала коагуляции золя. При этом наблюдаются внешние изменения, такие как помутнение раствора, изменение его окраски и т.д.

где Сэл - молярная концентрация электролита, ммоль/л;
Vэл - объем раствора электролита, л;
Vз - объем золя, л.

Величина, обратная порогу коагуляции, называется коагулирующей способностью () электролита:

где Ск – порог коагуляции.

2. Правило Шульца – Гарди :

коагулирующее действие проявляет тот ион, заряд которого по знаку противоположный заряду поверхности коллоидных частиц (заряду гранулы), причем это действие возрастает с увеличением валентности иона;
коагулирующий влияние ионов многократно увеличивается с увеличением валентности ионов. Для одно - двух и трехвалентного ионов коагулирующее действие примерно относятся как 1: 50: 500.

Это объясняется тем, что многовалентные высокозарядных ионы коагулянтов значительно сильнее притягиваются заряженой поверхностью коллоидной частицы, чем одновалентные, и значительно легче вытесняют противоионы из диффузного и даже адсорбционного слоя.

3. Коагулирующее действие органических ионов значительно выше, чем неорганических. Это связано с их высокой адсорбционной способностью, возможностью адсорбироваться в надэквивалентном количестве, а также вызвать перезарядку поверхности коллоидных частиц.

4. В ряде неорганических ионов с одинаковыми зарядами коагулирующая способность зависит от радиуса иона - коагулянта: чем больше радиус, тем больше коагулирующая способность (см. лиотропные ряды ). Это объясняется тем, что степень гидратации ионов уменьшается, например, от L + к Cs + , а это облегчает его внедрение в двойной ионный слой.

5. С наибольшей скоростью коагулируют электронейтральные частицы лиофобных коллоидных золей.

6. Явление привыкания золя. Если к золю быстро добавить коагулянт, то происходит коагуляция, если же медленно - коагуляция отсутствует. Это можно объяснить тем, что между электролитом и золем происходит реакция, в результате которой, образуются пептизаторы, которые стабилизируют дисперсную систему:

Fe (OH) 3 + HCl →FeOCl + 2H 2 O ,

FeOCl → FeO + + Cl - ,

где FeO + - пептизатор для золя Fe (OH) 3 .

Коагулирующее действие смеси электролитов проявляется по-разному в зависимости от природы иона - коагулятора. В смеси электролитов действие может суммироваться с коагулирующем действием каждого электролита. Это явление называется аддитивность ионов (NaCl , KCl). Если коагулирующее действие ионов электролита уменьшается при введении ионов другого электролита наблюдается антагонизм ионов (LiCl , MgCl 2 ). В случае, когда коагулирующее действие ионов электролита увеличивается при введении ионов другого электролита такое явление называется синергизм ионов .

Введение например 10 мл 10 % раствора NaCl в 10 мл золя Fe (OH) 3 приводит к коагуляции этого золя. Но этого можно избежать, если дополнительно ввести в раствор золя одно из защитных веществ: 5 мл желатина, 15 мл яичного альбумина, 20 мл декстрина.

Защита коллоидных частиц

Коллоидная защита - повышение агрегатной устойчивости золя путем введения в него высокомолекулярного соединения (ВМС). Для гидрофобных золей в качестве ВМС обычно используются белки, углеводы, пектины; для неводных золей - каучуки.

Защитное действие ВМС связано с образованием на поверхности коллоидных частиц определенного адсорбционного слоя (Рисунок 10.7). Явление обратное коагуляции называется пептизация .

Рисунок 10.7 Механизм пептизации

Для характеристики защитного действия различных ВМС Зигмонди предложил использовать золотое число. Золотое число - это количество миллиграммов ВМС, которое надо добавить к 10 см 3 0,0006 % - го красного золя золота, чтобы предотвратить его посинение (коагуляцию) при добавлении к нему 1см 3 10 % раствора NaCl. Иногда для характеристики защитного действия ВМС вместо золя золота используются коллоидные растворы серебра (серебряное число), гидроксида железа (железное число) и др. В таблице 10.2 приведены значения этих чисел для некоторых ВМС.

Таблица 10.2 Защитное действие ВМС

V. Способы и методы обеззараживания и/или обезвреживания медицинских отходов классов Б и В

Абсорберы, применяемые для очистки выбросов. Их характеристика и область применения.

Для удаления низкомолекулярных примесей (в частности, дестабилизирующих электролитов) золи после получения часто подвергают очистке. Методами очистки золей являются диализ и ультрафильтрация.

Диализ основан на разнице в скорости диффузии небольших молекул или ионов и частиц коллоидных размеров через полупроницаемую перегородку – мембрану. Для этих целей применяют мембраны, изготовленные из животных и растительных перепонок, задубленного желатина, мембраны из коллодия, ацетата целлюлозы и целлофана, пергаментной бумаги, керамических пористых материалов и др.

Небольшие молекулы и ионы из золя проникают через мембрану и диффундируют в воду, контактирующую с мембраной, а молекулы воды при этом проникают через мембрану в обратном направлении. В результате после очистки коллоидная система оказывается разбавленной. Очистка коллоидных растворов таким способом требует значительного времени (дни, недели и даже месяцы). Для ускорения диализа можно применять разные приемы, например, увеличивать площадь мембраны, уменьшать слой очищаемой жидкости или часто менять внешнюю жидкость (воду), повышать температуру, прикладывать электрическое поле (электродиализ). В частности, электродиализ позволяет закончить процесс диализа в течение нескольких часов. В производственных условиях диализом очищают от солей белки (желатин, агар-агар, гуммиарабик), красители, силикагель, дубильные вещества и др.

В процессе ультрафильтрации мембраной задерживаются частицы дисперсной фазы или макромолекулы, а дисперсионная среда с нежелательными низкомолекулярными примесями проходит через мембрану. Ультрафильтрация относится к баромембранным процессам, в отличие от диализа ее проводят под давлением. При ультрафильтрации достигают высокой степени очистки золей при одновременном их концентрировании. Иногда говорят, что ультрафильтрация – это диализ, проводимый под давлением, хотя это и не совсем верно (особо любознательные из Вас могут подумать почему).

Применение мембран с определенным размером пор позволяет разделить коллоидные частицы на фракции по размерам и ориентировочно определить эти размеры. Так были найдены размеры некоторых вирусов. Все это говорит о том, что ультрафильтрация является не только методом очистки коллоидных систем, но и может быть использована как способ дисперсионного анализа и для препаративного разделения дисперсных систем.

Интересным примером сочетания диализа и ультрафильтрации является аппарат «искусственная почка», предназначенный для временной замены функции почек при острой почечной недостаточности. Он воспроизводит такие функции почек, как выделение отработанных продуктов из крови, регулирование кровяного давления и водно-электролитного баланса. В искусственной почке из плазмы (плазма – жидкая часть крови) удаляются мочевина, мочевая кислота, креатинин, ионы калия, токсины и другие вещества Аппарат оперативным путем подключается к системе кровообращения больного. Кровь под давлением, создаваемым пульсирующим насосом («искусственное сердце»), протекает в узком зазоре между двумя мембранами, омываемыми снаружи физиологическим раствором (физиологические растворы – это водные растворы, близкие по солевому составу, величине рН и другим свойствам к крови здорового человека, например, раствор, содержащий 0,9 % NaCl и 4,5 % глюкозы). Благодаря большой площади мембран (~15000 см2) из крови за 3-4 часа удаляются все вышеперечисленные «шлаки».

Размер пор мембран для ультрафильтрации составляет величину от 1 до 10 нм. Если использовать мембраны с более тонкими порами (менее 1 нм), то происходит задержка не только дисперсных частиц, но и относительно крупных молекул и даже ионов (размер ионов в водном растворе довольно значителен благодаря образованию гидратной оболочки). Правда для проведения такого процесса требуется рабочее давление большее, чем в случае ультрафильтрации. Этот баромембранный процесс называется гиперфильтрацией или обратным осмосом.

Интересно отметить, что метод гиперфильтрации наряду с методом перегонки применяется в быту и промышленности для очистки и деионизации воды.

В результате диализа и ультрафильтрации из золей за счет избирательного переноса частиц через мембрану удаляются электролиты. Различия между этими процессами заключаются в механизме и движущей силе переноса вещества. В случае диализа очистка осуществляется за счет диффузии ионов или молекул, которые преимущественно имеют размер, существенно меньший, чем размер коллоидных частиц, а в случае ультрафильтрации разделение ионов, молекул и коллоидных частиц происходит по принципу сита. Движущая сила ультрафильтрации – градиент давления, а не градиент концентрации, как в случае диализа. В процессе очистки диализом золь разбавляется, а при ультрафильтрации – концентрируется.

Заключение
Коллоидные дисперсные системы (дисперсии) – микрогетерогенные образования, в которых одно мелкораздробленное вещество – дисперсная фаза – равномерно распределено (диспергировано) в другой фазе – дисперсионной среде. В коллоидных системах размер частиц дисперсной фазы составляет 10 –9 –10 –7 м, т.е. лежит в интервале от нанометров до долей микрометров. Эта область превосходит размер типичной малой молекулы, но меньше размера объекта, видимого в обычном оптическом микроскопе.
Вся природа - организмы животных и растений, гидросфера и атмосфера, земная кора и недра - представляет собой сложную совокупность множества разнообразных и разнотипных грубодисперсных и коллоидно-дисперсных систем. Дисперсное состояние вполне универсально и при соответствующих условиях в него может перейти любое тело. Этим определяется особое положение коллоидной химии – науки, занимающейся изучением коллоидных систем и их поверхностных явлений, развитие которой осуществляется в непосредственном контакте и взаимодействии со многими, часто не связанными между собой областями науки, промышленности, медицины и сельского хозяйства.
Важный вклад в изучение коллоидных систем организма человека внесли труды Л. Михаэлиса, Г.Шаде, В. Оствальда, П. Ребиндера, Ф.Гофмейстера, Э. Абдергальдена, Г.Фрейндлиха и др.
Коллоидная химия изучает все многообразие коллоидных систем, включающее следующие их типы:
1.Золи. 2. Гели.3. Эмульсии. 4. Пены. 5. Аэрозоли.
Основными свойствами коллоидного состояния веществ в биологических системах являются: 1.Броуновское движение частиц дисперсной фазы. 2. Неспособность к ультрафильтрации и прохождению их через полупроницаемые мембраны. 3. Низкие значения или отсутствие осмотического потенциала. 4.Способность к коагуляции. 5. Поверхностные свойства – способность к адсорбции различных веществ. 5. Переходы золь-гель и обратно.6. способность к набуханию.
Глобальная роль коллоидов заключается в том, что они являются основными компонентами таких биологических образований как живые организмы. Все вещества организма человека представляют собой коллоидные системы.
Коллоиды поступают в организм в виде пищевых веществ и в процессе пищеварения превращаются в специфические, характерные для данного организма коллоиды.
Коллоидно-химическая физиология человека – это раздел науки, изучающий функционирование систем организма человека, образующих коллоидные соединения.Можно сказать, что весь организм человека – это сложная коллоидная система в ее связи с поверхностными явлениями.
Из коллоидов, богатых белками, состоят кожа, мышцы, ногти, волосы, кровеносные сосуды, легкие, весь желудочно-кишечный тракт и многое другое, без чего немыслима сама жизнь.
С точки зрения коллоидно-химической физиологии человека его организм представляет собой сложный комплекс коллоидных систем в их постоянном динамическом взаимодействии. Мельчайшей структурно-функциональной единицей организма является клетка. Уже сама клетка представляет собой сложный комплекс коллоидных образований, основными из которых являются клеточные мембраны, гиалоплазма, ядро, ЭПР и др. Основными функциями коллоидов мембран клетки являются: барьерная, метаболическая, разделительную, каркасную, защитную поддержания тургора в растительных клетках, транспортная, контактная (плазмодесмы, десмосомы), ферментативная и другие. Мембраны принимают участие в образовании клеточных органелл (ядра, митохондрий, лизосом, комплекса Гольджи и др.). Одной из важнейших функций мембран является их участие в лиганд-рецепторном взаимодействии (гликокаликс), обеспечивающем «узнавание» и распознавание чужеродной антигенной информации и обеспечение так называемых клеточных контактов.
Гиалоплазма клеток также представляет собой сложную коллоидно-дисперсную систему, в функции которой входит формирование цитоскелета клетки (коллоидно-белковая система, пронизывающая клетку). Цитоскелет обеспечивает движение клеток, цитоплазмы, органелл, транспорт веществ и формирует каркас клетки. Гиалоплазма и ее коллоиды объединяют клетку в единое целое.
Наиболее изученной является такая коллоидная система организма как кровь. Кровь – это совокупность дисперсных систем. В плазме крови дисперсной фазой являются белки и жиры, а дисперсной средой вода. В свою очередь, форменные элементы крови могут рассматриваться как дисперсная фаза по отношению к плазме, которая в этом случае выполняет роль дисперсной среды. Сами клетки крови – тромбоциты, эритроциты, лейкоциты представляют собой, как и любые другие клетки организма, сложные по составу дисперсные системы. Важнейшие функции крови – дыхательная, питательная, транспортная, выделительная, терморегуляционная, регуляторная (pH, гормоны и др.), защитная (системы свёртывания - противосвёртывания, антитела, цитокины).
Практически любая жидкость или ткань организма человека представляет собой коллоидно-дисперсную среду. Таковыми являются, например, лимфа, молоко содержимое желудочно-кишечного тракта, желчь, спинномозговая жидкость, моча.
Моча представляет собой гидрофильный золь, состоящий из мицелл уратов, фосфатов и оксалатов. Молоко грудных желез и лимфа это сочетание эмульсии с белковым золем. Соединительнотканные волокна это гели.
При патологических изменениях в организме в коллоидном состоянии находятся белки отечной жидкости (транссудаты) или белки в воспалительных экссудатах. Нарушение коллоидных свойств вышеуказанных сред организма приводят в крови к образованию тромбов, и как следствие развитие инсультов и инфарктов. В желчи и моче при этом образуются камни, в суставной ткани – выпадение солей мочевой кислоты (подагра).
Таким образом, коллоидные системы суть основа химического состояния всех веществ, из которых построены клетки, ткани и органы организма человека. Этим и обусловлено многообразие функций, которые обеспечивают в организме коллоидные системы. Многообразие их функций можно условно разделить на 3 группы, которые безусловно тесно связаны между собой.
1.Функции, связанные с физико-химическими свойствами коллоидов:
1.1 Обеспечение и регуляция проницаемости мембран
1.2 Регуляция онкотического и (в меньшей степени) осмотического давления.
1.3 Обеспечение и регуляция поверхностного натяжения сред организма.
1.4 Регуляция рН
1.5 Ферментативная функция.
1.6 Детоксикация организма.
2.Функции общебиологического значения:
2.1 Барьерная и разделительная.
2.2 Опорно-двигательная.
2.3 Транспортная
2.4 Питательная.
2.5 Биосинтетическая.
2.6 Дыхательная.
2.7 Выделительная.
2.8 Терморегуляционная.
2.9 Репродуктивная.
2.10 Обеспечение клеточных контактных взаимодействий и распознавание генетической информации.
2.11 Защитная (иммунологические реакции, антитела – иммуноглобулины).
3.Специфические функции:
3.1 Регуляторные белки (гормоны, медиаторы иммунитета – цитокины, и др.)
3.2 Обеспечение свертывания крови и фибринолиза
3.3 Регуляция сосудистого тонуса (калликреин-кининовый каскад, система белков ренин-ангиотензин и др.).
3.4 Обеспечение иммунологических реакций (каскад белков системы комплемента и др.).
3.5 Рецепторная.
Применение коллоидов находит все большее применение в медицинской практике.
От использования простых коллоидных золей для местной заживляющей терапии и применения солей алюминия и магния для понижения кислотности желудка до использования гидрокси алюминия в качестве стабилизатора и носителя лекарственных веществ и далее к использованию липосом и нанокапсул.