 |
Способы получения коллоидных растворов.
|
|
|
|
Получить коллоидные растворы можно двумя путями. Первый путь — это путь укрупнения более мелких частиц, так называемый конденсационный путь. Например, чтобы получить рубиновое стекло, нужно приготовить коллоидный раствор золота в стеклянной массе. Для этого в расплавленное стекло добавляют соли золота, которые разлагаются с выделением атомов чистого металла. Атомы золота начинают группироваться в более крупные чаг стицы, а когда они достигнут нужных размеров, стекло охлаждают и укрупнение частиц прекращается.
Второй путь — дисперсионный. При этом происходит дробление крупных частиц на более мелкие. Это осуществляется с помощью коллоидных мельниц или ультразвука.
С коллоидами мы встречаемся повсеместно: любая растительная или животная клетка содержит белок в виде коллоидного раствора. Во многих отраслях промышленности (мыловаренная, маргариновая, фармацевтическая, производство искусственного волокна) специально изготовляются коллоиды. Для многих отраслей коллоиды служат сырьем, например для резиновой, кондитерской, бумажной, текстильной промышленности.
http://znaesh-kak.com/x/a/1-2/%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%BB%D0%BE%D0%B8%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B5-%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE%D1%80%D1%8B
По размерам частиц дисперсные системы делят на три типа: 1. Грубодисперсные системы (суспензии, эмульсии, порошки, грубые взвеси) – размер ча- стиц больше 1 мкм (10–6 м), а удельная поверхность меньше 1м2 /г; 2. Системы средней дисперсности – частицы 1 – 0,1 мкм (10–6 – 10–7 м); Иногда их объединя- ют с грубодисперсными системами. 3. Коллоидно–дисперсные системы (или золи) имеют размер частиц 100 – 1 нм (10–7 – 10–9 м), а удельную поверхность больше 10 м2 /г. Далее идут истинные (молекулярные и ионные) растворы, которые имеют размер частиц ме- нее 10–9 м. Здесь уже нет поверхности раздела фаз и их не относят к дисперсным системам.
|
|
|
Таблица 1.
Отличия дисперсных систем и растворов Грубодисперсные системы Коллоидные системы Истинные растворы Непрозрачные Прозрачные, опалесциируют Прозрачные, не опалесциируют Имеют поверхность раздела фаз Имеют поверхность раздела фаз Не имеют поверхности раздела фаз Частицы не проходят через бумажный фильтр Частицы проходят через бу- мажный фильтр, но задержива- ются целлофаном Частицы проходят через бумаж- ный фильтр и целлофан Нестойкие кинетически и термодинамически Относительно стойкие кинети- чески Стойкие кинетически и термоди- намически Со временем стареют Со временем стареют Со временем не стареют Частицы видны в оптический микроскоп Частицы видны в электронный микроскоп Частицы не видны в современ- ных микроскопах В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсной среды гете- рогенные системы делят на твердые, жидкие, газообразные (таблица 2).
Таблица 2. Типы гетерогенных систем Дисперсная фаза Дисперсная среда (растворитель) Сокращенное обозначение Примеры систем Жидкость Газ ж/г Туманы, аэрозоли жидких веществ Твердое тело Газ т/г Дымы, аэрозоли твердых веществ Газ Жидкость г/ж Пены, газовые эмульсии Жидкость Жидкость ж/ж Эмульсии (молоко) Твердое тело Жидкость т/ж Суспензии и коллоидные растворы Газ Твердое тело г/т Твердые пены, пемза, активные угли Жидкость Твердое тело ж/т Гели, студни Твердое тело Твердое тело т/т
Сплавы металлов, природные минералы По типу взаимодействия дисперсной фазы и дисперсной среды различают:
Лиофильные системы – в которых дисперсные частицы сильно взаимодействуют с растворителем. В случаях, когда растворителем является вода, их можно назвать гидрофиль- ными системами. Например – растворы белков или полисахаридов в воде; Лиофобные системы – в которых частицы слабо взаимодействуют с растворителем. Если растворителем является вода, системы называют гидрофобными, так как поверхность частиц слабо смачивается водой. Примеры – коллоидные растворы благородных металлов. 2. Условия и способы получения коллоидных растворов. Термин “коллоидный” раствор предложил Томас Грем (от латинского слова cоlа – клей), ко- торый заметил их сходство с растворами клеящих веществ. Коллоидные растворы занимают промежуточное место между грубодисперсными системами и истинными растворами. Для приготовления коллоидных растворов необходимо придерживаться определенных условий: 1. Размеры частиц должны быть в пределах 10–7 – 10– 9 м. 2. Необходимы ионы электролитов, которые образуют ионный слой вокруг коллоидной ча- стицы, придавая ей стабильность. 3. Дисперсная фаза гидрофобных коллоидных растворов должна иметь низкую раствори- мость в воде. Различают 2 группы методов получения коллоидных растворов: Дисперсионный ме- тод заключается в измельчении вещества до мелких частиц: 1) механическим способом (ша- ровые мельницы, гомогенизаторы, ультразвуковые дезинтеграторы); 2) физико-химическим способом – метод пептизации, когда осадок вещества переводиться в коллоидное состояние добавлением поверхностно–активных соединений - мыла, белков. Конденсационный метод направлен на увеличение размеров
|
|
|
частиц путем агрегации молекул или ионов. Для этого используют: 1) испарение растворителя, вследствие чего идет конденсация твердой фазы; 2) замена растворителя, например, если спиртовой раствор холе- стерина вылить в воду; 3) использование реакций, в которых осадки формируются из мелких частиц. Так, получение коллоидного раствора йодида серебра идет по реакции замещения: KJ + AgNO3 → AgJ ↓ + KNO3 Коллоидные растворы можно получать в реакциях восстановления, окисления и гидролиза: Ag2O + H2 → 2Ag↓ + H2O 2 H2S + SO2 → 3 S↓ + 2Н2О FeCl3 + 3H2O → Fe(OH)3↓ + 3 HCl 3. Методы очистки коллоидных растворов. Очистка коллоидных растворов необхо- дима для устранения избытка ионов, посторонних примесей, присутствие которых уменьша- ет их стабильность. Диализ - заключается в удалении низкомолекулярных примесей путем их диффузии через полупроницаемую мембрану. Для этого коллоидный раствор вводят в мешочек из та- кой мембраны (например из целлофана) и погружают в дистиллированную воду. Молекулы или ионы с размером меньшим, чем поры мембраны, будут переходить из раствора в воду. Для ускорения создают электрическое поле (электродиализ), что ускоряет переход ионов. Принципы диализа используются в аппарате “искусственная почка”, где поток крови пропускают через искусственные полупроницаемые мембраны. С одной стороны мембраны циркулирует компенсационная жидкость, например – физиологический раствор, а с другой - кровь пациента. В результате в компенсационную жидкость переходят избыточные количе- ства метаболитов и токсинов, которые накапливаются при заболеваниях почек. Ультрафильтрация. Проводят фильтрование коллоидного раствора через полупрони- цаемую мембрану при повышенном давлении. При этом коллоидные частицы задерживают- ся мембраной, а примеси покидают коллоидный раствор. Ультрацентрифугирование – это сепарация частиц в зависимости от размеров и мас- сы под действием ускорения, которое создается центрифугами, способными давать до 100 тысяч оборотов в мин.
|
|
|
Диффузия – процесс самопроизвольного выравнивания концентрации диспергирован- ного вещества под влиянием теплового движения частиц растворителя. Диффузия в коллоид- ных растворах протекает медленнее, чем в истинных растворах. Если в истинных растворах диффузия на расстояние 1 см идет часы, то в коллоидных растворах - дни и недели. По ко- эффициенту диффузии можно оценить размер коллоидных частиц (уравнение Эйнштейна). R∙T D = --------------- 6∙π∙r∙NA∙η де D – коэффициент диффузии; R – универсальная газовая постоянная; T – абсолютная температура; NA – постоянная Авогадро; r – диаметр частиц; η - вязкость среды; Осмотическое давление. Явление характерное для систем с полупроницаемыми мембранами. Коллоидные растворы, которые имеют частицы большого размера создают меньшее осмотическое давление, чем ионные или молекулярные растворы. Величину ос- мотического давления (Р) определяют по известному уравнению (Р = С∙R∙T). Седиментация это осаждение частиц под действием силы земного тяготения. Этот процесс противоположен диффузии и приводит к образованию градиента концентраций, то- гда как диффузия ведет к выравниванию концентраций. Между седиментацией и диффузией со временем устанавливается равновесие, при этом мелкие частицы размещаются преимуще- ственно в верхних слоях раствора, а более крупные частицы - в нижних. Явление седимента- ции используют для фракционирования веществ, клеточных органелл, определения молеку- лярной массы биополимеров методом центрифугирования. Вязкость – это внутреннее трение между слоями раствора, которые перемещаются от- носительно друг друга. Величина, обратная вязкости – это текучесть. Коллоидные растворы имеют большую вязкость, чем истинные, что обусловлено большим размером частиц 4.2. Оптические свойства коллоидных растворов. Прохождение света через коллоид- ную систему вызывает три оптических эффекта: поглощение, отражение и рассеивание лу- чей. Поглощение свойственно всем системам, тогда как отражение более характерно для гру- бодисперсних систем (эмульсий и суспензий), где размер частиц больше, чем длина волны облучения. Поэтому, в отличие от молекулярных и ионных растворов, которые не имеют по- верхности раздела фаз и оптически однородны, коллоидные растворы рассеивают свет. Это проявляется опалесценцией в виде голубоватого матового свечения при освещении боковым светом. При пропускании параллельного пучка света через коллоидный раствор наблюдается конус рассеянного света – эффект Тиндаля. По способности рассеивать свет можно опреде- лять концентрацию коллоидных частиц в растворе - метод нефелометрии. 4.3.Электрокинетические свойства коллоидных растворов. Известно 4 электрокине- тических явления, которые впервые наблюдал известный врач Ф.Ф. Рейс в 1809 г. Электроосмос – явление перемещения дисперсной среды (т.е. растворителя) относи- тельно неподвижной дисперсной фазы, которое можно наблюдать при прохождении электри- ческого тока через U–образную стеклянную трубку, заполненную кварцевым песком и во- дой. В катодной части трубки наблюдается повышение уровня воды (рис.1). Электрофорез – явление перемещения коллоидных частиц относительно дисперсной среды (растворителя), под влиянием постоянного электрического тока. Так, при прохожде- нии электрического тока через устройство из двух стеклянных трубок, установленных в увлажненную глину, от поверхности отрываются отрицательно заряженные частицы глины, 3 которые перемещаются к аноду (рис. 1). Метод электрофореза широко применяется в меди- цине для разделения Больших молекул и даже клеток. Существует много вариантов: свобод- ный электрофорез, электрофорез на бумаге, в агаровом и полиакриламидном гелях и др.
|
|
|
|
|
|
6. Стойкость и коагуляция коллоидных систем. Стойкость дисперсной системы это неизменность во времени размеров и заряда частиц, равномерность распределения частиц в объеме растворителя. Различают кинетическую и агрегативную стойкость коллоидных растворов. Кинетическая стойкость, это способность дисперсной системы находиться во взве- шенном состоянии и не осаждаться. Она значительной мерой зависит от поверхностного за- ряда и размера диффузионного адсорбционного слоя. Агрегативная стойкость это способность дисперсной системы сохранять неизменными размеры частиц. Потеря агрегативной стойкости обусловлено слипанием частиц в агрегаты. В результате идет выпадение осадка твердой фазы. Большинство коллоидных растворов кинетически и агрегативно неустойчивы. Стой- кость коллоидных растворов обусловлена: 1. Наличием одноименного заряда на частицах, что приводит к их взаимному отталки- ванию; 2. Наличием гидратной оболочки вокруг противоиона, которая предупреждает слипа- ние частиц; Коагуляция коллоидных растворов - это процесс ассоциации и увеличения размеров частиц и выпадение дисперсной фазы в осадок. Коагуляцию вызывают такие факторы: 1. Повышение или снижение температуры; 2. Перемешивание раствора; 3. Добавление к раствору алкалоидов, красителей; 4. Изменение реакции среды; 5. Добавление ионов, которые имеют одинаковый заряд с противоионом, то есть заряд, противоположный заряду гранулы. Порог коагуляции - это наименьшая концентрация элек- тролита, при которой наступает коагуляция коллоидного раствора. Коагулирующее действие электролитов зависит от заряда иона и концентрации. Правило Шульце–Гарди: - коагули- рующее действие ионов увеличивается с увеличением их валентности
Стабилизация (защита) коллоидных растворов достигается добавлением небольшого количества высокомолекулярных веществ (белков, полисахаридов), которые адсорбируются на поверхности частиц и предупреждают их слипание. Коллоидная защита белками стабили- зирует биологические жидкости. Так, в моче малорастворимые фосфаты и карбонаты каль- ция и органические вещества поддерживаются в коллоидном состоянии благодаря адсорбции на поверхности частиц этих веществ белковых молекул. Например, для растворения мало- растворимых веществ, которые имеются в 1 л мочи нужно было б истратить 7 – 14 л воды. Все биологические жидкости являются коллоидными растворами, так как присутствую- щие в них малорастворимые вещества могут поддерживаться в взвешенном состоянии только благодаря стабилизации.
http://biochem.vsmu.edu.ua/chem_common_r/r_colloids.pdf
Коагуляция
Коллоидные системы обладают различной устойчивостью. Все они стремятся к уменьшению свободной поверхностной энергии за счёт сокращения удельной поверхности коллоидных частиц, что происходит при их стремлении к объединению.
Удельная поверхность этих частиц очень велика, поэтому они и обладают большим избытком поверхностной энергии, что, в свою очередь, ведёт к термодинамической неустойчивости коллоидных систем.
Процесс объединения коллоидных частиц в более крупные агрегаты называется коагуляцией.
Расклинивающее давление
По теории коагуляции Б.В. Дерягина и Л.Д. Ландау, при Броуновском движении коллоидные частицы свободно сближаются на расстояние до примерно 10-5 см, однако дальнейшему их сближению препятствует, так называемое, расклинивающее давление, возникающее в тонких слоях воды, находящихся между двумя поверхностями.
Расклинивающим давлением называют избыточное (по сравнению с гидростатическим) давление, действующее со стороны тонкого слоя жидкости на ограничивающие поверхности.
В золях оно обусловлено в основном взаимным отталкиванием противоионов диффузного слоя сблизившихся частиц и, кроме того, силами молекулярного взаимодействия между поверхностями этих частиц и молекулами воды.
|
|
|
