Методы очистки золей: диализ, электродиализ, ультрафильтрация. Получение, свойства и очистка коллоидных растворов Методы очистки коллоидных растворов

При получении коллоидных растворов тем или иным методом, особенно с помощью химических реакций, практически невозможно точ­но предусмотреть необходимое точное количество реагентов. По этой причине в образовавшихся золях может присутствовать чрезмерный из­быток электролитов, что снижает устойчивость коллоидных растворов. Для получения высокоустойчивых систем и для изучения их свойств золи подвергают очистке как от электролитов, так и от всевозможных других низкомолекулярных примесей.

Очистку коллоидных растворов можно проводить либо методом диализа, либо ультрафильтрацией.

Диализ заключается в извлечении из золей низкомолекулярных ве­ществ чистым растворителем с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны), через которую не проходят коллоидные частицы. Периоди­чески или непрерывно сменяя растворитель в приборе для диализа - диа­лизаторе, можно практически полностью удалить из коллоидного рас­твора примеси электролитов и низкомолекулярных неэлектролитов.

Недостатком метода является большая длительность процесса очистки (недели, месяцы).

Электродиализ - это процесс диализа, ускоренный путем примене­ния электрического тока. Прибор для его осуществления называют элек­тродиализатором. Простейший электродиализатор представляет собой сосуд, разделенный двумя мембранами на три камеры. В среднюю камеру наливают подлежащий очистке коллоидный раствор. В боковые камеры помещают электроды от источника постоянного тока и обеспечивают подвод и отвод растворителя (воды). Под действием электрического поля происходит перенос катионов из средней камеры в катодную камеру, анионов - в анодную. Раствор в средней камере может быть в течение ко­роткого времени (минуты, часы) очищен от растворенных солей.

Ультрафильтрация - фильтрование коллоидного раствора через полупроницаемую мембрану, пропускающую дисперсионную среду с низкомолекулярными примесями и задерживающую частицы дисперсной фазы или макромолекулы. Для ускорения процесса ультрафильтрации ее проводят при перепаде давления по обе стороны мембраны: под разряжением (вакуумом) или под повышенном давлении. Вакуум создают от­качиванием воздуха из расположенного под фильтром сосуда, повышен­ное давление - нагнетанием воздуха в сосуд, расположенный над филь­тром. Для предотвращения разрыва мембраны ее помещают на твердую пористую пластинку. Ультрафильтрация позволяет скорее отделить от коллоидного раствора электролиты и другие примеси (низко­молекулярные органические соединения), чем это происходит при диали­зе. При ультрафильтрации достигают высокой степени очистки золя, пе­риодически разбавляя последний водой. На конечной стадии путем отса­сывания дисперсионной среды можно сконцентрировать коллоидный -раствор. Ультрафильтрация может применяться в сочетании с электро­диализом (электроультрафильтрация), благодаря чему значительно уско­ряется удаление солей из коллоидного раствора.

Поскольку поры обычной фильтровальной бумаги легко пропус­кают коллоидные частицы, при ультрафильтрации в качестве мембраны применяют специальные фильтры (целлофан, пергамент, асбест, керами­ческие фильтры и т.п.). Применение мембраны с определенным размером пор позволяет разделить коллоидные частицы на фракции по размерам и ориентировочно определить эти размеры. Так были найдены размеры некоторых вирусов и бактериофагов. Все это говорит о том, что ультра­фильтрация является не только методом очистки коллоидных растворов, но может быть использована для целей дисперсионного анализа и препа­ративного разделения дисперсных систем.

При получении коллоидных растворов тем или иным методом, особенно с помощью химических реакций, практически невозможно точно предусмотреть необходимое количественное соотношение реагентов. По этой причине в образовавшихся золях может присутствовать чрезмерный избыток электролитов, что снижает устойчивость коллоидных растворов. Для получения высокоустойчивых систем и для изучения их свойств золи подвергают очистке как от электролитов, так и от всевозможных других низкомолекулярных примесей.

Очистку коллоидных растворов можно проводить либо методом диализа, либо ультрафильтрацией.

Диализ заключается в извлечении из золей низкомолекулярных веществ чистым растворителем с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны), через которую не проходят коллоидные частицы. Периодически или непрерывно сменяя растворитель в приборе для диализа - диализаторе, можно практически полностью удалить из коллоидного раствора примеси электролитов и низкомолекулярных неэлектролитов.

Недостатком метода является большая длительность процесса очистки (недели, месяцы).

Электродиализ - это процесс диализа, ускоренный путем применения электрического тока. Прибор для его осуществления назы-вают электродиализатором. Простейший электродиализатор представляет собой сосуд, разделенный двумя мембранами на три камеры. В среднюю камеру наливают подлежащий очистке коллоидный раствор. В боковые камеры помещают электроды от источника постоянного тока и обеспечивают подвод и отвод растворителя (воды). Под действием электрического поля происходит перенос катионов из средней камеры в катодную камеру, анионов - в анодную. Раствор в средней камере может быть в течение короткого времени (минуты, часы) очищен от растворенных солей.

Компенсационный диализ и вивидиализ - методы, разработанные для исследования биологических жидкостей, представляющих собой коллоидлые системы. Принцип метода компенсационного диализа состоит в том, что в диализаторе вместо чистого растворителя используют растворы определяемых низкомолекулярных веществ различной концентрации. Например, для определения не связанного с белками, т. е. свободного, сахара в сыворотке крови проводят ее диализ против изотонического солевого раствора, содержащего различные концентрации сахара. В том растворе,

К этому методу близок метод вивидиализа (вивидиффузии) для прижизненного определения в крови низкомолекулярных составных частей. Для проведения анализа в концы перерезанного кровеносного сосуда вставляют стеклянные канюли, разветвленные части которых соединены между собой трубками из полупроницаемого материала, и всю систему помещают в сосуд, заполняемый физиологическим раствором соли или водой. Таким путем было найдено, что в крови помимо свободной глюкозы находятся свободные аминокислоты.

Принцип компенсационного вивидиализа был использован при создании аппарата, названного «искусственной почкой». С помощью «искусственной почки» можно очищать кровь от продуктов обмена веществ, временно замещая функцию больной почки при таких показаниях, как острая почечная недостаточность в результате отравлений, при тяжелых ожогах и т. п.

Ультрафильтрация - фильтрование коллоидного раствора через полупроницаемую мембрану, пропускающую дисперсионную среду с низкомолекулярными примесями и задерживающую частицы дисперсной фазы или макромолекулы. Для ускорения процесса ультрафильтрации ее проводят при перепаде давления по обе стороны мембраны: под разрежением (вакуумом) или под повышенным давлением. Вакуум создают откачиванием воздуха из расположенного под фильтром сосуда, повышенное давление - нагнетанием воздуха в сосуд, расположенный над фильтром. Для предотвращения разрыва мембраны ее помещают на твердую пористую пластинку. Ультрафильтрация позволяет скорее отделить от коллоидного раствора электролиты и другие примеси (низкомолекулярные органические соединения), чем это происходит при диализе. При ультрафильтрации достигают высокой степени очистки золя, периодически разбавляя последний водой. На конечной стадии путем отсасывания дисперсионной среды можно сконцентрировать коллоидный раствор. Ультрафильтрация может применяться в сочетании с электродиализом (электроультрафильтрация), благодаря чему значительно ускоряется удаление солей из коллоидного раствора.

Поскольку поры обычной фильтровальной бумаги легко пропускают коллоидные частицы, при ультрафильтрации в качестве мембраны применяют специальные фильтры (целлофан, пергамент, асбест, керамические фильтры и т. п.). Применение мембраны с определенным размером пор позволяет разделить коллоидные частицы на фракции по размерам и ориентировочно определить эти размеры. Так были найдены размеры некоторых вирусов и бактериофагов. Все это говорит о том, что ультрафильтрация является не только методом очистки коллоидных растворов, но может быть использована для целей дисперсионного анализа и препаративного разделения дисперсных систем.

Диализ – самый важный из них. Сущность метода: два сосуда разделённых полупроницаемой мембраной (коллодий, целлофан, пергамент, полисилоксан, полихлорвинил, полиэтилен). В одном сосуде - очищаемый коллоидный раствор, в другом – чистый растворитель. За счет диффузии все ионы из коллоидного раствора, способные пройти через отверстия мембраны, будут переходить в растворитель, а более крупные коллоидные частицы останутся в растворе. Достоинство метода: простота и дешевизна. Недостаток: время диализа - несколько суток. Скорость можно увеличить за счёт температуры, но очень незначительно.

Но скорость можно увеличить за счёт направленного движения ионов в электрическом поле. Диализатор оборудован дополнительной камерой с электродами (постоянное напряжение). Время диализа составит несколько часов или даже минут. Этот метод широко применяется в биохимии, фармации, медицине, при очистке воды и производстве продуктов питания.

Часто используют и еще одну разновидность диализа – компенсационный.Сущность метода компенсационного диализа (вивидиализ)состоит в том, что дисперсная система омывается не чистым растворителем, а растворами с различной концентрацией определенного вещества (или веществ). Например: определение сахара в сыворотке крови. Сыворотку крови омывают изотоническим раствором сахара. Концентрация сахара во внешнем растворе не будет изменяться, если она равна концентрации сахара в крови. На вивидиализе основана работа искусственной почки (гемодиализ). Искусственную почку используют для освобождения крови от продуктов обмена, коррекции электролитно-водного и кислотно-щелочного балансов при острой и хронической почечной недостаточности, а также для выведения диализирующихся токсических веществ при отравлениях и избытка воды при отёках.

Одной из самых перспективных областей применения диализа является пролонгация действия лекарственных препаратов. Срок действия контролируемого выделения находится в интервале от 2-х дней до нескольких лет, обеспечивая равномерное поступление препарата. Обычный способ применения лекарств – инъекции или в виде таблеток – резко увеличивает их концентрацию в организме, что может вызвать нежелательные побочные эффекты. Так, лекарства, содержащие гормоны, при традиционном “импульсном” вводе могут вызвать эндокринные нарушения. Поэтому применяют лекарства, покрытые мембранным слоем. Через короткое время после приема скорость поступления лекарства в организм становится постоянной и может быть задана толщиной мембраны.

Ультрафильтрация - это баромембранный процесс, заключающийся в том, что жидкость не фильтруется самопроизвольно, а под давлением «продавливается» через полупроницаемую перегородку. Этот метод называют иногда сухим диализом, в том смысле, что с другой стороны мембраны нет растворителя. Размер отверстий (пор) ультрафильтрационных мембран лежит в пределах от 5 нм до 0,05–0,1 мкм. В качестве материала для изготовления ультрафильтрационных мембран в основном используются полимерные вещества – ацетат целлюлозы, полисульфон, полиамид, полиимид и т.д.. Большинство мембран состоят из тонкого селективного слоя толщиной несколько десятков мк и пористой подложки, которая обеспечивает механическую прочность. Большинство современных полимерных мембран устойчивы к воздействию микроорганизмов и химических соединений в широком диапазоне рH, обладают высокой селективностью и производительностью, допускают кратковременное воздействие сильных окислителей: свободного хлора, озона. Для производства ультрафильтрационных мембран также используют неорганические (керамические и металлокерамические) материалы на основе окислов Al 2 O 3 , TiO 2 , ZnO. Керамические мембраны характеризуются долговечностью, высокой физической, химической и бактериальной стойкостью, что позволяет им работать в самых жестких условиях. В промышленности ультрафильтрацией чистят сточные воды, отделяют продукты микробиологического синтеза, концентрируют биологически активные вещества. В последнее время ультрафильтрацию применяют для очистки крови от токсинов и выведения избытка жидкости из организма.

Ультрацентрифугирование - метод разделения и исследования частиц размером менее 100 нм в поле центробежных сил, т.е. при быстром движении по окружности. Он позволяет разделять смеси частиц на фракции или индивидуальные компоненты, находить их молекулярную массу и др.
Осуществляется с помощью ультрацентрифуг. Различают так называемое аналитическое центрифугирование (применяется при анализе растворов), исследуемые объемы - от 0,01 до 2 мл при массе частиц от нескольких мкг до мг; и препаративное центрифугирование (используют для выделения компонентов из сложных смесей), объем жидкости и масса исследуемого образца м. б. на несколько порядков больше, чем при аналитическом ультрацентрифугировании. Центробежные ускорения в ультрацентрифугах достигают 500 000 g. Первая аналитическая ультрацентрифуга была создана Т. Сведбергом (1923; 5000g).

5. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем принципиально не отличаются от свойств истинных растворов. Для них тоже свойственны диффузия, осмос и т.д., но все эти явления имеют особенности. Диффузия – т.к. коллоидные частицы по размерам и массе значительно больше молекул и ионов, то скорость их теплового движения меньше, следовательно, скорость диффузии тоже во много раз меньше. На 1 см коллоидная частица продвигается за сутки, иногда - недели; в истинных растворах – за часы.

Осмотическое давление. Известно, что P=CRT. Но концентрация частиц в коллоидных растворах маленькая даже при высокой массовой доле растворенного вещества, поэтому осмотическое давление в коллоидных растворах низкое. (В 1%-ом растворе сахара – 79, 46 кПа, в 1%-ом растворе желатина – 1 кПа, а в коллоидном растворе сульфида мышьяка всего 0,0034 кПа.) Не удивительно, что такое осмотическое давление трудно обнаружить. К тому же оно не постоянно. На осмотическое давление биополимеров существенно влияет температура и рН раствора. Температура – т. к. усиливается диссоциация, следовательно, увеличивается число частиц в растворе. Влияние рН связано с изменением соотношения между положительно и отрицательно заряженными группами. В изоэлектрической точке осмотическое давление будет минимальным, при смещении рН в кислую или щелочную сторону от ИЭТ оно будет увеличиваться. Осмотическое давление крови вычисляют криоскопическим методом с помощью определения депрессии (точки замерзания раствора), которая для крови составляет 0,56-0,58°С наже нуля. Осмотическое дав­ление крови равно приблизительно 7,6 атм. Осмотическое давление крови зависит в основном от растворен­ных в ней низкомолекулярных соединений, главным образом солей. Около 60% этого давления создается NaCl. Осмотическое давление в крови, лимфе, тканевой жидкости, тканях приблизительно оди­наково и отличается постоянством. Даже в случаях, когда в кровь поступает значительное количество воды или соли, осмотическое давление не претерпевает существенных изменений. При избыточ­ном поступлении в кровь вода быстро выводится почками и переходит в ткани и клетки, что восстанавливает исходную величину осмо­тического давления. Если же в крови повышается концентрация солей, то в сосудистое русло переходит вода из тканевой жидкости, а почки начинают усиленно выводить соли. Продукты переваривания белков, жиров и углеводов, всасывающиеся в кровь и лимфу, а также низкомолекулярные продукты клеточного метаболизма могут изменять осмотическое давление в небольших пределах. Поддержание постоянства осмотического давления играет чрез­вычайно важную роль в жизнедеятельности клеток.

Часть осмотического давления крови, которая за­висит от содержания крупномолекулярных соединений (белков) в растворе, называется онкотическим давлением . Хотя концентрация белков в плазме довольно велика, общее количество молекул из-за их большой молекулярной массы относительно мало. Поэтому онкотическое давление не пре­вышает 30 мм рт.ст. Онкотическое давление в большей степени зависит от альбуминов (80% онкотического давления создают аль­бумины), что связано с их относительно малой молекулярной массой и большим количеством молекул в плазме. Онкотическое давление играет важную роль в регуляции водного обмена. Белки хорошо гидратируются и удерживают воду в кровяном русле. Чем больше величина онкотического давления, тем больше воды удерживается в сосудистом русле и тем меньше ее переходит в ткани и наоборот. Онкотическое давление влияет на образование тканевой жидкости, лимфы, мочи и всасывание воды в кишечнике. Поэтому кровезамещающие растворы должны содержать в своем составе биополимеры, способные удерживать воду. При снижении концентрации белка в плазме развиваются отеки, так как вода перестает удерживаться в сосудистом русле и переходит в ткани.

Седиментация – т.к. на частицы действует не только диффузия, но и гравитационное поле, под действием силы тяжести частицы с достаточной массой могут оседать (седиментировать). Скорость оседания частиц зависит от их массы (при прочих равных условиях). При анализе крови определяют суспензионную устойчивость крови (скорость оседания эритро­цитов - СОЭ). Кровь представляет собой суспензию, или взвесь, так как форменные элементы ее находятся в плазме во взвешенном состоянии. Взвесь эритроцитов в плазме поддерживается гидрофиль­ной природой их поверхности, а также тем, что эритроциты (как и другие форменные элементы) несут отрицательный заряд, благо­даря чему отталкиваются друг от друга. Если отрицательный заряд форменных элементов уменьшается, что может быть обусловлено адсорбцией таких положительно заряженных белков, как фибрино­ген, γ-глобулины, парапротеины и др., то снижается электростати­ческий «распор» между эритроцитами. При этом эритроциты, склеиваясь друг с другом, образуют так называемые монетные столбики. Такие «монетные столбики», застре­вая в капиллярах, препятствуют нормальному кровоснабжению тка­ней и органов. Если кровь поместить в пробирку, предварительно добавив в нее вещества, препятствующие свертыванию, то через некоторое время можно увидеть, что кровь разделилась на два слоя: верхний состоит из плазмы, а нижний представляет собой форменные элементы, главным образом эритроциты.

Особые свойства коллоидных систем. Для коллоидных систем характерным оптическим свойством является рассеивание света и этим они существенно отличаются от свойств истинных растворов.Явление рассеивания света (опалесценции) обнаружено Фарадеем (1857) и Тиндалем (1864). Они наблюдали образование светящегося конуса при пропускании луча света через коллоидный раствор при боковом освещении. Согласно теории светорассеяния Релея при прохождении световой волны через коллоидные системы электромагнитное поле вызывает поляризацию дисперсных частиц. Возникающие диполи являются источниками нового излучения.

Уравнение Релея :

Где: I o –интенсивность падающего света, V- объем частиц, K- отношение показателей преломления дисперсной фазы и дисперсной среды, - концентрация дисперсной фазы - длина волны.

Т.к. интенсивность обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени, значит, при прохождении луча белого света преимущественно должны рассеиваться наиболее короткие волны (т.е. синие и фиолетовые). Поэтому для систем с неокрашенным веществом дисперсной фазы при боковом освещении характерна голубая опалесценция. Этим объясняется голубой цвет горящего газа, табачного дыма, неба, снятого молока. Наоборот, в проходящем свете мы наблюдаем красные оттенки, связанные с потерей синей части спектра. Именно потому красный цвет выбран как сигнал опасности – он не рассеивается и поэтому далеко виден. Коллоидные растворы также могут поглощать определенную часть спектра. Например, высокодисперсные золи золота поглощают зеленую часть спектра и окрашены в красный цвет. С увеличением размера частиц окраска раствора смещается в холодную область. С явлениями поглощения и рассеяния света связана окраска ряда минералов, драгоценных камней и самоцветов (аметист, сапфир, рубин).

Нефелометрия – метод анализа основаный на явлении светорассеяния. Приборы, предназначенные для определения концентрации и размера частиц (по уравнению Релея), называются нефелометры. Обычно в этих приборах сравнивают интенсивность света рассеянного стандартным и исследуемым раствором. Нефелометрами определяют мутность, т.е. концентрацию коллоидных частиц, в различных растворах при очистке воды или производстве соков и вина…

Ультрамикроскопия. В обычном микроскопе коллоидные частицы невидимы. Но если осветить коллоидные системы боковым светом на темном фоне, то можно увидеть светящиеся точки, т.к. каждая частица становиться источником рассеянного света. Прибор, позволяющий видеть коллоидные частицы на темном фоне при боковом освещении, называется ультрамикроскоп. Видны частицы размером до 3 нм. Такой микроскоп был сконструирован в 1903 г Зидентопфом и Зигмонди. Именно с его помощью подтвердили теорию броуновского движения и определили число Авогадро. Но надо понимать, что мы видим не сами частицы, а отсветы от них на экране. Поэтому можно определить концентрацию частиц, но нельзя определить их размеры или форму.

Электрокинетические явления в коллоидных системах – это группа свойств, которые отражают связь, существующую между движением частиц дисперсной системы относительно друг друга и электрическими свойствами границы раздела этих фаз. Различают четыре вида электрокинетических явлений: электроосмос, электрофорез, потенциал течения и потенциал оседания (седиментации).

Электроосмос – это перемещение жидкой фазы относительно неподвижной твердой фазы под действием электрического тока (1808 г, МГУ, Рейсе). При пропускании постоянного тока через U-образную трубку, заполненную кварцевым песком и водой, в колене с отрицательным электродом (катодом) вода поднималась выше, а в другом опускалась. Т.е. жидкая фаза двигалась под действием электрического тока.

Электрофорез – перемещение твердой фазы относительно неподвижной жидкой фазы под действием электрического тока. При пропускании постоянного тока (100В) через прибор, состоящий из двух наполненных водой стеклянных трубок, погруженных в мокрую глину, Рейсе обнаружил, что частицы глины, отрываются от поверхности глины и двигаются вверх (против силы тяжести!) к положительному полюсу (аноду). Т.е. твердая фаза двигалась под действием электрического поля.

Потенциал течения – явление обратное электроосмосу. Квинке в 1859г обнаружил, что при фильтрации воды через пористую мембрану возникает разность потенциалов между двумя ее сторонами. Квинке предположил, что поверхность твердого тела заряжается одним знаком, а прилегающий слой жидкости - другим. В дальнейшем эта идея привела к открытию удивительного явления на поверхности раздела фаз - двойного электрического слоя. Потенциал оседания – явление обратное электрофорезу. В высокий цилиндр с водой сыпали кварцевый песок. При оседании частиц кварца в воде регистрировалась разность потенциалов между электродами расположенными на разной высоте.

Открытый профессором Рейссом электрофорез, а также другие электрокинетические явления послужили основой для создания методов изучения двойного электрического слоя на поверхности коллоидных частиц изучения строения коллоидных частиц вообще. Согласно современным представлениям, на поверхности любого тела в результате протекания ОРВ, процессов диссоциации, избирательной ионной адсорбции и т.д. образуется двойной электрический слой (ДЭС) – два слоя противоположно заряженных ионов, расположенных в пространствев непосредственной близости друг от друга . ДЭС состоит из двух частей: внутренней - плотной и внешней - диффузной. Плотный слой составляют потенциалопределяющие ионы, прочно связанные с твердой поверхностью и часть противоионов, притянутая благодаря электростатическому притяжению и силам специфической адсорбции. Этот внутренняя часть ДЭС называется адсорбционным слоем. Сумма зарядов потенциалопределяющих ионов и протиоионов в адсорбционном слое не равна нулю, противоионов обычно меньше. Некоторое количество противоионов, недостающее для компенсации зарядов потенциалопределяющих ионов, располагается во внешнем, диффузном слое. Диффузный слой образован противоионами, которые притянулись к поверхности из раствора, благодаря электростатическому взаимодействию, но с поверхность связаны очень слабо.При движении раствора происходит разрыв между адсорбционным слоем (прочно закрепленным на поверхности) и диффузным слоем (ионами находящимися в слое раствора). У нас появляется направленное движение заряженных частиц – электрический ток. И наоборот,в электрическом поле гранулы (твердая фаза) двигаются в одну сторону, а противоионы диффузного слоя (жидкая фаза) – в другую, т.е. происходит движение фаз коллоидных систем.

Например: Если к раствору иодида калия (т.е. он в избытке) добавлять по каплям раствор нитрата серебра, то осадок иодида серебра не выпадает; в растворе мало ионов серебра, нужных для роста кристалла. И соединяться маленькие кристаллы тоже не будут, потому что на них есть одинаковый заряд. Т.е. начавшийся процесс кристаллизации не приводит к образованию осадка, если в растворе есть электролит-стабилизатор. Образуется коллоидный раствор иодида серебра с частицами, строение которых принято выражать особыми «мицелярными» формулами.:

{ m nI - (n-x)K + } x - xK + , где m – ядро, т.е. маленький кристалл малорастворимого иодида серебра;

m nI - (n-x)K + - адсорбционный слой, состоящий из потенциалопределяющих ионов иода, которые избирательно адсорбировались на кристалле (они находились в растворе в избытке) и некоторого количества противоионов калия, прочно связаных с ионами иода; xK + - подвижный диффузионный слой ионов калия; { m nI - (n-x)K + } x - - гранула коллоидной частицы, которая будет самостоятельно двигаться в электрическом поле. Заряд гранулы определяет величину и заряд (дзета)- потенциала (электро-кинетического потенциала) на поверхности коллоидной частицы.

В биосистемах ДЭС может возникать тоже за счет избирательной адсорбции или ионизации поверхностных функциональных групп. Адсорбция происходит в основном на полисахаридах, липидах, холестерине, а на белках ДЭС возникает обычно вследствие диссоциации карбоксильной и амминогруппы. Известно, что аминокислоты в зависимости от рН среды существуют в растворах в виде нейтральных би-ионов, катионной либо анионной формы белка.

Потенциал уменьшается по мере увеличения числа противоионов в адсорбционном слое и может стать равен нулю, если общий заряд противоионов станет равен заряду потенциалопределяющих ионов (изоэлектрическое состояние). Это может произойти при повышенииконцентрации противоионов в растворе. Чем больше - потенциал, тем более устойчивой является КС, т.к. наличие заряда препятствует слипанию частиц.

Величину - потенциала нельзя измерить, его можно рассчитать по уравнению Гельгольца- Смолуховского:

Где - вязкость среды, - диэлектрическая проницаемость среды, - расстояние между электродами, U – скорость электрофореза, E- разность потенциалов.

Применение электрокинетических явлений. Через семьдесят лет, после того как Рейсе открыл электрокинетические явления (еще в 19 веке), электроосмос был применен на практике для сушки торфа, а затем и для сушки древесины. С 60-х годов 20 века электроосмос используют для сушки и укрепления грунтов при постройке зданий, для борьбы с оползнями при строительстве плотин, для понижения уровня грунтовых вод, для ремонта железнодорожного полотна и осушки зданий.

В земной коре через грунты и горные породы текут подземные воды, а им сопутствуют так называемые потенциалы течения, которыми пользуются геофизики для поиска полезных ископаемых, картографии подземных вод и отыскания путей просачивания воды через плотины. Потенциалы течения возникают при транспортировке жидкого топлива, при заполнении резервуаров, цистерн, нефтеналивных судов, бензобаков самолетов. Когда по трубам течет топливо, на концах трубопроводов возникают достаточно высокие разности потенциалов, из-за которых на нефтеналивных судах случались грандиозные пожары. Есть еще потенциалы оседания (это тоже течение, т.е. движение) капелек воды в облаках - причина грозовых разрядов в атмосфере.

Широко пользуются электрохимическими методами медицина. Когда кровь течет через капилляры кровеносной системы, возникают потенциалы течения, являющиеся одним из источников биопотенциалов. Установлено, к примеру, что один из пиков электрокардиограммы обусловлен возникновением потенциалов течения крови в коронарных сосудах сердца. Эти потенциалы измеряют в кардиологических клиниках и лабораториях.

Электрофорез используют как метод определения и разделения белков (и др. электрически заряженных частиц)) в растворе путем пропускания через этот раствор электрического тока. Скорость движения коллоидных частиц в электрическом поле зависит от их заряда и массы, поэтому они постепенно разделяются, отходя к различным полюсам электрода. С помощью электрофореза можно получать лекарственные препараты и БАВ.

Электрофорез можно использовать и для анализа состава коллоидных систем .Электрофорез, как и хроматографию, можно выполнять на бумаге. Электрофореграммы белков плазмы крови для всех здоровых людей почти одинаковы. При патологии они приобретают характерный, причем специфический для каждого заболевания вид. Электрофорез широко используется для исследований химического состава тканей организма. Например, для анализа различных белков и липопротеинов в сыворотке крови, анализа состава белков в моче и т.д.

Электрофорез очень часто используют для терапевтических целей. Например: для введение лекарственных препаратов через кожу (лекарства представляют из себя коллоидные растворы); ускорение миграции лейкоцитов к очагу воспаления (при воспалениях происходит разрушение клеточных структур с образованием продуктов кислотного характера, в этом случае поверхность тканей приобретает положительный заряд); или ускорения движения эритроцитов к страдающим от гипоксии тканям (потенциал эритроцитов человека величина стабильная и равна -16,3мВ).

Большее распространение в клинике терапевтической стоматологии получил электрофорез как один из методов обезболивания. С этой целью применяются 5 - 10%-ные растворы новокаина, дикаина, тримекаина, никотиновой кислоты.

Проблема устойчивости КС – одна из основных в коллоидной химии. Растворы ВМС и некоторые лиофильные коллоиды (глины, мыла) являются термодинамически устойчивыми, они образуются самопроизвольно. При образовании лиофобных КС диспергирование (измельчение) происходит за счет механической или другой работы, у этих процессов G> 0, т.е. образуются системы темодинамически неустойчивые. Но, тем не менее, такие системы могут существовать достаточно длительное время.

Различают кинетическую и агрегативную устойчивость коллоидных систем. Подкинетической устойчивостью понимают способность дисперсной фазы находиться во взвешенном состоянии и не выпадать в осадок. Кинетически более устойчивы высокодисперсные системы, т.е. чем меньше частица, тем быстрее она двигается, и тем меньше на нее действует сила тяжести. Поэтому золи кинетически более устойчивы, чем классические эмульсии и суспензии. На кинетическую устойчивость влияет также плотность и вязкость среды. В вязких жидкостях оседание даже крупных частиц происходит медленно. В газообразной среде плотность и вязкость очень малы, поэтому в газовых средах могут существовать системы только с очень маленькими частицами – аэрозоли.

Агрегативная устойчивость – это способность системы сохранять определенную степень дисперсности, т.е. не объединяться в более крупные частицы.

Что способствует агрегативной устойчивости КС ? Или: Что препятствует слипанию частиц?

Наличие заряда у частиц. Заряд появляется на частицах в результате избирательной ионной адсорбции. (см.строение коллоидных частиц, двойной электрический слой). Это происходит обычно в водных растворах электролитов.

Адсорбция на частицах ПАВ. Этот процесс приводит к уменьшению поверхностного натяжения и уменьшая общую энергию системы, делает ее более стабильной. Но это тоже происходит в основном в растворах.

Гидратация коллоидных частиц. Это явление наблюдается в водных растворах, но только у лиофильных коллоидов, например, в растворах белков.

Нарушение агрегативной устойчивости, происходящее вследствие слипания частиц в крупные агрегаты и выпадения их в осадок, называетсякоагуляцией.

Часто в полученных дисперсных системах, кроме мицелл, стабилизатора и растворителя содержатся низкомолекулярные вещества (примеси). Они снижают устойчивость ДС (могут нейтрализовать заряд коллоидных частиц, что ведет к коагуляции и разрушению коллоидных систем). Для очистки коллоидных систем от низкомолекулярных примесей используют диализ, электродиализ и ультрафильтрацию.

Диализ (предложен и назван Т.Грэмом) основан на пропускании коллоидного раствора через полупроницаемую мембрану. Простейший диализатор (рис.5) представляет собой мешочек из полупроницаемого материала, в который заливается коллоидный раствор, а мешочек опускается в сосуд с водой (растворителем). За счет малых размеров отверстий полупроницаемые мембраны задерживают коллоидные частицы, а низкомолекулярные проходят через мембрану в растворитель. В результате происходит удаление низкомолекулярных веществ из коллоидного раствора. Раньше в качестве полупроницаемой мембраны использовали стенки мочевого или желчного пузыря, кишечник, пергамент. В настоящее время – мембраны из коллодия (раствора нитрата целлюлозы) – целлофан. Они очень удобны, т.к. можно изготовить мембраны с любым размером отверстий.

Рис. 5. Диализаторы Т.Грэма.

Следует отметить, что длительный диализ, кроме удаления примесей из рас-твора может привести к коагуляции системы в результате удаления стабилизатора.

Электродиализ. Поскольку низкомолекулярные примеси в золях являются элек-тролитами, диализ можно ускорить путём наложения электрического тока. Для этого коллоидный раствор помещают между двумя мембранами, снаружи которых

Диализ применяется в биотехнологии и фармацевтике для очистки белков, ВМС от примесей солей, при получении ценных лекарственных препаратов – глобулина, флокулянтов и др. Диализ используется в клинике как метод лечения («гемодиализ») больных с заболеваниями печени, почек, синдромом длительного давления, при острых отравлениях. При этом кровь больного пропускают через аппарат «искусственная почка». Он представляет собой систему с мембраной, одна сторона которой промывается солевым (физиологическим) раствором, имеющим такой же состав, как и плазма крови, а другая – кровью больного. В ходе гемодиализа низкомолекулярные продукты обмена веществ покидают кровь через мембрану, а белки остаются в крови (из-за большого размера). Необходимые организму соли также сохраняются, т.к. отсутствует градиент их концентрации между кровью и физиологическим раствором.

Ультрафильтрация применяется также, как и диализ и электродиализ, в част-ности для очистки культуральной жидкости от тел бактерий – продуцентов анти-биотиков, отделения белков и стериализации их растворов. При этом бактерии, вирусы остаются на фильтре, а из фильтрата выделяют необходимые лекарственные вещества (сыворотки, вакцины).

Лекция № 5. Теории двойного электрического слоя

Общие представления о дисперсных системах

Химическое взаимодействие в гомогенных реакций происходит при эффективных столкновениях активных частиц, а в гетерогенных – на поверхности раздела фаз при контакте реагирующих веществ, причем, скорость и механизм реакции зависят от площади поверхности, которая тем больше, чем сильнее развита поверхность. С этой точки зрения особый интерес представляют дисперсные системы, обладающие высокой удельной поверхностью.

Дисперсная система – это смесь, состоящая как минимум из двух веществ, которые не реагируют друг с другом химически и обладают практически полной взаимной нерастворимостью. Дисперсная система - это система, в которой очень измельченные частички одного вещества равномерно распределены в объеме другого.

Рассматривая дисперсные системы, различают два понятия: дисперсная фаза и дисперсионная среда (рис. 10.1).

Дисперсная фаза – это совокупность частиц диспергированного до мелких размеров вещества, равномерно распределенных в объеме другого вещества. Признаками дисперсной фазы является раздробленность и прерывистость.

Дисперсионная среда – это вещество, в котором равномерно распределены частицы дисперсной фазы. Признаком дисперсионной среды является ее непрерывность.

Дисперсную фазу можно отделить от дисперсионной среды физическим способом (центрифугированием, сепарированием, отстаиванием и т. п.).

Рисунок 10.1 – Дисперсная система: частицы дисперсной фазы s (в виде мелких твердых частичек, кристалликов, капель жидкости, пузырьков газа, ассоциатов молекул или ионов), обладающие адсорбционным слоем d , распределены в однородной непрерывной дисперсионной среде f.

Дисперсные системы классифицируют по разным отличительным признакам: дисперсности, агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, интенсивности взаимодействия между ними, отсутствию или образованию структур в дисперсных системах.

Классификация по степени дисперсности

В зависимости от размеров частиц дисперсной фазы все дисперсные системы условно делятся на три группы (рис. 10.2).

Рисунок 10.2 – Классификация дисперсных систем по размеру частиц (для сравнения приведены размеры частиц в истинных растворах)

1. Грубодисперсные системы , в которых размер частиц более 1мкм (10 –5 м). Для этой группы дисперсных систем характерны такие признаки: частицы дисперсной фазы оседают (или всплывают) в поле гравитационных сил, не проходят сквозь бумажные фильтры; их можно рассмотреть в обычном микроскопе. К грубодисперсным системам относятся суспензии, эмульсии, пыль, пена, аэрозоли и т.п.

Суспензия – это дисперсная система, в которой дисперсной фазой является твердое вещество, а дисперсионной средой – жидкость.

Примером суспензии может быть система, образующаяся при взбалтывании глины или мела в воде, краски, пасты.

Эмульсия – это дисперсная система, в которой жидкая дисперсная фаза равномерно распределена в объеме жидкой дисперсионной среды, т.е. эмульсия состоит из двух взаимно нерастворимых жидкостей.

В качестве примера эмульсий можно назвать молоко (в нем дисперсной фазой выступают капли жидкого жира, а дисперсионной средой – вода), сливки, майонез, маргарин, мороженое.

При отстаивании суспензии и эмульсии разделяются (расслаиваются) на составные части: дисперсную фазу и дисперсионную среду. Так, если энергично взболтать бензол с водой, то образуется эмульсия, которая спустя некоторое время разделяется на два слоя: верхний бензольный и нижний водный. Для предотвращения расслаивания эмульсий к ним прибавляют эмульгаторы – вещества, придающие эмульсиям агрегатную стабильность.

Пена – ячеистая грубодисперсная система, в которой дисперсной фазой является совокупность пузырьков газа (или пара), а дисперсионной средой – жидкость.

В пенах общий объем находящегося в пузырьках газа может в сотни раз превосходить объем жидкой дисперсионной среды, заключенной в прослойках между пузырьками газа.

2. Микрогетерогенные (или тонкодисперсные ) промежуточные системы, в которых размер частиц колеблется в пределах 10 – 5 –10 –7 м. К ним относятся тонкие взвеси, дымы, пористые твердые тела.

3. Ультрамикрогетерогенные (или коллоидно-дисперсные ) системы, в которых частицы размером 1–100нм (10 –9 –10 –7 м) состоят из 10 3_ 10 9 атомов и отделены от растворителя поверхностью раздела. Коллоидные растворы характеризуются предельно-высокодисперсным состоянием, их обычно называют золи , или часто лиозоли , чтобы подчеркнуть, что дисперсионной средой является жидкость. Если в качестве дисперсионной средой взята вода, то такие золи называют гидрозолями , а если органическая жидкость - органозолями .

Для большинства тонкодисперсных систем присущи определенные особенности:

невысокая скорость диффузии;

частицы дисперсной фазы (т.е. коллоидные частицы) можно рассмотреть лишь с помощью ультрамикроскопа или электронного микроскопа;

рассеивание света коллоидными частицами, вследствие чего в ультрамикроскопе они приобретают вид световых пятен – эффект Тиндаля (рис. 10.3);

Рисунок 10.3 – Ультрамикрогетерогенная (тонкодисперсная) система: а) коллоидный раствор; б) схема отклонения узкого луча света при прохождении через коллоидный раствор; в) рассеивание света коллоидным раствором (эффект Тиндаля)

• на поверхности раздела фаз в присутствии стабилизаторов (ионов электролитов) образуется ионный слой или сольватная оболочка, способствующие существованию частиц в суспендированном виде;
• дисперсная фаза является либо совсем нерастворимой, либо незначительно растворимой в дисперсионной среде.

В качестве примеров коллоидных частиц можно привести крахмал, белки, полимеры, каучук, мыла, Алюминий и Ферум (III) гидроксиды.

Классификация дисперсных систем соотношению агрегатных состояний дисперсной фазы и дисперсионной среды

Данная классификация предложена Оставльдом (табл. 10.1). При схематической записи агрегатного состояния дисперсных систем первым указывают буквами Г (газ), Ж (жидкость) или Т (твердое) агрегатное состояние дисперсной фазы, а затем ставят тире (или знак дроби) и записывают агрегатное состояние дисперсионной среды.

Таблица 10.1 – Классификация дисперсных систем

Классификация дисперсных систем по интенсивности молекулярного взаимодействия

Данная классификация предложена Г.Фрейндлихом и применяемая исключительно для систем с жидкой дисперсионной средой.

1. Лиофильные системы , в которых дисперсная фаза взаимодействует с дисперсионной средой и при определенных условиях способна в ней растворяться – это растворы коллоидных поверхностно-активных веществ (ПАВ), растворы высокомолекулярных соединений (ВМС). Среди разнообразных лиофильных систем наиболее важны в практическом отношении ПАВ, которые могут находиться как в молекулярно-растворенном состоянии, так и в виде агрегатов (мицелл), состоящих из десятков, сотен и более молекул.
2. Лиофобные системы , в которых дисперсная фаза не способна взаимодействовать с дисперсионной средой и растворяться в ней. В лиофобных системах взаимодействие между молекулами различных фаз значительно слабее, чем в случае лиофильных систем; межфазное поверхностное натяжение велико, вследствие чего система проявляет тенденцию к самопроизвольному укрупнению частиц дисперсной фазы.

Классификация дисперсных систем по физическому состоянию

Автор классификации П.Ребиндером. По этой классификации дисперсная система обозначается дробью, в которой дисперсная фаза ставится в числителе, а дисперсионная среда – в знаменателе. Например: Т 1 /Ж 2 обозначает дисперсную систему с твердой фазой (индекс 1) и жидкой дисперсионной средой (индекс 2). Классификация по Ребиндеру делит дисперсные системы на два класса:

1. Свободнодисперсные системы – золи, в которых дисперсная фаза не образует сплошных жестких структур (сеток, ферм или каркасов), обладает текучестью, а частицы дисперсной фазы не контактирует друг с другом, участвуя в беспорядочном тепловом движении и свободно перемещаясь под действием силы тяжести. К ним относятся аэрозоли, лиозоли, разбавленные суспензии и эмульсии.

Примеры свободнодисперсных систем:

• Дисперсные системы в газах с коллоидной дисперсностью (Т 1 /Г 2 – пыль в верхних слоях атмосферы, аэрозоли), с грубой дисперсностью (Т 1 /Г 2 – дымы и Ж 1 /Г 2 – туманы);
• Дисперсные системы в жидкостях с коллоидной дисперсностью (Т 1 /Ж 2 – лиозоли, дисперсные красители в воде, латексы синтетических полимеров), с грубой дисперсностью (Т 1 /Ж 2 – суспензии; Ж 1 /Ж 2 – жидкие эмульсии; Г 1 /Ж 2 – газовые эмульсии);
• Дисперсные системы в твердых телах: Т 1 /Т 2 – твердые золи, например, золь желтого металла в стекле, пигментированные волокна, наполненные полимеры.

2. Связнодисперсные (или сплошные) системы . В сплошных (связнодисперсных) системах частицы дисперсной фазы образуют жесткие пространственные структуры. Такие системы оказывают сопротивление деформации сдвига. Связнодисперсные системы твердообразны; они возникают при контакте частиц дисперсной фазы, приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки, ограничивающей текучесть дисперсной системы и придающей ей способность сохранять форму. Подобные структурированные коллоидные системы называют гелями.

Примеры связнодисперсных систем:

• Дисперсные системы с жидкой поверхностью раздела фаз (Г 1 /Ж 2 – пены; Ж1/Ж 2 – пенообразные эмульсии);
• Дисперсные системы с твердой поверхностью раздела фаз (Г 1 /Т 2 – пористые тела, натуральные волокна, пемза, губка, древесные угли; Ж 1 /Т 2 – влага в граните; Т 1 /Т 2 – взаимопроникающие сетки полимеров).

Получение и очистка коллоидных растворов

Получение коллоидных растворов

Коллоидные растворы могут быть получены диспергационными или к онденсационными методами.

1. Диспергационные методы - это способы получения лиофобных золей путем дробления крупных кусков до агрегатов коллоидных размеров.

Механическое дробление грубодисперсных систем осуществляется путем: раздробления, удара, истирания, расщепления. Измельчение частиц до размеров в несколько десятков микрон осуществляется с помощью шаровых мельниц. Очень тонкое раздробление (до 0,1-1 микрона) достигается на специальных коллоидных мельницах с узким зазором между быстро вращающимся ротором (10-20 тыс.об/мин) и неподвижным корпусом, причем частицы разрываются или истираются в зазоре. Работами П. А. Ребиндера установлено явление понижения сопротивления твердых тел упругим и пластическим деформациям, а также механическому разрушению под влиянием адсорбции поверхностно-активных веществ. Поверхностно-активные вещества облегчают диспергирование и способствуют значительному повышению степени дисперсности.

2. Конденсационные методы - это способы получения коллоидных растворов путем объединения (конденсации) молекул и ионов в агрегаты коллоидных размеров. Система из гомогенной превращается в гетерогенную, т. е. возникает новая фаза (дисперсная фаза). Обязательным условием является пересыщенность исходной системы.

Конденсационные методы классифицируют по природе сил, вызывающих конденсацию, на физическую конденсацию и химическую конденсацию.

Физическая конденсация может осуществляться из паров или путем замены растворителя.

Конденсация из паров. Исходное вещество находится в паре. При понижении температуры пар становится пересыщенным и частично конденсируется, образуя дисперсную фазу. Таким путем получают гидрозоли ртути и некоторых других металлов.

Метод замены растворителя. Метод основан на изменении состава и свойств дисперсионной среды. Например, спиртовой раствор серы, фосфора или канифоли влить в воду, вследствие понижения растворимости вещества в новом растворителе раствор становится пересыщенным и часть вещества конденсируется, образуя частицы дисперсной фазы.

Химическая конденсация состоит в том, что вещество, образующее дисперсную фазу, получается в результате химической реакции. Чтобы в ходе реакции образовался коллоидный раствор, а не истинный раствор или осадок, необходимо соблюдение, по крайней мере, трех условий:

1. вещество дисперсной фазы нерастворимо в дисперсионной среде;
2. скорость образования зародышей кристаллов дисперсной фазы гораздо больше, чем скорость роста кристаллов; это условие выполняется обычно тогда, когда концентрированный раствор одного компонента вливается в сильно разбавленный раствор другого компонента при интенсивном перемешивании;
3. одно из исходных веществ взято в избытке, именно оно является стабилизатором.

Методы очистки коллоидных растворов.

Полученные тем или иным способом коллоидные растворы обычно очищают от низкомолекулярных примесей (молекул и ионов). Удаление этих примесей осуществляется методами диализа,(электродиализ), ультрафильтрации.

Диализ – метод очистки с помощью полупроницаемой мембраной, которая отделяет коллоидный раствор от чистой дисперсионной среды. В качестве полупроницаемой (т.е. проницаемой для молекул и ионов, но непроницаемой для частиц дисперсной фазы) мембраны применяют пергамент, целлофан, коллодий, керамические фильтры и другие тонкопористые материалы. В результате диффузии низкомолекулярные примеси переходят во внешний раствор.

Ультрафильтрацией называется диализ, проводимый под давлением во внутренней камере. По существу, ультрафильтрация является не методом очистки золей, а лишь методом их концентрирования.

Оптические свойства коллоидных растворов

При падении света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления:

• прохождение света через систему;
• преломление света частицами дисперсной фазы (если эти частицы прозрачны);
• отражение света частицами дисперсной фазы (если частицы непрозрачны);
• рассеяние света;
• абсорбция (поглощение) света дисперсной фазой.

Рассеяние света наблюдается для систем, в которых частицы дисперсной фазы меньше, или соизмеримы с длиной волны падающего света. Напомним, что размеры частиц дисперсной фазы в коллоидных растворах - 10 -7 -10 -9 м. Следовательно, светорассеивание является характерным явлением для изучаемых нами коллоидных систем.

Теорию светорассеяния создал Рэлей. Он вывел уравнение, которое связывает интенсивность рассеянного света I с интенсивностью падающего света I 0 . справедливое при условии, что:

• частицы имеют сферическую форму;
• частицы не проводят электрический ток (т.е. являются неметаллическими);
• частицы не поглощают свет, т. е. являются бесцветными;
• коллоидный раствор является разбавленным в такой степени, что расстояние между частицами больше длины волны падающего света.

Уравнение Рэлея :

• где V - объем одной частицы,
• λ - длина волны;
• n 1 - показатель преломления частицы;
• n о - показатель преломления среды.

Из уравнения Релея вытекают следующие выводы:

1. Интенсивность рассеянного света тем больше, чем больше различаются показатели преломления частицы и среды (n 1 - п 0 ).
2. Если показатели преломления п 1 и n 0 одинаковы, то светорассеяние будет отсутствовать и в неоднородной среде.
3. Интенсивность рассеянного света тем больше, чем больше частичная концентрация v. Массовая концентрация c , г/дм 3 , которой обычно пользуются при приготовлении растворов, связана с частичной концентрацией выражением:

где ρ - плотность частицы.

Следует отметить, что эта зависимость сохраняется только в области малых размеров частиц. Для видимой части спектра это условие соответствует значениям 2 10 -6 см< r < 4 10 -6 см. С увеличением r рост I замедляется, а при r > λ, рассеяние заменяется отражением. Интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна концентрации.

4. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени.

Это означает, что при прохождении через коллоидный раствор пучка белого света преимущественно рассеиваются короткие волны - синей и фиолетовой частей спектра. Поэтому бесцветный золь в рассеянном свете имеет голубоватую окраску, а в проходящем свете - красноватую. Голубой цвет неба также обусловлен рассеянием света мельчайшими капельками воды в атмосфере. Оранжевый или красный цвет неба при восходе или заходе Солнца объясняется тем, что утром или вечером наблюдается, главным образом, свет, прошедший через атмосферу.

поглощение света . Уравнение Рэлея выведено для неокрашенных золей, т. е. не поглощающих свет. Однако многие коллоидные растворы имеют определенную окраску, т.е. поглощают свет в соответствующей области спектра - золь всегда окрашен в цвет, дополнительный к поглощенному. Так, поглощая синюю часть спектра (435-480 нм), золь оказывается желтым; при поглощении синевато-зеленой части (490-500 нм) он принимает красную окраску. Если лучи всего видимого спектра проходят через прозрачное тело или отражаются от непрозрачного, то прозрачное тело кажется бесцветным, а непрозрачное - белым. Если тело поглощает излучение всего видимого спектра, оно кажется черным. Оптические свойства коллоидных растворов, способных к поглощению света, можно характеризовать по изменению интенсивности света при прохождении через систему. Для этого используют закон Бугера-Ламберта-Бера:

где I 0 - интенсивность падающего света; I пр - интенсивность прошедшего через золь света; k - коэффициент поглощения; l - толщина слоя золя; с - концентрация золя.

Если прологарифмировать выражение, получим:

Величину называют оптической плотностью раствора. При работе с монохроматическим светом всегда указывают, при какой длине волны была определена оптическая плотность, обозначая ее D λ .

Мицелярная теория строения коллоидных систем

Рассмотрим строение гидрофобной коллоидной частицы на примере образования золя AgI обменной реакцией

АgNO 3 + KI → AgI + KNO 3 .

Если вещества берутся в эквивалентных количествах, то выпадает кристаллический осадок AgI . Но, если одна из исходных веществ будет в избытке, например КI , процесс кристаллизации AgI ведет к образованию коллоидного раствора - мицеллы AgI .

Схема строения мицеллы гидрозоля AgI показана на рис.10.4.

Рисунок 10.4 – Схема мицеллы гидрозоля AgI, образовавшейся при избытке KI

Агрегат молекул [ mAgI ] 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:

1. 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.

1. 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.
2. 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:

1. 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.
2. 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