Лиофобные коллоидные растворы. Межфазные и электрокинетические потенциалы коллоидных частиц.

Лиофобные коллоидные растворы также называют золями или лио-золями. Любое вещество может быть получено в коллоидном состоянии, только необходимо создать соответствующие условия. Условия образования и существования коллоидных растворов:

Ø малая растворимость дисперсной фазы, то есть плохое сродство ее к дисперсионной среде;

Ø определенный размер частиц (10–9 – 10–6 м);

Ø присутствие стабилизатора.

Золи обязательно требуют присутствия специального стабилизато-ра (электролита). Ионы стабилизатора адсорбируются на частицах дис-персной фазы, образуя на их поверхности двойной электрический слой (ДЭС), и тем самым обеспечивают устойчивость дисперсной системы. Образовавшиеся при этом микроструктуры представляют собой мицеллы золя.

Мицеллой лиофобной системы называется гетерогенная микросис-тема, которая состоит из микрокристалла дисперсной фазы, окру-женного сольватированными ионами стабилизатора.

Потенциал, возникающий на межфазной границе между твердой и жидкой фазами в грануле (граница АА, рис.19), называется межфазным ( φ мф).Значение межфазного потенциала зависит от природы твердой фазы, заряда и концентрации потенциалопределяющих ионов. Знак φ мф совпада-ет со знаком заряда ПОИ.

Потенциал на границе скольжения ББ (рис.19) между адсорбцион-ным и диффузным слоями ДЭС мицеллы называется электрокинетиче-ским(дзета) потенциалом ξ. Электрокинетический потенциал является характеристикой ДЭС: он определяет возможность и скорость относительного перемещения дис-персной фазы и дисперсионной среды, интенсивность электрокинетиче-ских явлений, устойчивость золей и разрушение дисперсных систем элек-тролитами. Величина ξ -потенциала зависит от толщины диффузного слоя: чем она меньше, тем меньше ξ -потенциал. Толщина диффузного слоя опреде-ляется концентрацией и зарядом противоионов. Чем выше заряд противо-оинов и больше их концентрация, тем больше противоионов находится в плотном слое и меньше их остается в диффузном слое. Это приводит к уменьшению ξ -потенциала. Изменение ξ -потенциала зависит от свойств среды и наличия в ней противоионов. Добавление в дисперсионную среду одновалентных проти-воионов приводит к сжатию диффузного слоя и снижению ξ -потенциала.

Таким образом, значения ξ -потенциала могут быть отрицательными или положительными, а в определенных условиях он становится равным нулю (изоэлектрическое состояние).

Методы получения и очистки коллоидных растворов. Диализ. Принцип АИП.

Все методы получениядисперсных систем сводятся либо к объеди-нению молекул или ионов в агрегаты дисперсной фазы, либо к доведению частиц вещества до определенной степени дисперсности. В соответствии с этим получение дисперсных систем осуществляет-ся конденсацией и диспергированием. В основе этих методов лежат два противоположных процесса – агрегация более мелких частиц (конденса-ция) и дробление более крупных частиц (диспергирование), приводящих к единому результату – образованию дисперсных систем.

Конденсационные методы получения лиофобных коллоидов Взаимодействие ионов и молекул с образованием частиц коллоид-ных размеров может быть достигнуто физическими и химическими мето-дами. Химическая конденсация Метод окисления. В результате реакции окисления может быть по-лучен коллоидный раствор, например: 2H2S + SO2 3S + 2H2O. Образующиеся атомы нейтральной серы затем самопроизвольно конденсируются в коллоидные частицы серы: {[S]m nHS– (n-x) H+}x– xH+.

Реакция восстановления . На реакции восстановления основан один из наиболее распространенных химических методов получения коллоид-ных растворов металлов. В качестве восстановителей обычно используют-ся вещества, обладающие восстанавливающими свойствами, как, напри-мер, газообразный водород, формалин, танин. Например, реакции получения золя серебра восстановлением раз-бавленных растворов солей серебра в щелочной среде танином (С76Н52О46): AgNO3 + K2CO3 Ag2O + 2KNO3 + CO2 3Ag2O + С76Н52О46 6Ag + C76H52O49 Строение мицеллы данного золя можно представить следующей схемой: {[Ag]mmAg2OnAgO–(n-x) K+}x–xK+. В медицине применяются коллоидные препараты серебра – кол-ларгол, протаргол. Красный золь золота, применяемый в медицине, получают вос-становлением натриевой соли золотой кислоты формальдегидом: NaAuO2 + HCOH + Na2CO3 Au + HCOONa + H2O. Строение мицеллы данного золя можно представить следующей схемой: {[Au]m· nAuO2–· (n-x) Na+}x– xNa+. Реакция обмена . В результате реакции обмена образуется новое ма-лорастворимое вещество, способное сохраняться в высокодисперсном со-стоянии при наличии ряда соответствующих благоприятных условий (концентрация реагирующих веществ, примеси и др.). Примером может служить получение золя сернистого мышьяка: 2H3AsO3 + 3H2S As2S3 + 6H2O, {[Аs2S3]m nНS–·(n-x)Н+}x– xН+ Реакция гидролиза. Гидролизом широко пользуются при получении золей из солей, если в результате реакции гидролиза образуются плохо растворимые вещества. Так, например, нерастворимый гидроксид железа(III) получается при гидролизе хлорида железа(III) при температуре 100С по уравнению: FeCl3+ 3H2O t Fe(OH)3 + 3HCl. Образующийся на поверхности его частиц оксохлорид железа(III), Fe(OH)3 + HCl FeOCl + 2H2O, диссоциирует на ионы: FeOCl FeO+ +Cl–, которые образуют двойной электрический слой вокруг частиц Fe(OH)3 и удерживают их во взвешенном состоянии: {[Fe(OH)3]m nFeO+ (n–x)Cl–}x+ xCl–.

Физическая конденсация

Метод замены растворителя. Метод основан на выделении рас-творенного вещества из раствора в виде высокодисперсной нераствори-мой фазы путем замены растворителя. Молекулы растворенного вещества, находящегося в состоянии молекулярной дисперсности в одном раствори-теле, попадая в условия малой растворимости при замене растворителя, начинают конденсироваться в более крупные коллоидные частицы. Дан-ным методом можно приготовить золи серы, холестерина, канифоли, мас-тики при вливании спиртовых растворов этих веществ в воду.

Диспергационные методы получения дисперсных систем Диспергированием называют тонкое измельчение твердых материа-лов или жидкостей и распределение их частиц в жидкой или газообразной среде, в результате чего образуются порошки, суспензии, эмульсии, аэро-золи. Механические методы . Для дробления веществ в лабораториях и на производствах применяются устройства, работающие по принципу удар-ного размельчения и растирания, диспергируемых материалов; к таким устройствам относятся шаровые и коллоидные мельницы. Ультразвуковой метод . Диспергирующее действие ультразвука связано с тем, что при прохождении звуковой волны в жидкости происхо-дят локальные быстро сменяющиеся сжатия и растяжения, которые соз-дают разрывающее усилие и приводят к диспергированию взвешенных частиц. Таким путем получают высокодисперсные эмульсии и суспензии, в том числе пригодные для внутривенного введения. Кроме того, при дей-ствии ультразвука на коллоидные растворы, эмульсии, суспензии проис-ходит их стерилизация, так как кавитация (образование пузырьков) вызы-вает разрушение тел микроорганизмов и их спор. Кавитация возникает во время ударной волны при липотрипсии и играет важную роль при разру-шении камней в почках. Электрический метод . Метод получения коллоидных растворов при помощи электричества, который предложен Бредигом (1898), можно использовать главным образом, для приготовления гидрозолей благород-ных металлов. Этот метод основан на получении электрической дуги ме-жду электродами, состоящими из диспергируемого металла (серебра, зо-лота). Под воздействием высокой температуры происходит испарение ма-териала электродов в дисперсионной водной среде. Затем пары металла конденсируются в коллоидные частицы, образуя соответствующий золь. Процесс проводят при охлаждении. Метод самопроизвольного диспергирования . Этот метод может быть использован для получения растворов высокомолекулярных веществ из твердых полимеров диспергированием их в соответствующих раство-рителях, как, например, при растворении в воде крахмала, гуммиарабика, желатина, сухого белка, агар-агара. Метод самопроизвольного диспергирования твердого вещества в жидкой среде приводит к образованию двухфазной устойчивой коллоид- ной системы. Самодиспергирование совершается без внешних механиче- ских воздействий на этот процесс; так, например, некоторые масла могут самопроизвольно эмульгироваться в воде при наличии в среде стабилиза- тора (15 – 35% натриевого мыла).

Методы очистки дисперсных систем Биологические жидкости содержат одновременно вещества в колло- идном состоянии и примеси ионов и молекул низкомолекулярных ве- ществ. Очистка коллоидных растворов от примесей низкомолекулярных веществ основана на том, что крупные коллоидные частицы, в отличие от НМВ не проникают через животные и растительные мембраны (коллодий, целлофан, кишечная ткань)

Диализ заключается в очистке коллоидных систем от ионов и моле- кул низкомолекулярных веществ в результате их диффузии в чистый рас- творитель через полупроницаемую перегородку (мембрану), через кото- рую не проходят коллоидные частицы. Периодически или непрерывно сменяя растворитель в приборе для диализа – диализаторе (рис.15), можно практически полностью удалить из дисперсных систем примеси электро- литов и низкомолекулярных неэлектролитов. Недостатком метода является большая длительность процесса очи- стки (недели, месяцы).

Электродиализ – это процесс диализа в условиях наложения посто-янного электрического поля, под действием которого катионы и анионы приобретают направленное движение к электродам, и про-цесс очистки значительно ускоряется. Компенсационный или вивидиали з применяют тогда, когда необ-ходимо освободиться лишь от части низкомолекулярных примесей. В этом случае растворитель заменяют раствором НМВ, которые необходимо оставить в коллоидном растворе.

По принципу вивидиализа работает аппарат «искусственная почка» (АИП) (рис.16), применяемый при острой почечной недостаточности, ко-торая может наступить в результате отравления, при тяжелых ожогах и т.п.

Работа искусственной почки основана на принципе диализа веществ через полупроницаемую мембрану (целлофан) вследствие разницы их концентраций в крови и диализирующем растворе, который содержит ос-новные электролиты крови и глюкозу в близких к физиологическим кон-центрациях и не содержит веществ, которые надо удалять из организма (мочевина, креатинин, мочевая кислота, сульфаты, фосфаты и др.). Белки, форменные элементы крови, бактерии и вещества с молекулярной массой более 30000 через мембрану не проходят. При гемодиализе, т. е. работе искусственной почки, кровь больного отсасывается через катетер (1) насо-сом (2) из нижней полой вены, проходит внутри камер из целлофановых листов диализатора (3), которые снаружи омываются диализирующим раствором, подаваемым другим насосом, и, частично очищенная, возвращается в одну из поверхностных вен. Гемодиализ проводится от 4 до 12 ч; в течение этого времени, чтобы кровь не свѐ ртывалась, в неѐ вводят про- тивосвѐ ртывающие вещества (гепарин). При острой почечной недостаточ- ности гемодиализ повторяют через 3–6 дней до восстановления функции почек; при хронической недостаточности, когда его необходимо прово- дить 2–3 раза в неделю в течение нескольких месяцев или лет, между лу- чевой артерией и поверхностной веной предплечья устанавливают тефло- новый шунт, с которым и соединяют искусственную почку. В этом случае кровь может поступать в диализатор без использования насоса.

Ультрафильтрация – фильтрование дисперсной системы через по- лупроницаемую мембрану, пропускающую дисперсионную среду с низкомолекулярными примесями и задерживающую частицы дис- персной фазы или макромолекулы.

Для ускорения процесса ультрафильтрации ее проводят, создавая разность давления на мембране, понижая давление под мембраной (созда- вая разрежение, вакуумируя) или повышая давление над мембраной. Для предотвращения разрыва мембраны ее помещают на твердую пористую пластинку.

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: