Nakladatelství hledá autory naučné literatury. Nakladatelství naučné literatury. „Tenké technologie náročné na vědu“

krása

Disperzní systémy

Dispergované systémy studovali F. Selmi, M. Faraday, T. Graham, I. G. Borshchev, Vo. Ostwald, G. Freindlikh, A.V. Dumanský, N.P. Peskov a další.

1. Typy disperzních systémů: T/L soly, T/L suspenze, T/G nebo L/G (T nebo L/G) aerosoly, L/L emulze, G/L pěny, T/G prášky. Rozdíl mezi suspenzemi a soly je velikost dispergované fáze. Prášky se od aerosolů liší mnohem vyšší koncentrací pevných částic.

2. Klasifikace disperzních systémů:

I) podle skupenství disperzní fáze a disperzní médium, je známo 8 systémů.

stůl 1

Disperzní fáze	Disperzní médium	Symbol	Typ disperzních systémů	Příklady
Pevný	Pevná kapalina	T/T T/F T/Y	Minerály, slitiny Suspenze, soly Aerosol, prášky	Rubín, diamant, ocel Suspenze, hlína, barvy s pevnými pigmenty, pasty, kovové soly ve vodě, léky. Prach, kouř, prášky, včetně léků.
Kapalina	Pevná kapalina	W/T W/W W/G	Porézní tělesa Emulze Aerosol	Perly, opál, kapalina v porézních tělesech, adsorbenty (v kapalinách), půdy Krémy, mléko, majonéza, přírodní olej Mlha, mraky, drogy.
plynný	Pevná kapalina	G/T G/W	Porézní tělesa Pěna	Tvrdé pěny, pemza, chléb, adsorbenty (v plynech). Šlehačka; pěny: mýdlové, protipožární, fluoridační; léky.

Podle Zsigmondyho: solidozoli– systémy s pevným disperzním médiem; lyosolů(soly) - s kapalným disperzním médiem; aerosoly– s plynným disperzním prostředím.

II) podle stupně disperze(podle velikosti částic dispergované fáze). Jedná se o heterogenní systémy, nestabilní.

a) hrubé s velikostí částic větší než 10 -7 m - suspenze, emulze, prášky, pěny; Jedná se o heterogenní systémy, nestabilní.

b) koloidní systémy s velikostí částic 10 -7 - 10 -9 m - solů; jedná se o ultramikroheterogenní systémy (heterogenita se zjišťuje pouze pomocí ultramikroskopu) a jsou zcela stabilní.

V této části jsou tradičně pro srovnání zvažována skutečná řešení:

ü molekulárně dispergované systémy s částicemi řádu 10-10 m. Jsou to zpravidla roztoky neelektrolytů (alkohol, glukóza, močovina) a slabých elektrolytů (kyselina octová);

ü iontově dispergované systémy s částicemi menšími než 10-10 m, jedná se o roztoky elektrolytů (roztok chloridu sodného.

Řešení jsou homogenní systémy, jsou stabilní.

III) na mezifázovou interakci. V závislosti na intenzitě interakce mezi dispergovanou fází a disperzním prostředím se rozlišují systémy:

- lyofilní– silná interakce mezi dispergovanou fází a disperzním prostředím (dispergovaná fáze je dobře smáčená, bobtná nebo se rozpouští). Příkladem lyofilních systémů jsou roztoky mýdel (sodné a draselné soli vyšších karboxylových kyselin), alkaloidů (organické báze s obsahem dusíku přírodního původu), taniny (neboli taniny - fenolické sloučeniny rostlinného původu obsahující velký počet skupiny –OH), některá barviva. Vznikají spontánně a jsou reverzibilní. Termodynamicky stabilní.

- lyofobní- slabá interakce dispergované fáze a disperzního média (dispergované částice jsou špatně smáčené, nebobtnají a nerozpouštějí se.). Lyofobní - koloidy špatně rozpustných látek: kovy, hydroxid železitý, v biologických systémech - nerozpustné soli vápníku, hořčíku, cholesterolu. Mohou existovat lyofobní soly dlouho pouze za přítomnosti stabilizátorů a jsou nevratné. termodynamicky nestabilní.

Pokud je disperzním systémem voda, pak se odpovídající systémy nazývají hydrofilní nebo hydrofobní.

IV) podle struktury: vázaný-dispergovaný, volně-dispergovaný Obr.1.

Volně rozptýlené- částice dispergované fáze nejsou vzájemně propojeny - suspenze, emulze, soly, aerosoly, léčivé pasty (zinková pasta).

Lepené disperze– částice dispergované fáze tvoří prostorovou síť a fáze se nemůže volně pohybovat – gely („rosolovitý“ stav, získávaný ze solů) a želé (IUD), pěny, biologické membrány, pevné roztoky (slitiny), porézní tělesa.

Rozdělení je podmíněné. Procesy tvorby struktury probíhající ve volně disperzních systémech mohou skončit vytvořením vázaných disperzních systémů. Sol se změní na gel. A naopak. Pozorováno tixotropie– vratná změna fyzikálních a mechanických vlastností systému.

tuhý koloid

↔ gel

↔ sol

vázaný disperzní systém

volně disperzní systém

3. Metody získávání koloidních systémů(Metodický průvodce workshopem o obecné chemii, s. 161-163).

A. Příprava suspenzí.

Suspenze, stejně jako jakýkoli jiný disperzní systém, lze získat dvěma skupinami metod: ze strany hrubých systémů disperzními metodami, ze strany pravých roztoků - kondenzačními metodami.

Vzhledem k tomu, že suspenze jsou suspenze prášků v kapalině, nejjednodušší a nejrozšířenější způsob získávání zředěných suspenzí jak v průmyslu, tak v každodenním životě je promíchání odpovídajícího prášku ve vhodné kapalině pomocí různých míchacích zařízení (míchačky, mixéry atd.) .). Pro získání koncentrovaných suspenzí (past) se odpovídající prášky triturují s malým množstvím kapaliny.

Suspenze se tvoří také jako výsledek koagulace lyosolů. Proto jsou způsoby provádění koagulace zároveň způsoby získávání suspenzí.

B. Získávání emulzí.

Soustava dvou nemísitelných kapalin bude v termodynamicky stabilním stavu, pokud se bude skládat ze dvou souvislé vrstvy: horní (lehčí kapalina) a spodní (těžší kapalina). Jakmile začneme drtit jednu ze souvislých vrstev na kapičky, abychom získali emulzi, zvětší se mezifázový povrch a následně se volná povrchová energie a systém stanou termodynamicky nestabilními. Čím více energie bude vynaloženo na tvorbu emulze, tím bude nestabilnější. Prozradit emulzi relativní odolnost, používat speciální látky – stabilizátory, tzv emulgátory. Jedná se o povrchově aktivní látky nebo IUD, které se absorbují na rozhraní a snižují povrchovou Gibbsovu energii (mezipovrchové napětí); v důsledku toho se vytvoří mechanicky pevný absorpční film. Téměř všechny emulze (s výjimkou některých, které se tvoří spontánně) se získávají pouze v přítomnosti emulgátorů.

Emulze jsou alespoň třísložkové systémy sestávající z polární kapaliny, nepolární kapaliny a emulgátoru. V tomto případě je jedna z kapalin ve formě kapek. Kapky požadované velikosti lze získat dvěma různými způsoby: kondenzační metodou, kdy je pěstujeme z malých center tvorby kapek, a disperzní metodou, rozdrcením velkých kapek.

Disperzní metody jsou nejrozšířenější jak v laboratorní, tak v průmyslové praxi.

Metody čištění koloidních systémů.

Více informací naleznete v Metodické příručce (str. 163.)

a) Filtrace (lat. filtrum - plsť),

b) Dialýza (řecká dialýza - separace). Kompenzační dialýza. Elektrodialýza.

c) Ultrafiltrace (lat. ultra - over).

d) Reverzní osmóza.

5. Vznik, struktura a náboj koloidní částice. micelární vzorec. Struktura elektrické dvouvrstvy. elektrokinetický potenciál.

Viz též metodická příručka (str. 164-165.)

Často, kromě micel, stabilizátoru a rozpouštědla, výsledné dispergované systémy obsahují nízkomolekulární látky (nečistoty). Snižují stabilitu DS (mohou neutralizovat náboj koloidních částic, což vede ke koagulaci a destrukci koloidních systémů). K čištění koloidních systémů od nízkomolekulárních nečistot se používá dialýza, elektrodialýza a ultrafiltrace.

Dialýza(navrhl a pojmenoval T. Graham) je založen na průchodu koloidního roztoku přes semipermeabilní membránu. Nejjednodušším dialyzátorem (obr. 5) je sáček z polopropustného materiálu, do kterého se nalije koloidní roztok a sáček se spustí do nádoby s vodou (rozpouštědlem). Polopropustné membrány díky malé velikosti otvorů zadržují koloidní částice, zatímco nízkomolekulární procházejí membránou do rozpouštědla. V důsledku toho jsou z koloidního roztoku odstraněny nízkomolekulární látky. Dříve se jako semipermeabilní membrána používaly stěny močového nebo žlučníkového, střeva a pergamenu. V současnosti jsou membrány vyrobené z kolodia (roztok dusičnanu celulózy) celofánové. Jsou velmi pohodlné, protože. membrány lze vyrobit s libovolnou velikostí otvoru.

Rýže. 5. Dialyzátory T. Graham.

Je třeba poznamenat, že dlouhodobá dialýza může kromě odstranění nečistot z roztoku vést ke koagulaci systému v důsledku odstranění stabilizátoru.

Elektrodialýza. Protože nízkomolekulární nečistoty v solech jsou elektrolyty, lze dialýzu urychlit aplikací elektrického proudu. K tomu se koloidní roztok umístí mezi dvě membrány, mimo ně

Dialýza se používá v biotechnologii a farmacii k čištění proteinů, nitroděložních tělísek od solných nečistot, k získání cenných léků - globulinu, flokulantů atd. Dialýza se na klinice používá jako způsob léčby ("hemodialýza") u pacientů s onemocněním jater , ledviny, dlouhodobý tlakový syndrom, při akutní otravě. V tomto případě je krev pacienta vedena přes přístroj "umělé ledviny". Jde o systém s membránou, jejíž jedna strana je promývána fyziologickým roztokem stejného složení jako krevní plazma a druhá krví pacienta. Při hemodialýze nízkomolekulární metabolické produkty opouštějí krev přes membránu, zatímco bílkoviny zůstávají v krvi (kvůli jejich velké velikosti). Zachovány jsou i soli potřebné pro tělo, protože. mezi krví a fyziologickým roztokem není žádný koncentrační gradient.

ultrafiltrace je dialýza prováděná pod tlakem nebo vakuem. V podstatě se nejedná o metodu čištění, ale o metodu zahušťování DF, tzn. oddělení DF od disperzního média. K tomu se koloidní roztok vede přes ultrafiltry - mechanicky pevné a silné filtry s velmi malými otvory. Jako ultrafiltry se používají destičky s otvory z azbestu, porcelánu a dalších keramických materiálů potažené celofánem, filtrační papír napuštěný koloidem. Pro urychlení filtrace se z nádoby pod filtrem odčerpává vzduch nebo se vzduch vhání nad filtr.

Při ultrafiltraci spolu s nízkomolekulárními nečistotami procházejí přes filtry i molekuly rozpouštědla (disperzní médium). Proto je v případě potřeby po ultrafiltraci nutné naředit koloidní roztok na požadovanou (výchozí) koncentraci.

Rýže. 7. Schéma

ultrafiltr:

A - koloidní roztok;

M - membrána; P - deska s otvory;

U - ultrafiltrát

Ultrafiltrace se používá stejně jako dialýza a elektrodialýza, zejména k čištění kultivační tekutiny od těl bakterií produkujících antibiotika, separaci proteinů a sterilizaci jejich roztoků. V tomto případě na filtru zůstávají bakterie, viry a z filtrátu se izolují potřebné léčivé látky (séra, vakcíny).

Přednáška číslo 5. Teorie elektrické dvojvrstvy

Čištění koloidních systémů

Kromě micel, stabilizačního elektrolytu a rozpouštědla obsahují soly získané jedním nebo druhým způsobem nízkomolekulární nečistoty. Například sol AgNO 3 získaný jako výsledek interakce AgNO 3 a KJ vždy obsahuje významné množství indiferentního elektrolytu KNO 3 . Nečistoty se mohou dostat do koloidních systémů v důsledku kontaminace výchozích materiálů nebo z jiných důvodů.

Cizí elektrolyty snižují stabilitu výsledného solu a musí se čistit. Nízkomolekulární nečistoty lze z lyosolů odstranit pomocí dialýzy, elektrodialýzy a ultrafiltrace.

Dialýza je založena na schopnosti malých molekul nebo iontů procházet semipermeabilními filmy (membránami). Velké částice solu nemohou procházet membránami. Nejjednodušším dialyzátorem je sáček z polopropustného materiálu, do kterého se sype čištěný sol. Vak se spustí do nádoby s vodou.

Dnes existuje mnoho vylepšených konstrukcí dialyzátorů, které poskytují rychlejší proces dialýzy. Intenzifikace procesu se dosahuje zvětšením povrchu, přes který dialýza probíhá, zmenšením vrstvy dialyzovatelné tekutiny, častou nebo kontinuální výměnou vnější tekutiny (např. vody) a zahříváním.

Povaha membrány na základě dialyzovaného systému musí být odlišná. Dříve se jako blány používal hovězí měchýř nebo pergamen. Dnes se často používají membrány připravené z roztoku dusičnanu celulózy. Οʜᴎ jsou pohodlné, protože mohou být vyrobeny s póry jakéhokoli průměru.

Delší dialýza způsobuje nejen odstranění nečistot z roztoku, ale také stažení stabilizátoru, což může vést ke srážení.

Elektrodialýza. V případech, kdy jsou nečistotami elektrolyty, lze dialýzu urychlit aplikací elektrického pole. Schéma jednoduchého elektrodialyzátoru se skládá ze tří komor oddělených od sebe polopropustnými přepážkami. V bočních komorách jsou instalovány elektrody, do kterých je průběžně přiváděna a vypouštěna destilovaná voda, což je vnější kapalina střední komory, do které se přivádí čištěný sol. Elektrodialýza je zvláště účinná po předúpravě konvenční dialýzou, kdy je rychlost difúze v důsledku poklesu koncentračního gradientu elektrolytů mezi solem a vodou malá a lze aplikovat vysokonapěťové elektrické pole bez obav ze silného zahřátí solu.

ultrafiltrace. Jedná se o tlakovou dialýzu. Ultrafiltrace v podstatě není způsob čištění solů, ale způsob jejich zahušťování a zvyšuje se koncentrace pouze dispergované fáze, přičemž složení disperzního média zůstává prakticky konstantní.

Pokud se sol po částečné ultrafiltraci zředí čistým rozpouštědlem na předchozí obsah disperzního prostředí, bude obsahovat méně nízkomolekulárních látek, ale také méně stabilizujících elektrolytů.

Pomocí ultrafiltrů různé pórovitosti je možné rozdělit koloidní systém na více monodisperzní frakce a určit disperzitu těchto frakcí.

Zařízení pro ultrafiltraci je mnoho. Vzhledem k tomu, že ultrafiltrace probíhá pod tlakem, je membrána buď navrstvena na desku s menšími otvory, která jí slouží jako podpěra, nebo se přímo získává na stěnách neglazované nádoby.

Čištění koloidních systémů - pojem a typy. Klasifikace a vlastnosti kategorie "Čištění koloidních systémů" 2017, 2018.

Protože koloidní systémy zaujímají z hlediska velikosti částic střední polohu mezi hrubě dispergovanými systémy a skutečnými roztoky, lze způsoby jejich přípravy rozdělit do dvou skupin: disperzní a kondenzační.

Disperzní metody na základě mletí dispergované fáze. K disperzi s tvorbou lyofilních koloidních systémů dochází spontánně v důsledku tepelného pohybu. Tvorba lyofobních koloidních systémů vyžaduje energii. Pro dosažení požadovaného stupně disperze použijte:

mechanické drcení kulovými nebo koloidními mlýny;

broušení ultrazvukem;

elektrická disperze (k získání kovových solů);

chemická disperze (peptizace).

Disperze se obecně provádí v přítomnosti stabilizátoru. Může se jednat o přebytek některého z činidel, povrchově aktivních látek, proteinů, polysacharidů.

Kondenzační metody spočívají v interakci skutečných molekul roztoku s tvorbou částic koloidních velikostí, čehož lze dosáhnout jak fyzikálními, tak chemickými metodami.

Fyzikální metoda je metoda nahrazující rozpouštědlo (například se do pravého roztoku kalafuny v alkoholu přidá voda, poté se alkohol odstraní).

Chemická kondenzace spočívá v získávání koloidních roztoků chemickými reakcemi za vzniku těžko rozpustných sloučenin:

AgNO 3 + KI \u003d AgI (t) + KNO 3

2HAuCl4 + 3H20 \u003d 2Au (t) + 8HCl + 3O2

Zásobní roztoky by měly být zředěny a měly by obsahovat přebytek jednoho z činidel.

3. Metody čištění koloidních roztoků

Pokud koloidní roztoky obsahují nečistoty rozpuštěných nízkomolekulárních látek a hrubé částice, pak jejich přítomnost může nepříznivě ovlivnit vlastnosti solů a snížit jejich stabilitu.

K čištění koloidních roztoků od nečistot, filtrace, dialýza, elektrodialýza, ultrafiltrace.

Filtrace je založena na schopnosti koloidních částic procházet póry běžných filtrů. V tomto případě jsou zadrženy větší částice. Filtrace se používá k čištění koloidních roztoků od nečistot hrubých částic.

Dialýza- odstranění pomocí membrán nízkomolekulárních sloučenin z koloidních roztoků a roztoků IUD. V tomto případě se využívá vlastnosti membrán propouštět malé molekuly a ionty a zadržovat koloidní částice a makromolekuly. Tekutina, která má být dialyzována, je oddělena od čistého rozpouštědla vhodnou membránou. Malé molekuly a ionty difundují přes membránu do rozpouštědla a při jeho dostatečně časté výměně jsou téměř úplně odstraněny z dialyzovatelné tekutiny. Propustnost membrány vůči látkám s nízkou molekulovou hmotností je dána buď tím, že malé molekuly a ionty volně procházejí kapilárami pronikajícími membránou nebo se rozpouštějí v membránové látce. Jako membrány pro dialýzu se používají různé filmy, jako přírodní - hovězí nebo prasečí. měchýř, plynový měchýř ryby a umělé - z nitrocelulózy, acetátu celulózy, celofánu, želatiny a dalších materiálů.

Umělé membrány mají oproti přírodním výhodu v tom, že je lze připravit s proměnlivou a vysoce reprodukovatelnou permeabilitou. Při výběru materiálu na membránu je často nutné vzít v úvahu náboj membrány v konkrétním rozpouštědle, který vzniká buď disociaci samotné membránové látky, nebo selektivní adsorpcí iontů na ní, nebo nerovnoměrné rozložení iontů na obou stranách membrány. Přítomnost náboje na membráně může někdy způsobit koagulace při dialýze koloidních roztoků, jejichž částice nesou náboj opačný ve znaménku, než je náboj membrány. Povrch celofánových a kolodiových membrán ve vodě a vodných roztocích je obvykle záporně nabitý. Proteinové membrány v prostředí s pH nižším, než je izoelektrický bod proteinu, jsou nabité kladně a v prostředí s vysokým pH záporně.

Existuje široká škála dialyzátorů - zařízení pro dialýzu. Všechny dialyzátory jsou postaveny podle obecný princip: Tekutina, která má být dialyzována ("vnitřní tekutina") je v nádobě, ve které je oddělena od vody nebo jiného rozpouštědla ("vnější tekutina") membránou. Rychlost dialýzy se zvyšuje se zvětšováním povrchu membrány, její pórovitosti a velikosti pórů, se zvyšováním teploty, intenzitou promíchávání dialyzované tekutiny, rychlostí změny vnější tekutiny a snižuje se s nárůstem tloušťka membrány.

Obr.31.1 . Dialyzátor: 1 - dialyzovatelná tekutina; 2 - solventní; 3 - dialyzační membrána; 4 - míchadlo

Elektrodialýza používá se ke zvýšení rychlosti dialýzy nízkomolekulárních elektrolytů. Za tímto účelem se v dialyzátoru vytváří konstantní elektrické pole. Provádění dialýzy v elektrickém poli umožňuje několikanásobně urychlit čištění koloidního roztoku.

Kompenzační dialýza se používají, když je potřeba zbavit koloidní roztok pouze části nečistot s nízkou molekulovou hmotností. V dialyzátoru je rozpouštědlo nahrazeno externím roztokem nízkomolekulárních látek, které je nutné ponechat v koloidním roztoku.

Jednou z odrůd kompenzační dialýzy je hemodialýza– čištění krve pomocí přístroje umělá ledvina. Žilní krev přichází přes membránu do kontaktu s vnějším roztokem obsahujícím látky ve stejné koncentraci jako krev, které je nutné v krvi uchovávat (cukr, sodíkové ionty). Krev se v tomto případě čistí od toxinů (močovina, kyselina močová, bilirubin, aminy, peptidy, přebytek draselných iontů), které procházejí membránou do vnějšího roztoku. Bezsérový cukr se stanoví kompenzační sérovou dialýzou proti izotonickému fyziologickému roztoku, do kterého se přidávají různá množství cukru. Koncentrace cukru ve fyziologickém roztoku se při dialýze nemění pouze tehdy, když je rovna koncentraci volného cukru v krvi.

ultrafiltrace používá se k čištění systémů obsahujících koloidní částice (soly, roztoky IUD, suspenze bakterií a virů). Metoda je založena na nucení směsi k separaci přes filtry s póry, které propouštějí pouze molekuly a ionty nízkomolekulárních látek. Ultrafiltraci lze do určité míry chápat jako tlakovou dialýzu. Ultrafiltrace se široce používá k čištění vody, proteinů, nukleových kyselin, enzymů, vitamínů a také v mikrobiologii při určování velikosti virů a bakteriofágů.

1. Klasifikace disperzních systémů.

2. Metody získávání koloidních systémů.

3. Metody čištění koloidních roztoků.

8. Stabilita a koagulace koloidních systémů.

Klasifikace disperzních systémů

rozptýlené nazývá se systém sestávající z dispergované fáze - souboru fragmentovaných částic a spojitého disperzního prostředí, ve kterém jsou tyto částice v suspenzi.

Pro charakterizaci fragmentace dispergované fáze byl zaveden pojem stupně disperze d, který se měří převrácenou hodnotou středního průměru, nebo u nekulových částic převrácenou hodnotou středního ekvivalentního průměru. d(m -1):

Později, jako míra fragmentace, bylo navrženo použít specifický povrch (m -1):

kde S df - plocha povrchu disperzní fáze, PROTIdf- objem dispergované fáze.

Podle stupně disperze se rozlišují hrubě dispergované a koloidně dispergované.

Klasifikace disperzních systémů podle stupně disperze

Volně rozptýlené:

1) ultramikroheterogenní ( pravý koloidní) 10-7 - 10-5 cm (od 1 do 100 mikronů) - - (t/t);

2) mikroheterogenní 10 -5 - 10 -3 cm. (od 0,1 do 10 mikronů) t/w, w/w, g/l, t/g.

3) hrubé > 10-3 cm; t/r

Propojené disperzní systémy:

1) mikroporézní: póry do 2 mm;

2) přechodně porézní: od 2 do 200 mm;

3) makroporézní: nad 200 mm.

Podle stavu agregace dispergované fáze se navrhuje rozlišit osm typů koloidní systémy.

Klasifikace disperzí podle stavu agregace

Disperzní médium	Disperzní fáze	Symbol	Název systému a příklady
			pevné heterogenní systémy: slitiny, kompozitní materiály (beton, cermety)
		kapilární systémy, tuhé emulze: kapalina v porézních tělesech, půdách, primerech, perličkách
plynný		porézní tělesa, pevné pěny: adsorbenty a katalyzátory v plynech, pemza, chléb
			suspenze a soly: vápna, pasty, kaly
		emulze: olej, krémy, mléko
plynný		plynové emulze a pěny: flotace, hašení požáru, mýdlové pěny
plynný	plynný		aerosoly: výpary, prášky, prach aerosoly: mlhy, mraky Nevytvořeno

G. Freindlich navrhl nazývat systémy se slabou interakcí mezi dispergovanou fází a disperzním prostředím lyofobní koloidy (soly), se silnou interakcí lyofilní.

Pokud je disperzním médiem voda, pak se systémy nazývají podle toho hydrofobní a hydrofilní.

Již na počátku 20. stol. bylo zjištěno, že lyofobní koloidy jsou nevratné(po odstranění disperzního média se spontánně nemohou rozptýlit a poskytnout sol) a lyofilní - reverzibilní systémy (schopné samovolného rozpouštění).

Pokud v koloidním systému existují stabilní vazby mezi částicemi dispergované fáze, pak se takové systémy nazývají připojený rozptýlený(gely), v nepřítomnosti vazeb - volně rozptýlené(koloidní roztoky).

2. Metody získávání koloidních systémů

Mechanické drcení kulovými nebo koloidními mlýny;

Broušení ultrazvukem;

Elektrická disperze (k získání kovových solů);

Chemická disperze (peptizace).

Disperze se obecně provádí v přítomnosti stabilizátoru. Může se jednat o přebytek některého z činidel, povrchově aktivních látek, proteinů, polysacharidů.

Kondenzační metody spočívají v interakci skutečných molekul roztoku s tvorbou částic koloidních velikostí, čehož lze dosáhnout jak fyzikálními, tak chemickými metodami.

Fyzikální metoda je metoda nahrazující rozpouštědlo (například se do pravého roztoku kalafuny v alkoholu přidá voda, poté se alkohol odstraní).

Chemická kondenzace spočívá v získávání koloidních roztoků pomocí chemické reakce s tvorbou těžko rozpustných sloučenin:

AgNO 3 + KI \u003d AgI (t) + KNO 3

2HAuCl4 + 3H20 \u003d 2Au (t) + 8HCl + 3O2

Zásobní roztoky by měly být zředěny a měly by obsahovat přebytek jednoho z činidel.

3. Metody čištění koloidních roztoků

K čištění koloidních roztoků od nečistot, filtrace, dialýza, elektrodialýza, ultrafiltrace.

Dialýza- odstranění pomocí membrán nízkomolekulárních sloučenin z koloidních roztoků a roztoků IUD. V tomto případě se využívá vlastnosti membrán propouštět malé molekuly a ionty a zadržovat koloidní částice a makromolekuly. Tekutina, která má být dialyzována, je oddělena od čistého rozpouštědla vhodnou membránou. Malé molekuly a ionty difundují přes membránu do rozpouštědla a při jeho dostatečně časté výměně jsou téměř úplně odstraněny z dialyzovatelné tekutiny. Propustnost membrány vůči látkám s nízkou molekulovou hmotností je dána buď tím, že malé molekuly a ionty volně procházejí kapilárami pronikajícími membránou nebo se rozpouštějí v membránové látce. Jako membrány pro dialýzu se používají různé fólie, jak přírodní - hovězí nebo prasečí měchýř, plavecký měchýř ryb, tak umělé - z nitrocelulózy, acetátu celulózy, celofánu, želatiny a dalších materiálů.

Existuje široká škála dialyzátorů - zařízení pro dialýzu. Všechny dialyzátory jsou postaveny na obecném principu: dialyzovatelná tekutina („vnitřní tekutina“) je v nádobě, ve které je oddělena od vody nebo jiného rozpouštědla („vnější tekutina“) membránou. Rychlost dialýzy se zvyšuje se zvětšováním povrchu membrány, její pórovitosti a velikosti pórů, se zvyšováním teploty, intenzitou promíchávání dialyzované tekutiny, rychlostí změny vnější tekutiny a snižuje se s nárůstem tloušťka membrány.

Obr.31.1 . Dialyzátor: 1 - dialyzovatelná tekutina; 2 - solventní; 3 - dialyzační membrána; 4 - míchadlo

4. Molekulárně-kinetické vlastnosti koloidních systémů

Molekulární kinetika nazývané vlastnosti, které jsou spojeny s chaotickým tepelným pohybem částic. Tyto zahrnují - Brownův pohyb, difúze, osmotický tlak, sedimentace. Tyto vlastnosti jsou určeny velikostí částic a jejich frakčním složením.

Brownův pohyb – chaotický pohyb částic dispergované fáze působením nárazů částic disperzního prostředí. Tento typ pohybu je typický pro částice s rozměry< 10 -6 м. Если размеры частиц дисперсной среды больше, то частицы лишь колеблются. Интенсивность броуновского движения зависит от размера частиц, температуры, вязкости дисперсионной среды.

Difúze - proces samovolného přenosu hmoty v důsledku tepelného pohybu, který vede k vyrovnání koncentrací nebo k ustavení rovnovážných koncentrací. Difúze má určitou rychlost, která je určena Fickovým zákonem:

Rychlost difúze je přímo úměrná rozdílu v koncentracích a ploše, přes kterou k difúzi dochází..

, kde

– rychlost difúze, kg/s

S je plocha povrchu,

- koncentrační gradient, kg/m 4

D - difúzní koeficient, m 2 / s

D je experimentálně stanovená hodnota.

kde kb je Boltzmannova konstanta;

r je poloměr částice;

h je viskozita média.

Osmotický tlak dodržuje van't Hoffův zákon:

, kde

C n - parciální koncentrace, m -3 - počet částic na jednotku objemu, je určena poměrem hmotnosti dispergované fáze k hmotnosti koloidní částice.

Osmotický tlak koloidních roztoků je 1000krát menší než osmotický tlak pravých roztoků.

Sedimentace - proces usazování částic dispergované fáze působením gravitace nebo odstředivých sil.

Rychlost usazování částic působením gravitace lze odhadnout podle vzorce:

, kde

u - míra vypořádání

r je poloměr částice dispergované fáze

h je viskozita média

r, r° jsou hustoty dispergované fáze, respektive disperzního média.

Rychlost usazování je tedy přímo úměrná r 2 . Částice hrubě rozptýlených systémů se usazují znatelnou rychlostí. Hrubě rozptýlené systémy proto nejsou stabilní z hlediska sedimentace. Částice koloidních velikostí se působením gravitace prakticky neusazují a jsou sedimentačně stabilní. Například čas potřebný k tomu, aby se částice křemene o poloměru 10 ~ 8 m usadily ve vodě na vzdálenost 10 ~ 2 m, je 359 dní.

Pro sedimentaci koloidních částic se používá ultracentrifugace. Takto se studuje sedimentace proteinů a virů.

Základem je stanovení vypořádací sazby sedimentační analýza, pomocí kterého můžete určit velikost částic a jejich frakční složení - počet částic různých velikostí. Sedimentační analýza je široce používána pro kvalitativní hodnocení funkčního stavu erytrocytů. Rychlost sedimentace erytrocytů (ESR) se u různých onemocnění výrazně mění a umožňuje lékaři učinit závěr o stavu pacientova těla.

5. Optické vlastnosti disperzních systémů

Podle poměru mezi průměrem 2 rčástice disperzní fáze a vlnová délka l procházející disperzní soustavou se mění optické vlastnosti soustavy.

Pokud je 2r mnohem větší l, Jedná se především o odraz, lom a absorpci světla. V důsledku toho hrubé systémy vykazují zákal jak v procházejícím světle, tak při osvětlení ze strany.

Pro koloidně disperzní systémy 2r » l dopadajícího světla. V tomto případě dominuje difrakční rozptyl světla, kdy se každá koloidní částice stává sekundárním zdrojem světla. vizuálně pozorováno opalescence. Tento jev spočívá v tom, že barva koloidních roztoků v rozptýleném světle (při pohledu ze strany) a v procházejícím světle není stejná.

Opalescence byla poprvé nezávisle na sobě pozorována v roce 1857 M. Faradayem a v roce 1868 J. Tyndallem (1820-1893). Proto se jev nazývá Faraday-Tyndallův efekt. Při pohledu ze strany (a) je dobře viditelný opalizující kužel, nazývaný také Faraday-Tyndallův kužel (1 - zdroj světla, 2 - koloidní roztok (na obrázku černý), 3 - směr pozorování).

Intenzita rozptylu světla závisí na řadě faktorů a je kvantifikována rovnicí odvozenou Rayleighem:

kde I, I 0 - intenzita rozptýleného a dopadajícího světla, W/m 2 ;

k p Rayleighova konstanta v závislosti na poměru indexů lomu dispergované fáze a disperzního prostředí, m 3 ;

c n - částečná koncentrace solu, m;

l - vlnová délka dopadajícího světla, m;

r - poloměr částice, m

Z Rayleighovy rovnice vyplývá, že intenzita rozptýleného světla je přímo úměrná intenzitě dopadajícího světla, částečné koncentraci solu a druhé mocnině objemu koloidní částice a je reverzibilně úměrná čtvrté mocnině. vlnové délky dopadajícího světla.

Fenomén difrakčního rozptylu světla je základem konstrukce ultramikroskopu. Ultramikroskop - optický přístroj, který umožňuje detekovat částice o velikosti až 10 -9 m, neviditelné v běžném mikroskopu (až 10 -7 m). Pozorování se provádí ve směru kolmém na směr světelného paprsku, tzn. v rozptýleném světle. V ultramikroskopu nejsou viditelné částice samotné, ale velké skvrny ohybu světla na nich. Ultramikroskopie se používá ke studiu plazmy a séra krve, lymfy a vakcín.

6. Elektrické vlastnosti disperzních soustav

Elektrokinetické vlastnosti koloidních systémů jsou vlastnosti, které jsou způsobeny přítomností náboje disperzního prostředí a částic dispergované fáze a vznikají, když se vzájemně pohybují.

elektroforéza– pohyb částic dispergované fáze vzhledem ke stacionárnímu disperznímu prostředí působením vnějšího rozdílu potenciálu.

Elektroforéza je podobná elektrolýze. Rozdíly jsou kvantitativní: při elektroforéze se pohybují mnohem větší množství látky. Aplikace elektroforézy: separace proteinů a nukleových kyselin; stanovení náboje částic dispergované fáze a elektrokinetického potenciálu.

Sedimentační potenciál je potenciální rozdíl, ke kterému dochází, když se částice dispergované fáze pohybují působením gravitace nebo odstředivých sil.

Elektroosmóza– pohyb částic disperzního prostředí vůči stacionární disperzní fázi působením vnějšího rozdílu potenciálu.

Elektroosmóza je pozorována u vázaných disperzních systémů, kdy je dispergovanou fází porézní těleso, tenké kapiláry naplněné kapalným disperzním prostředím. Aplikace elektroosmózy: dehydratace porézních těles.

průtokový potenciál- potenciální rozdíl, ke kterému dochází, když kapalina proudí v kapilárách nebo porézních tělesech, když je aplikován tlakový rozdíl.

7. Struktura koloidních částic - micel

Koloidní částice jsou složité útvary - milella . Uvažujme strukturu částic AgI solu získaných interakcí dusičnanu stříbrného s přebytkem jodidu draselného.

Micela se skládá z elektricky neutrálního jednotka a ionogenní část. Ionogenní část micely se dělí na adsorpce a difúze vrstvy. Jednotka získává náboj v důsledku selektivní adsorpce iontů nebo ionizace povrchu. Ionty, které určují náboj agregátu, se nazývají potenciál určující. Agregát a potenciál určující ionty tvoří jádro. Určitý počet iontů opačného znaménka je stabilně spojen s nabitým povrchem jádra - protiionty. Ionty určující potenciál a některé protiionty tvoří adsorpční vrstvu. Jednotka spolu s adsorpční vrstvou se nazývá granule. Tvoří se druhá část protiiontů difúze vrstva, jejíž hustota klesá se vzdáleností od jádra. Náboj granule se rovná součtu nábojů iontů určujících proti a potenciál.

V důsledku toho se na povrchu micel objeví dvojitá elektrická vrstva a rozdíl potenciálů mezi částicemi dispergované fáze a disperzního média. Tento potenciál se nazývá elektrotermodynamický potenciál.

Při pohybu dispergované fáze vůči disperznímu médiu prochází kluzná plocha po rozhraní mezi adsorpční a difúzní vrstvou. Rychlost pohybu závisí na fázích vůči sobě je určena hodnotou potenciálu na kluzné ploše, který je tzv. elektrokinetické nebo x (zetta)-potenciál. Hodnota x-potenciálu závisí na hodnotě celkového elektrotermodynamického potenciálu a na tloušťce difúzní vrstvy. Tloušťka difuzní vrstvy závisí na koncentraci elektrolytu v koloidním roztoku: jak se koncentrace elektrolytu zvyšuje, protiionty jsou vytlačovány z difuzní vrstvy do adsorpční vrstvy. Snižuje se tloušťka difuzní vrstvy a zmenšuje se x-potenciál. Při určité koncentraci elektrolytu jsou všechny protiionty vytěsněny do adsorpční vrstvy. V tomto případě se x-potenciál rovná 0 a náboj koloidní částice je roven 0. Tento stav koloidní částice se nazývá izoelektrický stav.

8. Stabilita a koagulace koloidních systémů

Koloidní systémy jsou termodynamicky nestabilní, protože mají nadbytek Gibbsovy povrchové energie. Za určitých podmínek jsou však koloidní systémy stabilní, tzn. velikost a koncentrace koloidních částic může zůstat nezměněna. Existují dva typy stability koloidních systémů: sedimentace a agregativní.

Odolnost vůči sedimentaci (kinetická) - odolnost koloidních částic vůči usazování. Tato stabilita závisí na velikosti částic a viskozitě média.

Agregační stabilita – schopnost částic dispergované fáze působit proti koagulaci (slepování do větších agregátů). Snížení agregační stability znamená snížení sedimentační stability.

Lyofobní koloidní systémy jsou agregovaně nestabilní, zatímco lyofilní jsou stabilní. Lyofobní mohou existovat za předpokladu, že jsou stabilizované. Existují dva hlavní faktory stabilizace lyofobních koloidních systémů: elektrický faktor a konstrukčně-mechanické faktor.

Elektrický faktor stabilizace je spojena s existencí dvojité elektrické vrstvy na rozhraní. Přestože je micela jako celek elektricky neutrální, koloidní částice mají stejný náboj a difúzní vrstvy mají stejný náboj. Přítomnost podobně nabitých vrstev brání částicím přiblížit se na takovou vzdálenost, na kterou začnou působit přitažlivé síly. Snížení tloušťky difúzní vrstvy tedy narušuje elektrickou stabilizaci a částice se k sobě přibližují na takovou vzdálenost, že je možná jejich přitažlivost, což vede k držet pohromadě a koagulace. K porušení elektrické stabilizace dochází, když se do koloidních roztoků přidávají elektrolyty.

Minimální koncentrace elektrolytu, která způsobí koagulaci koloidního roztoku, se nazývá koagulační práh. Práh koagulace závisí na náboji koagulačního iontu, který má náboj opačný než koloidní částice.

pravidlo Schultz-Hardy: Koagulační schopnost elektrolytu se zvyšuje s nárůstem náboje koagulačního iontu

kde Cp je práh koagulace (nejnižší koncentrace elektrolytu, při které dochází ke koagulaci);

z je náboj koagulačního iontu.

Při smíchání dvou koloidních roztoků s opačně nabitými částicemi, vzájemná koagulace v případě, že se jejich celkové náboje vzájemně neutralizují.

Konstrukčně-mechanický faktor ke stabilizaci koloidních systémů dochází v důsledku adsorpce na povrch koloidních částic povrchově aktivních látek nebo vysokomolekulárních sloučenin (proteiny, polysacharidy). Adsorbované částice (povrchově aktivní látky nebo molekuly polymeru) tvoří mechanicky pevnou vrstvu, která brání částicím ve slepení. Tyto látky také činí povrch částic lyofilním. Tento způsob stabilizace koloidních systémů se nazývá koloidní ochranu a látky používané ke stabilizaci ochranné koloidy.

Biologické tekutiny obsahují ochranné koloidy, které zabraňují vysrážení těžko rozpustných látek, jako je fosforečnan a uhličitan vápenatý a některých nerozpustných metabolitů. Tím se zabrání usazování solí při ateroskleróze, dně, tvorbě ledvinových a žlučových kamenů.

Vznik koloidního roztoku ze sraženiny se nazývá peptizace, a látky, které způsobují peptizaci - peptizéry. Jako peptizéry se používají elektrolyty nebo povrchově aktivní látky. Ionty nebo molekuly peptizérů, které jsou adsorbovány na povrchu částic sedimentu, tvoří dvojitou elektrickou vrstvu nebo solvátový obal, což vede k překonání sil mezimolekulární přitažlivosti mezi nimi.

9. Lyofilní koloidní systémy. Koloidní povrchově aktivní látky

Když se molekuly amfifilního surfaktantu s dlouhým uhlovodíkovým radikálem (C 10 - C 22) rozpustí ve vodě, ustaví se rovnováha mezi pravým a koloidním roztokem.

Nazývají se povrchově aktivní látky schopné tvořit micely v roztoku koloidní povrchově aktivní látky. Rovnováha mezi pravým a koloidním roztokem závisí na koncentraci povrchově aktivní látky.

Nejnižší koncentrace, při které je micelizace možná, se nazývá kritická koncentrace micel (CMC).

CMC závisí na teplotě, délce uhlovodíkového řetězce a koncentraci elektrolytů v roztoku. S nárůstem teploty se CMC zvyšuje, s rostoucí délkou uhlovodíkového řetězce klesá, se zvyšováním koncentrace elektrolytu v roztoku také klesá.

Při tvorbě micel se vlastnosti roztoků v závislosti na počtu částic prudce mění: osmotický tlak, elektrická vodivost. Prudká změna těchto vlastností umožňuje stanovit CMC.

Otázky pro sebeovládání

Mezi způsoby získávání disperzních systémů fyzikální kondenzací patří .... (tvorba špatně rozpustné látky, výměna rozpouštědla, jemné broušení tvrdých materiálů , kondenzaci par)
Jednosměrná difúze molekul rozpouštědla přes semipermeabilní membránu do koloidního roztoku se nazývá ... (rozpouštění, osmotický tlak, dialýza, osmóza)
Disperzní systémy s trojrozměrnou disperzní fází zahrnují... instantní káva, mléko, olejový film na vodní hladině, dřevo.
Charakteristickým rysem předmětů studovaných v koloidní chemii je ... heterogenita.
Příkladem systému, ve kterém jsou disperzní médium a dispergovaná fáze kapaliny, je (mlha, aerosol, majonéza, želé)
Koloidní roztok je tvořen... disperze a kondenzace
K čištění koloidních roztoků od iontových nečistot se používá metoda ... .. elektrodialýza
Pokud odpadní voda obsahují povrchově aktivní látky aniontové povahy, pak bude mít roztok (síran hlinitý, fosforečnan sodný, chlorid vápenatý, síran amonný) největší koagulační schopnost.
V přírodě dochází k rozptylu látek doprovázenému tvorbou rozptýlených systémů ... při zamrzání vodních ploch, při povodních, při sopečné erupci, při srážkách
Adsorpční vrstva protiiontů ve vzorci micel jodidu stříbrného ……………( (n-x)K+, m, nI - , xK +)
Na kvantitativní charakteristiky rozptýlené systémy odkazuje … disperze(ne počet částic na jednotku objemu)
Koloidní částice získaná interakcí síranu draselného s přebytkem chloridu barnatého má náboj …(pozitivní)
Koloidní částice vzniklá interakcí dusičnanu stříbrného a přebytku jodidu draselného v elektrickém poli; přesunout na katodu, k anodě, nepohybuje se, kmitá.
Se zvýšením náboje koagulačního iontu se jeho koagulační schopnost ... ( klesá, zvyšuje se, nemění se, mění se nejednoznačně)
Flotační proces je založen na různých ________________________ látkách kapalinách ( srážení, odpařování, rozpouštění, smáčení)
Podle teorie struktury koloidních roztoků vzniká spojením koloidní částice a difúzní vrstvy iontů elektricky neutrální částice, která se nazývá ..... micela.
Ion, po přidání do koloidního systému dojde k jeho destrukci se nazývá .... Koagulační.
Jev přenosu částic dispergované fáze v konstantním elektrickém poli se nazývá …. Elektroosmóza, elektrolýza, průtokový potenciál, elektroforéza.
Největší koagulační účinek při tvorbě AgI aeolu ze stejných objemů 0,02M roztoku AgNO 3 a 0,01M roztoku KI má iont…. (K+, Ca 2+, SO 4 2-, Cl -)
Pro sol získaný reakcí 2Na 2 SiO 3 (ex) + 2HCl \u003d H 2 SiO 3 + 2NaCl bude mít ion ... (Cu 2+, Fe 3+, K +, Zn 2+) nejlepší koagulační účinek