Vydavatelia hľadajú autorov náučnej literatúry. Vydavatelia náučnej literatúry. „Tenké technológie náročné na vedu“

krása

Disperzné systémy

Dispergované systémy študovali F. Selmi, M. Faraday, T. Graham, I. G. Borshchev, Vo. Ostwald, G. Freindlikh, A.V. Dumansky, N.P. Peskov a ďalší.

1. Typy rozptýlených systémov: T/L sóly, T/L suspenzie, T/G alebo L/G (T alebo L/G) aerosóly, L/L emulzie, G/L peny, T/G prášky. Rozdiel medzi suspenziami a sólami je veľkosť dispergovanej fázy. Prášky sa líšia od aerosólov oveľa vyššou koncentráciou pevných častíc.

2. Klasifikácia disperzných systémov:

I) podľa stav agregácie disperzná fáza a disperzné médium, je známych 8 systémov.

stôl 1

Dispergovaná fáza	Disperzné médium	Symbol	Typ rozptýlených systémov	Príklady
Pevné	Pevná kvapalina	T/T T/F T/Y	Minerály, zliatiny Suspenzie, sóly Aerosól, prášky	Rubín, diamant, oceľ Suspenzie, hlina, farby s pevnými pigmentmi, pasty, kovové sóly vo vode, lieky. Prach, dym, prášky, aj ako lieky.
Kvapalina	Pevná kvapalina	W/T W/W W/G	Pórovité telieska Emulzie Aerosól	Perly, opál, kvapalina v pórovitých telesách, adsorbenty (v kvapalinách), pôdy Krémy, mlieko, majonéza, prírodný olej Hmla, oblaky, drogy.
plynný	Pevná kvapalina	G/T G/W	Pórovité telesá Pena	Tvrdé peny, pemza, chlieb, adsorbenty (v plynoch). Šľahačka; peny: mydlové, protipožiarne, fluoridačné; lieky.

Podľa Zsigmondyho: solidozoli– systémy s pevným disperzným médiom; lyosoly(soly) - s kvapalným disperzným médiom; aerosólov– s plynným disperzným prostredím.

II) podľa stupňa disperzie(podľa veľkosti častíc dispergovanej fázy). Ide o heterogénne systémy, nestabilné.

a) hrubé s veľkosťou častíc väčšou ako 10 -7 m - suspenzie, emulzie, prášky, peny; Ide o heterogénne systémy, nestabilné.

b) koloidné systémy s veľkosťou častíc 10 -7 - 10 -9 m - sólov; ide o ultramikroheterogénne systémy (heterogenita sa zisťuje iba pomocou ultramikroskopu) a sú celkom stabilné.

V tejto časti sa na porovnanie tradične zvažujú skutočné riešenia:

ü molekulárne dispergované systémy s časticami rádovo 10 - 10 m. Sú to spravidla roztoky neelektrolytov (alkohol, glukóza, močovina) a slabých elektrolytov (kyselina octová);

ü iónovo dispergované systémy s časticami menšími ako 10-10 m, ide o roztoky elektrolytov (roztok chloridu sodného.

Riešenia sú homogénne systémy, sú stabilné.

III) na medzifázovej interakcii. V závislosti od intenzity interakcie medzi dispergovanou fázou a disperzným médiom sa rozlišujú systémy:

- lyofilný– silná interakcia medzi dispergovanou fázou a disperzným prostredím (dispergovaná fáza je dobre zmáčaná, napučiava alebo sa rozpúšťa). Príkladom lyofilných systémov sú roztoky mydiel (sodné a draselné soli vyšších karboxylových kyselín), alkaloidov (organické zásady s obsahom dusíka prírodného pôvodu), tanínov (alebo trieslovín - fenolových zlúčenín rastlinného pôvodu s obsahom veľké množstvo skupiny –OH), niektoré farbivá. Vznikajú spontánne a sú reverzibilné. Termodynamicky stabilný.

- lyofóbny- slabá interakcia dispergovanej fázy a disperzného média (dispergované častice sú zle zmáčané, nenapučiavajú a nerozpúšťajú sa.). Lyofóbne - koloidy zle rozpustných látok: kovy, hydroxid železitý, v biologických systémoch - nerozpustné soli vápnika, horčíka, cholesterolu. Môžu existovať lyofóbne sóly dlho iba v prítomnosti stabilizátorov a sú nevratné. termodynamicky nestabilné.

Ak je disperzným systémom voda, potom sa zodpovedajúce systémy nazývajú hydrofilné alebo hydrofóbne.

IV) podľa štruktúry: viazaný-dispergovaný, voľne-dispergovaný Obr.1.

Voľne rozptýlené- častice dispergovanej fázy nie sú prepojené - suspenzie, emulzie, sóly, aerosóly, liečivé pasty (zinková pasta).

Lepená disperzia– častice dispergovanej fázy tvoria priestorovú sieť a fáza sa nemôže voľne pohybovať – gély („rôsolovitý“ stav, získavaný zo sólov) a želé (IUD), peny, biologické membrány, tuhé roztoky (zliatiny), porézne telieska.

Rozdelenie je podmienené. Procesy tvorby štruktúry vyskytujúce sa vo voľne disperzných systémoch môžu skončiť vytvorením viazaných disperzných systémov. Sol sa zmení na gél. A naopak. Pozorované tixotropia– vratná zmena fyzikálnych a mechanických vlastností systému.

tuhý koloid

↔ gél

↔ sol

viazaný disperzný systém

voľne rozptýlený systém

3. Metódy získavania koloidných systémov(Metodická príručka workshopu zo všeobecnej chémie, s. 161-163).

A. Príprava suspenzií.

Suspenzie, rovnako ako akýkoľvek iný disperzný systém, je možné získať dvoma skupinami metód: zo strany hrubých systémov disperznými metódami, zo strany skutočných roztokov - kondenzačnými metódami.

Keďže suspenzie sú suspenzie práškov v kvapaline, najjednoduchším a najpoužívanejším spôsobom získania zriedených suspenzií v priemysle aj v každodennom živote je pretrepávanie príslušného prášku vo vhodnej kvapaline pomocou rôznych miešacích zariadení (miešačky, mixéry atď.). .). Na získanie koncentrovaných suspenzií (past) sa príslušné prášky triturujú s malým množstvom kvapaliny.

Suspenzie sa tvoria aj v dôsledku koagulácie lyosolov. Preto sú spôsoby realizácie koagulácie súčasne metódami na získanie suspenzií.

B. Získanie emulzií.

Systém dvoch nemiešateľných kvapalín bude v termodynamicky stabilnom stave, ak sa skladá z dvoch súvislé vrstvy: horná (ľahšia kvapalina) a spodná (ťažšia kvapalina). Akonáhle začneme drviť jednu zo súvislých vrstiev na kvapôčky, aby sme získali emulziu, medzifázový povrch sa zväčší a následne sa voľná povrchová energia a systém stanú termodynamicky nestabilnými. Čím viac energie sa vynaloží na tvorbu emulzie, tým bude nestabilnejšia. Prezradiť emulziu príbuzný odolnosť, používať špeciálne látky – stabilizátory, tzv emulgátory. Sú to povrchovo aktívne látky alebo IUD, ktoré sa absorbujú na rozhraní a znižujú povrchovú Gibbsovu energiu (medzipovrchové napätie); v dôsledku toho sa vytvorí mechanicky pevný absorpčný film. Takmer všetky emulzie (s výnimkou niektorých, ktoré sa tvoria spontánne) sa získavajú iba v prítomnosti emulgátorov.

Emulzie sú najmenej trojzložkové systémy pozostávajúce z polárnej kvapaliny, nepolárnej kvapaliny a emulgátora. V tomto prípade je jedna z kvapalín vo forme kvapiek. Kvapky požadovanej veľkosti je možné získať dvoma rôznymi spôsobmi: kondenzačnou metódou, ktorá ich pestuje z malých centier tvorby kvapiek, a disperznou metódou, ktorá rozdrví veľké kvapky.

Disperzné metódy sú najbežnejšie v laboratórnej aj priemyselnej praxi.

Metódy čistenia koloidných systémov.

Viac informácií nájdete v Metodickej príručke (str. 163.)

a) Filtrácia (lat. filtrum - plsť),

b) Dialýza (grécka dialýza – separácia). Kompenzačná dialýza. Elektrodialýza.

c) Ultrafiltrácia (lat. ultra - over).

d) Reverzná osmóza.

5. Vznik, štruktúra a náboj koloidnej častice. micelový vzorec. Štruktúra elektrickej dvojvrstvy. elektrokinetický potenciál.

Pozri aj metodickú príručku (s. 164-165.)

Často, okrem miciel, stabilizátora a rozpúšťadla, výsledné dispergované systémy obsahujú látky s nízkou molekulovou hmotnosťou (nečistoty). Znižujú stabilitu DS (môžu neutralizovať náboj koloidných častíc, čo vedie ku koagulácii a deštrukcii koloidných systémov). Na čistenie koloidných systémov od nečistôt s nízkou molekulovou hmotnosťou sa používa dialýza, elektrodialýza a ultrafiltrácia.

Dialýza(navrhol a pomenoval T. Graham) je založený na prechode koloidného roztoku cez semipermeabilnú membránu. Najjednoduchším dialyzátorom (obr. 5) je vrecko z polopriepustného materiálu, do ktorého sa naleje koloidný roztok a vrecko sa spustí do nádoby s vodou (rozpúšťadlom). Vďaka malej veľkosti otvorov polopriepustné membrány zadržiavajú koloidné častice, zatiaľ čo nízkomolekulárne prechádzajú cez membránu do rozpúšťadla. V dôsledku toho sa z koloidného roztoku odstránia látky s nízkou molekulovou hmotnosťou. Predtým sa steny močového alebo žlčníka, čriev a pergamenu používali ako polopriepustná membrána. V súčasnosti sú membrány vyrobené z kolódia (roztok dusičnanu celulózy) celofánové. Sú veľmi pohodlné, pretože. membrány môžu byť vyrobené s akoukoľvek veľkosťou otvoru.

Ryža. 5. Dialyzátory T. Graham.

Je potrebné poznamenať, že dlhodobá dialýza môže okrem odstránenia nečistôt z roztoku viesť ku koagulácii systému v dôsledku odstránenia stabilizátora.

Elektrodialýza. Keďže nečistoty s nízkou molekulovou hmotnosťou v sóloch sú elektrolyty, dialýzu možno urýchliť aplikáciou elektrického prúdu. Na tento účel sa medzi dve membrány, mimo nich, umiestni koloidný roztok

Dialýza sa používa v biotechnológiách a farmácii na čistenie bielkovín, vnútromaternicových teliesok od nečistôt soli, na získanie cenných liečiv - globulín, flokulanty atď. Dialýza sa používa na klinike ako metóda liečby ("hemodialýza") u pacientov s ochoreniami pečene , obličky, dlhodobý tlakový syndróm, pri akútnej otrave. V tomto prípade krv pacienta prechádza cez prístroj "umelých obličiek". Ide o systém s membránou, ktorej jedna strana je premývaná soľným (fyziologickým) roztokom s rovnakým zložením ako krvná plazma a druhá krvou pacienta. Počas hemodialýzy nízkomolekulárne metabolické produkty opúšťajú krv cez membránu, zatiaľ čo proteíny zostávajú v krvi (kvôli ich veľkej veľkosti). Zachovajú sa aj soli potrebné pre telo, pretože. medzi krvou a fyziologickým roztokom neexistuje koncentračný gradient.

Ultrafiltrácia je dialýza vykonávaná pod tlakom alebo vákuom. V podstate nejde o purifikačný spôsob, ale o spôsob zahusťovania DF, t.j. oddelenie DF od disperzného média. Na tento účel prechádza koloidný roztok cez ultrafiltre - mechanicky pevné a hrubé filtre s veľmi malými otvormi. Ako ultrafiltre sa používajú platne s otvormi z azbestu, porcelánu a iných keramických materiálov potiahnuté celofánom, filtračným papierom impregnovaným koloidom. Na urýchlenie filtrácie sa z nádoby pod filtrom odčerpáva vzduch alebo sa vzduch vháňa nad filter.

Pri ultrafiltrácii spolu s nízkomolekulárnymi nečistotami prechádzajú cez filtre aj molekuly rozpúšťadla (disperzného média). Preto je v prípade potreby po ultrafiltrácii potrebné nariediť koloidný roztok na požadovanú (počiatočnú) koncentráciu.

Ryža. 7. Schéma

ultrafilter:

A - koloidný roztok;

M - membrána; P - doska s otvormi;

U - ultrafiltrát

Ultrafiltrácia sa používa rovnakým spôsobom ako dialýza a elektrodialýza, najmä na čistenie kultivačnej tekutiny od tiel baktérií, ktoré produkujú antibiotiká, separáciu proteínov a sterilizáciu ich roztokov. V tomto prípade na filtri zostávajú baktérie, vírusy a z filtrátu sa izolujú potrebné liečivé látky (séra, vakcíny).

Prednáška číslo 5. Teória elektrickej dvojvrstvy

Čistenie koloidných systémov

Okrem miciel, stabilizačného elektrolytu a rozpúšťadla obsahujú sóly získané jedným alebo druhým spôsobom nízkomolekulárne nečistoty. Napríklad sól AgN03 získaný ako výsledok interakcie AgN03 a KJ vždy obsahuje významné množstvo indiferentného elektrolytu KNO3. Nečistoty sa môžu dostať do koloidných systémov v dôsledku kontaminácie východiskových materiálov alebo z iných dôvodov.

Cudzie elektrolyty znižujú stabilitu výsledného sólu a musia sa čistiť. Nečistoty s nízkou molekulovou hmotnosťou možno z lyosolov odstrániť pomocou dialýzy, elektrodialýzy a ultrafiltrácie.

Dialýza je založená na schopnosti malých molekúl alebo iónov prechádzať cez semipermeabilné filmy (membrány). Veľké častice sólu nemôžu prejsť cez membrány. Najjednoduchším dialyzátorom je vrecko vyrobené z polopriepustného materiálu, do ktorého sa naleje čistený sól. Vrecko sa spustí do nádoby s vodou.

Dnes existuje mnoho vylepšených dizajnov dialyzátorov, ktoré poskytujú rýchlejší proces dialýzy. Zintenzívnenie procesu sa dosiahne zväčšením povrchu, cez ktorý prebieha dialýza, zmenšením vrstvy dialyzovateľnej tekutiny, častou alebo kontinuálnou výmenou vonkajšej tekutiny (napr. vody) a zahrievaním.

Povaha membrány na základe dialyzovaného systému musí byť odlišná. Predtým sa ako membrány používal hovädzí mechúr alebo pergamen. Dnes sa často používajú membrány pripravené z roztoku dusičnanu celulózy. Οʜᴎ sú pohodlné, pretože môžu byť vyrobené s pórmi akéhokoľvek priemeru.

Dlhodobá dialýza spôsobuje nielen odstránenie nečistôt z roztoku, ale aj stiahnutie stabilizátora, čo môže viesť ku koagulácii.

Elektrodialýza. V prípadoch, keď sú nečistotami elektrolyty, je možné dialýzu urýchliť pôsobením elektrického poľa. Schéma jednoduchého elektrodialyzátora pozostáva z troch komôr oddelených od seba polopriepustnými priečkami. V bočných komorách sú inštalované elektródy, do ktorých je nepretržite privádzaná a vypúšťaná destilovaná voda, ktorá je vonkajšou kvapalinou strednej komory, do ktorej sa privádza čistený sól. Elektrodialýza je obzvlášť účinná po predúprave konvenčnou dialýzou, keď je rýchlosť difúzie v dôsledku poklesu koncentračného gradientu elektrolytov medzi sólom a vodou malá a možno použiť vysokonapäťové elektrické pole bez obáv zo silného zahriatia sólu.

Ultrafiltrácia. Toto je tlaková dialýza. Ultrafiltrácia v podstate nie je spôsob čistenia sólov, ale spôsob ich zahusťovania a zvyšuje sa koncentrácia len dispergovanej fázy, pričom zloženie disperzného média zostáva prakticky konštantné.

Ak sa sól po čiastočnej ultrafiltrácii zriedi čistým rozpúšťadlom na predchádzajúci obsah disperzného média, bude obsahovať menej nízkomolekulárnych látok, ale aj menej stabilizujúcich elektrolytov.

Pomocou ultrafiltrov s rôznou pórovitosťou je možné rozdeliť koloidný systém na viac monodisperzných frakcií a určiť disperzitu týchto frakcií.

Existuje veľa zariadení na ultrafiltráciu. Keďže ultrafiltrácia prebieha pod tlakom, membrána je buď navrstvená na dosku s menšími otvormi, ktorá jej slúži ako podpera, alebo sa priamo získava na stenách neglazovanej nádoby.

Čistenie koloidných systémov - pojem a typy. Klasifikácia a vlastnosti kategórie "Čistenie koloidných systémov" 2017, 2018.

Keďže koloidné systémy zaujímajú z hľadiska veľkosti častíc medzipolohu medzi hrubo dispergovanými systémami a skutočnými roztokmi, spôsoby ich prípravy možno rozdeliť do dvoch skupín: disperzné a kondenzačné.

Disperzné metódy na základe mletia dispergovanej fázy. K disperzii s tvorbou lyofilných koloidných systémov dochádza spontánne v dôsledku tepelného pohybu. Tvorba lyofóbnych koloidných systémov vyžaduje energiu. Na dosiahnutie požadovaného stupňa disperzie použite:

mechanické drvenie guľovými alebo koloidnými mlynmi;

brúsenie ultrazvukom;

elektrická disperzia (na získanie kovových sólov);

chemická disperzia (peptizácia).

Disperzia sa všeobecne uskutočňuje v prítomnosti stabilizátora. Môže to byť nadbytok jedného z činidiel, povrchovo aktívnych látok, proteínov, polysacharidov.

Kondenzačné metódy spočívajú v interakcii skutočných molekúl roztoku s tvorbou častíc koloidných veľkostí, čo je možné dosiahnuť fyzikálnymi aj chemickými metódami.

Fyzikálna metóda je metóda nahradenia rozpúšťadla (napríklad voda sa pridá do skutočného roztoku kolofónie v alkohole, potom sa alkohol odstráni).

Chemická kondenzácia spočíva v získavaní koloidných roztokov chemickými reakciami za vzniku ťažko rozpustných zlúčenín:

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

2HAuCl4 + 3H20 \u003d 2Au (t) + 8HCl + 302

Zásobné roztoky by sa mali zriediť a obsahovať nadbytok jedného z činidiel.

3. Spôsoby čistenia koloidných roztokov

Ak koloidné roztoky obsahujú nečistoty rozpustených látok s nízkou molekulovou hmotnosťou a hrubé častice, potom ich prítomnosť môže nepriaznivo ovplyvniť vlastnosti sólov, čím sa zníži ich stabilita.

Na čistenie koloidných roztokov od nečistôt, filtrácia, dialýza, elektrodialýza, ultrafiltrácia.

Filtrácia je založená na schopnosti koloidných častíc prechádzať cez póry bežných filtrov. V tomto prípade sú zachytené väčšie častice. Filtrácia sa používa na čistenie koloidných roztokov od nečistôt hrubých častíc.

Dialýza- odstraňovanie pomocou membrán nízkomolekulových zlúčenín z koloidných roztokov a roztokov IUD. V tomto prípade sa využíva vlastnosť membrán prepúšťať malé molekuly a ióny a zadržiavať koloidné častice a makromolekuly. Kvapalina, ktorá sa má dialyzovať, je oddelená od čistého rozpúšťadla vhodnou membránou. Malé molekuly a ióny difundujú cez membránu do rozpúšťadla a pri jeho dostatočne častom nahradzovaní sú takmer úplne odstránené z dialyzovateľnej tekutiny. Priepustnosť membrány vzhľadom na látky s nízkou molekulovou hmotnosťou je určená buď skutočnosťou, že malé molekuly a ióny voľne prechádzajú cez kapiláry prenikajúce membránou alebo sa rozpúšťajú v membránovej látke. Ako membrány na dialýzu sa používajú rôzne filmy, ako prírodné - hovädzie alebo bravčové. močového mechúra, plavecký mechúr ryby a umelé - z nitrocelulózy, acetátu celulózy, celofánu, želatíny a iných materiálov.

Umelé membrány majú oproti prírodným výhodu v tom, že sa dajú pripraviť s rôznou a vysoko reprodukovateľnou permeabilitou. Pri výbere materiálu na membránu je často potrebné brať do úvahy náboj membrány v konkrétnom rozpúšťadle, ktorý vzniká buď disociáciou samotnej membránovej látky, alebo selektívnou adsorpciou iónov na nej, alebo nerovnomerné rozloženie iónov na oboch stranách membrány. Prítomnosť náboja na membráne môže niekedy spôsobiť koagulácia pri dialýze koloidných roztokov, ktorých častice nesú náboj opačný v znamienku ako náboj membrány. Povrch celofánových a kolódiových membrán vo vode a vodných roztokoch je zvyčajne záporne nabitý. Proteínové membrány v prostredí s pH nižším ako je izoelektrický bod proteínu sú nabité kladne a v prostredí s vysokým pH záporne.

Existuje široká škála dialyzátorov - zariadení na dialýzu. Všetky dialyzátory sú postavené podľa všeobecný princíp: Kvapalina, ktorá sa má dialyzovať ("vnútorná tekutina") je v nádobe, v ktorej je oddelená od vody alebo iného rozpúšťadla ("vonkajšia tekutina") membránou. Rýchlosť dialýzy sa zvyšuje so zväčšovaním povrchu membrány, jej pórovitosti a veľkosti pórov, so zvyšovaním teploty, intenzitou miešania dialyzovanej tekutiny, rýchlosťou zmeny vonkajšej tekutiny a znižuje sa so zvyšovaním hrúbka membrány.

Obr.31.1 . Dialyzátor: 1 - dialyzovateľná tekutina; 2 - solventný; 3 - dialyzačná membrána; 4 - miešadlo

Elektrodialýza používa sa na zvýšenie rýchlosti dialýzy elektrolytov s nízkou molekulovou hmotnosťou. Na tento účel sa v dialyzátore vytvára konštantné elektrické pole. Uskutočnenie dialýzy v elektrickom poli umožňuje niekoľko desiatok krát urýchliť čistenie koloidného roztoku.

Kompenzačná dialýza sa používajú vtedy, keď je potrebné zbaviť koloidný roztok len časti nečistôt s nízkou molekulovou hmotnosťou. V dialyzátore je rozpúšťadlo nahradené externým roztokom nízkomolekulárnych látok, ktoré je nutné ponechať v koloidnom roztoku.

Jednou z odrôd kompenzačnej dialýzy je hemodialýza– čistenie krvi pomocou prístroja umelá oblička. Venózna krv prichádza cez membránu do kontaktu s vonkajším roztokom obsahujúcim látky v rovnakej koncentrácii ako krv, ktoré musia byť uložené v krvi (cukor, ióny sodíka). V tomto prípade sa krv čistí od toxínov (močovina, kyselina močová, bilirubín, amíny, peptidy, nadbytočné ióny draslíka), ktoré prechádzajú cez membránu do vonkajšieho roztoku. Bezsérový cukor sa stanovuje kompenzačnou sérovou dialýzou proti izotonickému fyziologickému roztoku, do ktorého sa pridávajú rôzne množstvá cukru. Koncentrácia cukru vo fyziologickom roztoku sa počas dialýzy nemení iba vtedy, keď sa rovná koncentrácii voľného cukru v krvi.

Ultrafiltrácia používa sa na čistenie systémov obsahujúcich koloidné častice (soly, roztoky IUD, suspenzie baktérií a vírusov). Metóda je založená na nútenom oddelení zmesi cez filtre s pórmi, ktoré prepúšťajú iba molekuly a ióny látok s nízkou molekulovou hmotnosťou. Do určitej miery možno ultrafiltráciu považovať za tlakovú dialýzu. Ultrafiltrácia je široko používaná na čistenie vody, bielkovín, nukleových kyselín, enzýmov, vitamínov, ako aj v mikrobiológii pri určovaní veľkosti vírusov a bakteriofágov.

1. Klasifikácia disperzných systémov.

2. Metódy získavania koloidných systémov.

3. Spôsoby čistenia koloidných roztokov.

8. Stabilita a koagulácia koloidných systémov.

Klasifikácia disperzných systémov

rozptýlené nazývaný systém pozostávajúci z dispergovanej fázy – súboru fragmentovaných častíc a spojitého disperzného prostredia, v ktorom sú tieto častice v suspenzii.

Na charakterizáciu fragmentácie dispergovanej fázy bol zavedený pojem stupňa disperzie d, ktorý sa meria prevrátenou hodnotou stredného priemeru, alebo pre nesférické častice prevrátenou hodnotou stredného ekvivalentného priemeru. d(m -1):

Neskôr sa ako miera fragmentácie navrhlo použiť špecifický povrch (m -1):

kde S df - plocha povrchu dispergovaná fáza, Vdf- objem dispergovanej fázy.

Podľa stupňa disperzie sa rozlišujú hrubodispergované a koloidne dispergované.

Klasifikácia disperzných systémov podľa stupňa disperzie

Voľne rozptýlené:

1) ultramikroheterogénne ( pravý koloid) 10 -7 - 10 -5 cm (od 1 do 100 mikrónov) - - (t / t);

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

3) hrubé > 10-3 cm; t/r

Prepojené disperzné systémy:

1) mikroporézne: póry do 2 mm;

2) prechodne porézne: od 2 do 200 mm;

3) makroporézne: nad 200 mm.

Podľa stavu agregácie dispergovanej fázy sa navrhuje rozlišovať osem typov koloidný systémov.

Klasifikácia disperzií podľa stavu agregácie

Disperzné médium	Disperzná fáza	Symbol	Názov systému a príklady
			tuhé heterogénne systémy: zliatiny, kompozitné materiály (betón, cermety)
		kapilárne systémy, tuhé emulzie: tekuté v poréznych telesách, pôdach, primeroch, perličkách
plynný		porézne telieska, tuhé peny: adsorbenty a katalyzátory v plynoch, pemza, chlieb
			suspenzie a sóly: vápna, pasty, kaly
		emulzie: olej, krémy, mlieko
plynný		plynové emulzie a peny: flotačné, protipožiarne, mydlové peny
plynný	plynný		aerosóly: výpary, prášky, prach aerosóly: hmly, oblaky Nevytvorené

G. Freindlich navrhol nazývať systémy so slabou interakciou medzi dispergovanou fázou a disperzným prostredím lyofóbne koloidy (soly), so silnou interakciou lyofilné.

Ak je disperzným médiom voda, potom sa systémy nazývajú zodpovedajúcim spôsobom hydrofóbne a hydrofilné.

Už začiatkom 20. stor. zistilo sa, že lyofóbne koloidy sú nezvratné(po odstránení disperzného média sa spontánne nedokážu rozptýliť a poskytnúť sol) a lyofilné - reverzibilné systémy (schopné spontánneho rozpúšťania).

Ak v koloidnom systéme existujú stabilné väzby medzi časticami dispergovanej fázy, potom sa takéto systémy nazývajú spojené rozptýlené(gély), v neprítomnosti väzieb - voľne rozptýlené(koloidné roztoky).

2. Metódy získavania koloidných systémov

Mechanické drvenie guľovými alebo koloidnými mlynmi;

Brúsenie ultrazvukom;

Elektrická disperzia (na získanie kovových sólov);

Chemická disperzia (peptizácia).

Disperzia sa všeobecne uskutočňuje v prítomnosti stabilizátora. Môže to byť nadbytok jedného z činidiel, povrchovo aktívnych látok, proteínov, polysacharidov.

Kondenzačné metódy spočívajú v interakcii skutočných molekúl roztoku s tvorbou častíc koloidných veľkostí, čo je možné dosiahnuť fyzikálnymi aj chemickými metódami.

Fyzikálna metóda je metóda nahradenia rozpúšťadla (napríklad voda sa pridá do skutočného roztoku kolofónie v alkohole, potom sa alkohol odstráni).

Chemická kondenzácia spočíva v získaní koloidných roztokov pomocou chemické reakcie s tvorbou ťažko rozpustných zlúčenín:

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

2HAuCl4 + 3H20 \u003d 2Au (t) + 8HCl + 302

Zásobné roztoky by sa mali zriediť a obsahovať nadbytok jedného z činidiel.

3. Spôsoby čistenia koloidných roztokov

Na čistenie koloidných roztokov od nečistôt, filtrácia, dialýza, elektrodialýza, ultrafiltrácia.

Dialýza- odstraňovanie pomocou membrán nízkomolekulových zlúčenín z koloidných roztokov a roztokov IUD. V tomto prípade sa využíva vlastnosť membrán prepúšťať malé molekuly a ióny a zadržiavať koloidné častice a makromolekuly. Kvapalina, ktorá sa má dialyzovať, je oddelená od čistého rozpúšťadla vhodnou membránou. Malé molekuly a ióny difundujú cez membránu do rozpúšťadla a pri jeho dostatočne častom nahradzovaní sú takmer úplne odstránené z dialyzovateľnej tekutiny. Priepustnosť membrány vzhľadom na látky s nízkou molekulovou hmotnosťou je určená buď skutočnosťou, že malé molekuly a ióny voľne prechádzajú cez kapiláry prenikajúce membránou alebo sa rozpúšťajú v membránovej látke. Ako membrány na dialýzu sa používajú rôzne fólie, prírodné - hovädzí alebo bravčový mechúr, plavecký mechúr z rýb a umelé - z nitrocelulózy, acetátu celulózy, celofánu, želatíny a iných materiálov.

Existuje široká škála dialyzátorov - zariadení na dialýzu. Všetky dialyzátory sú postavené podľa všeobecného princípu: dialyzovateľná tekutina („vnútorná tekutina“) je v nádobe, v ktorej je oddelená od vody alebo iného rozpúšťadla („vonkajšia tekutina“) membránou. Rýchlosť dialýzy sa zvyšuje so zväčšovaním povrchu membrány, jej pórovitosti a veľkosti pórov, so zvyšovaním teploty, intenzitou miešania dialyzovanej tekutiny, rýchlosťou zmeny vonkajšej tekutiny a znižuje sa so zvyšovaním hrúbka membrány.

Obr.31.1 . Dialyzátor: 1 - dialyzovateľná tekutina; 2 - solventný; 3 - dialyzačná membrána; 4 - miešadlo

4. Molekulárno-kinetické vlastnosti koloidných systémov

Molekulárna kinetika nazývané vlastnosti, ktoré sú spojené s chaotickým tepelným pohybom častíc. Tie obsahujú - Brownov pohyb, difúzia, osmotický tlak, sedimentácia. Tieto vlastnosti sú určené veľkosťou častíc a ich frakčným zložením.

Brownov pohyb – chaotický pohyb častíc dispergovanej fázy pôsobením nárazov častíc disperzného prostredia. Tento typ pohybu je typický pre častice s rozmermi< 10 -6 м. Если размеры частиц дисперсной среды больше, то частицы лишь колеблются. Интенсивность броуновского движения зависит от размера частиц, температуры, вязкости дисперсионной среды.

Difúzia - proces samovoľného prenosu hmoty v dôsledku tepelného pohybu, ktorý vedie k vyrovnávaniu koncentrácií alebo k nastoleniu rovnovážnych koncentrácií. Difúzia má určitú rýchlosť, ktorá je určená Fickovým zákonom:

Rýchlosť difúzie je priamo úmerná rozdielu v koncentráciách a ploche povrchu, cez ktorú difúzia prebieha..

, kde

– rýchlosť difúzie, kg/s

S je plocha povrchu,

- koncentračný gradient, kg/m 4

D - difúzny koeficient, m 2 / s

D je experimentálne stanovená hodnota.

kde kb je Boltzmannova konštanta;

r je polomer častice;

h je viskozita média.

Osmotický tlak dodržiava Van't Hoffov zákon:

, kde

C n - parciálna koncentrácia, m -3 - počet častíc na jednotku objemu, je určený pomerom hmotnosti dispergovanej fázy k hmotnosti koloidnej častice.

Osmotický tlak koloidných roztokov je 1000-krát menší ako osmotický tlak pravých roztokov.

Sedimentácia - proces usadzovania častíc dispergovanej fázy pôsobením gravitácie alebo odstredivých síl.

Rýchlosť usadzovania častíc pôsobením gravitácie možno odhadnúť podľa vzorca:

, kde

u - miera vyrovnania

r je polomer častice dispergovanej fázy

h je viskozita média

r, r° sú hustoty dispergovanej fázy a disperzného média.

Rýchlosť usadzovania je teda priamo úmerná r 2 . Častice hrubo rozptýlených systémov sa usadzujú značnou rýchlosťou. Preto hrubo rozptýlené systémy nie sú stabilné z hľadiska sedimentácie. Častice koloidných veľkostí sa pôsobením gravitácie prakticky neusadzujú a sú sedimentačne stabilné. Napríklad čas potrebný na to, aby sa častice kremeňa s polomerom 10 ~ 8 m usadili vo vode vo vzdialenosti 10 ~ 2 m, je 359 dní.

Na sedimentáciu koloidných častíc sa používa ultracentrifugácia. Takto sa študuje sedimentácia proteínov a vírusov.

Základom je určenie miery zúčtovania sedimentačná analýza, pomocou ktorého môžete určiť veľkosť častíc a ich zlomkové zloženie - počet častíc rôznych veľkostí. Sedimentačná analýza sa široko používa na kvalitatívne hodnotenie funkčného stavu erytrocytov. Rýchlosť sedimentácie erytrocytov (ESR) sa výrazne mení pri rôznych ochoreniach a umožňuje lekárovi urobiť záver o stave tela pacienta.

5. Optické vlastnosti disperzných systémov

V závislosti od pomeru medzi priemerom 2 rčastice dispergovanej fázy a vlnová dĺžka l prechádzajúca disperznou sústavou sa menia optické vlastnosti sústavy.

Ak je 2r oveľa väčší l, Ide najmä o odraz, lom a absorpciu svetla. Výsledkom je, že hrubé systémy vykazujú zákal tak v prechádzajúcom svetle, ako aj pri osvetlení zboku.

Pre koloidne disperzné systémy 2r » l dopadajúceho svetla. V tomto prípade dominuje difrakčný rozptyl svetla, kedy sa každá koloidná častica stáva sekundárnym zdrojom svetla. vizuálne pozorované opalescencia. Tento jav spočíva v tom, že farba koloidných roztokov v rozptýlenom svetle (pri pohľade zboku) a v prechádzajúcom svetle nie je rovnaká.

Opalescenciu prvýkrát nezávisle od seba pozoroval v roku 1857 M. Faraday a v roku 1868 J. Tyndall (1820-1893). Preto sa jav nazýva Faradayov-Tyndallov efekt. Pri pohľade zo strany (a) je dobre viditeľný opalizujúci kužeľ, nazývaný aj Faradayov-Tyndallov kužeľ (1 - zdroj svetla, 2 - koloidný roztok (na obrázku čierny), 3 - smer pozorovania).

Intenzita rozptylu svetla závisí od mnohých faktorov a je kvantifikovaná rovnicou odvodenou Rayleighom:

kde I, I 0 - intenzita rozptýleného a dopadajúceho svetla, W/m 2 ;

k p Rayleighova konštanta v závislosti od pomeru indexov lomu dispergovanej fázy a disperzného prostredia, m 3 ;

c n - čiastočná koncentrácia sólu, m;

l - vlnová dĺžka dopadajúceho svetla, m;

r - polomer častice, m

Z Rayleighovej rovnice vyplýva, že intenzita rozptýleného svetla je priamo úmerná intenzite dopadajúceho svetla, parciálnej koncentrácii sólu a druhej mocnine objemu koloidnej častice a je reverzibilne úmerná štvrtej mocnine. vlnovej dĺžky dopadajúceho svetla.

Fenomén difrakčného rozptylu svetla je základom konštrukcie ultramikroskopu. Ultramikroskop - optický prístroj, ktorý umožňuje detekovať častice do veľkosti 10 -9 m, neviditeľné v bežnom mikroskope (do 10 -7 m). Pozorovania sa vykonávajú v smere kolmom na smer svetelného lúča, t.j. v rozptýlenom svetle. V ultramikroskope nie sú viditeľné samotné častice, ale veľké škvrny difrakcie svetla na nich. Ultramikroskopia sa používa na štúdium plazmy a séra krvi, lymfy a vakcín.

6. Elektrické vlastnosti disperzných systémov

Elektrokinetické vlastnosti koloidných systémov sú vlastnosti, ktoré sú spôsobené prítomnosťou náboja disperzného prostredia a častíc dispergovanej fázy a vznikajú, keď sa navzájom pohybujú.

elektroforéza– pohyb častíc dispergovanej fázy vzhľadom na stacionárne disperzné prostredie pôsobením vonkajšieho rozdielu potenciálov.

Elektroforéza je podobná elektrolýze. Rozdiely sú kvantitatívne: počas elektroforézy sa pohybujú oveľa väčšie množstvá látky. Aplikácia elektroforézy: separácia proteínov a nukleových kyselín; stanovenie náboja častíc dispergovanej fázy a elektrokinetického potenciálu.

Sedimentačný potenciál je potenciálny rozdiel, ktorý nastáva, keď sa častice dispergovanej fázy pohybujú pôsobením gravitácie alebo odstredivých síl.

Elektroosmóza– pohyb častíc disperzného prostredia voči stacionárnej dispergovanej fáze pôsobením vonkajšieho rozdielu potenciálov.

Elektroosmóza sa pozoruje vo viazaných disperzných systémoch, keď je dispergovanou fázou porézne teleso, tenké kapiláry naplnené kvapalným disperzným médiom. Aplikácia elektroosmózy: dehydratácia poréznych telies.

prietokový potenciál- potenciálny rozdiel, ku ktorému dochádza, keď kvapalina prúdi v kapilárach alebo poréznych telesách pri pôsobení tlakového rozdielu.

7. Štruktúra koloidných častíc - miciel

Koloidné častice sú zložité útvary - milella . Uvažujme o štruktúre častíc AgI sólu získaných interakciou dusičnanu strieborného s nadbytkom jodidu draselného.

Micela sa skladá z elektricky neutrálnej časti jednotka a ionogénna časť. Ionogénna časť micely sa delí na adsorpcia a difúzia vrstvy. Jednotka získava náboj v dôsledku selektívnej adsorpcie iónov alebo ionizácie povrchu. Ióny, ktoré určujú náboj agregátu, sa nazývajú potenciálne určujúce. Agregát a potenciál určujúce ióny tvoria jadro. Určitý počet iónov opačného znamienka je stabilne spojený s nabitým povrchom jadra - protiióny. Potenciálne určujúce ióny a niektoré protiióny tvoria adsorpčnú vrstvu. Jednotka spolu s adsorpčnou vrstvou je tzv granule. Tvorí sa druhá časť protiiónov difúzia vrstva, ktorej hustota klesá so vzdialenosťou od jadra. Náboj granule sa rovná súčtu nábojov iónov určujúcich protipól a potenciál.

V dôsledku toho sa na povrchu micely objaví dvojitá elektrická vrstva a potenciálny rozdiel medzi časticami dispergovanej fázy a disperzného média. Tento potenciál sa nazýva elektrotermodynamický potenciál.

Pri pohybe dispergovanej fázy voči disperznému médiu prechádza klzná plocha pozdĺž rozhrania medzi adsorpčnou a difúznou vrstvou. Rýchlosť pohybu závisí od fáz voči sebe je určená hodnotou potenciálu na klznej ploche, ktorá je tzv. elektrokinetické alebo x (zetta)-potenciál. Hodnota x-potenciálu závisí od hodnoty celkového elektrotermodynamického potenciálu a od hrúbky difúznej vrstvy. Hrúbka difúznej vrstvy závisí od koncentrácie elektrolytu v koloidnom roztoku: keď sa koncentrácia elektrolytu zvyšuje, protiióny sa vytláčajú z difúznej vrstvy do adsorpčnej vrstvy. Zmenšuje sa hrúbka difúznej vrstvy a zmenšuje sa x-potenciál. Pri určitej koncentrácii elektrolytu sú všetky protiióny vytesnené do adsorpčnej vrstvy. V tomto prípade sa x-potenciál rovná 0 a náboj koloidnej častice sa rovná 0. Tento stav koloidnej častice je tzv. izoelektrický stav.

8. Stabilita a koagulácia koloidných systémov

Koloidné systémy sú termodynamicky nestabilné, pretože majú nadmernú zásobu Gibbsovej povrchovej energie. Za určitých podmienok sú však koloidné systémy stabilné, t.j. veľkosť a koncentrácia koloidných častíc môže zostať nezmenená. Existujú dva typy stability koloidných systémov: sedimentácia a súhrnný.

Odolnosť voči sedimentácii (kinetický) - odolnosť koloidných častíc voči usadzovaniu. Táto stabilita závisí od veľkosti častíc a viskozity média.

Agregačná stabilita – schopnosť častíc dispergovanej fázy pôsobiť proti koagulácii (zlepovať sa do väčších agregátov). Zníženie agregačnej stability znamená zníženie stability sedimentácie.

Lyofóbne koloidné systémy sú agregatívne nestabilné, zatiaľ čo lyofilné sú stabilné. Lyofóbne môžu existovať za predpokladu, že sú stabilizované. Pri stabilizácii lyofóbnych koloidných systémov existujú dva hlavné faktory: elektrický faktor a konštrukčno-mechanické faktor.

Elektrický faktor stabilizácia je spojená s existenciou dvojitej elektrickej vrstvy na rozhraní. Hoci je micela ako celok elektricky neutrálna, koloidné častice majú rovnaký náboj a difúzne vrstvy majú rovnaký náboj. Prítomnosť podobne nabitých vrstiev zabraňuje časticiam priblížiť sa na takú vzdialenosť, v ktorej začnú pôsobiť príťažlivé sily. Zníženie hrúbky difúznej vrstvy teda narúša elektrickú stabilizáciu a častice sa k sebe približujú na takú vzdialenosť, že je možná ich príťažlivosť, čo vedie k držať spolu a koagulácia. K porušeniu elektrickej stabilizácie dochádza, keď sa do koloidných roztokov pridávajú elektrolyty.

Minimálna koncentrácia elektrolytu, ktorá spôsobuje koaguláciu koloidného roztoku, sa nazýva koagulačný prah. Prah koagulácie závisí od náboja koagulačného iónu, ktorý má náboj opačný ako náboj koloidnej častice.

pravidlo Schultz-Hardy: Koagulačná schopnosť elektrolytu sa zvyšuje so zvyšujúcim sa nábojom koagulačného iónu

kde Cp je prah koagulácie (najnižšia koncentrácia elektrolytu, pri ktorej dochádza ku koagulácii);

z je náboj koagulačného iónu.

Pri zmiešaní dvoch koloidných roztokov s opačne nabitými časticami, vzájomná koagulácia v prípade, že sa ich celkové náboje navzájom neutralizujú.

Štrukturálno-mechanický faktor k stabilizácii koloidných systémov dochádza v dôsledku adsorpcie na povrch koloidných častíc povrchovo aktívnych látok alebo vysokomolekulárnych zlúčenín (proteíny, polysacharidy). Adsorbované častice (povrchovo aktívne látky alebo molekuly polyméru) tvoria mechanicky pevnú vrstvu, ktorá zabraňuje zlepeniu častíc. Tieto látky tiež robia povrch častíc lyofilným. Tento spôsob stabilizácie koloidných systémov je tzv koloidná ochrana a látky používané na stabilizáciu ochranné koloidy.

Biologické tekutiny obsahujú ochranné koloidy, ktoré zabraňujú zrážaniu ťažko rozpustných látok, ako je fosforečnan a uhličitan vápenatý a niektorých nerozpustných metabolitov. Zabraňuje sa tak ukladaniu solí pri ateroskleróze, dne, tvorbe obličkových a žlčníkových kameňov.

Vznik koloidného roztoku zo zrazeniny sa nazýva tzv peptizácia, a látky, ktoré spôsobujú peptizáciu - peptizéry. Ako peptizéry sa používajú elektrolyty alebo povrchovo aktívne látky. Ióny alebo molekuly peptizérov, ktoré sú adsorbované na povrchu častíc sedimentu, tvoria dvojitú elektrickú vrstvu alebo solvátový obal, čo vedie k prekonaniu síl medzimolekulovej príťažlivosti medzi nimi.

9. Lyofilné koloidné systémy. Koloidné povrchovo aktívne látky

Keď sa molekuly amfifilnej povrchovo aktívnej látky s dlhým uhľovodíkovým radikálom (C10 - C22) rozpustia vo vode, vytvorí sa rovnováha medzi pravým a koloidným roztokom.

Povrchovo aktívne látky schopné vytvárať micely v roztoku sa nazývajú koloidné povrchovo aktívne látky. Rovnováha medzi skutočnými a koloidnými roztokmi závisí od koncentrácie povrchovo aktívnej látky.

Najnižšia koncentrácia, pri ktorej je možná micelizácia, sa nazýva kritická koncentrácia miciel (CMC).

CMC závisí od teploty, dĺžky uhľovodíkového reťazca a koncentrácie elektrolytov v roztoku. So zvyšovaním teploty sa CMC zvyšuje, so zvyšovaním dĺžky uhľovodíkového reťazca klesá, so zvyšujúcou sa koncentráciou elektrolytu v roztoku tiež klesá.

Počas tvorby miciel sa vlastnosti roztokov v závislosti od počtu častíc prudko menia: osmotický tlak, elektrická vodivosť. Prudká zmena týchto vlastností umožňuje určiť CMC.

Otázky na sebaovládanie

Metódy na získanie dispergovaných systémov fyzikálnou kondenzáciou zahŕňajú .... (tvorba zle rozpustnej látky, náhrada rozpúšťadla, jemné brúsenie tvrdých materiálov , kondenzácia pár)
Jednosmerná difúzia molekúl rozpúšťadla cez semipermeabilnú membránu do koloidného roztoku sa nazýva ... (rozpúšťanie, osmotický tlak, dialýza, osmóza)
Disperzné systémy s trojrozmernou disperznou fázou zahŕňajú ... instantná káva, mlieko, olejový film na vodnej hladine, drevo.
Charakteristickým znakom predmetov študovaných v koloidnej chémii je ... heterogenita.
Príkladom systému, v ktorom sú disperzným médiom a dispergovanou fázou kvapaliny, je (hmla, aerosól, majonéza, želé)
Koloidný roztok je tvorený... disperzia a kondenzácia
Na čistenie koloidných roztokov od iónových nečistôt sa používa metóda ... .. elektrodialýza
Ak odpadových vôd obsahujú povrchovo aktívne látky aniónového charakteru, potom bude mať roztok (síran hlinitý, fosforečnan sodný, chlorid vápenatý, síran amónny) najväčšiu koagulačnú schopnosť.
V prírode dochádza k rozptylu látok sprevádzanému tvorbou rozptýlených systémov ... pri zamrznutí vodných plôch, pri povodniach, pri sopečnej erupcii, pri zrážkach
Adsorpčná vrstva protiiónov vo vzorci micel jodidu strieborného ……………( (n-x)K+, m, nI - , xK +)
Komu kvantitatívne charakteristiky rozptýlené systémy označuje … rozptyl(nie počet častíc na jednotku objemu)
Koloidná častica získaná interakciou síranu draselného s nadbytkom chloridu bárnatého má náboj … (pozitívne)
Koloidná častica vytvorená interakciou dusičnanu strieborného a nadbytku jodidu draselného v elektrickom poli; presunúť na katódu, k anóde, nepohybuje sa, kmitá.
So zvýšením náboja koagulačného iónu, jeho koagulačnej schopnosti ... ( klesá, zvyšuje sa, nemení sa, mení sa nejednoznačne)
Flotačný proces je založený na rôznych _______________________ látkach kvapalinách ( zrážanie, vyparovanie, rozpúšťanie, zvlhčovanie)
Podľa teórie štruktúry koloidných roztokov spojením koloidnej častice a difúznej vrstvy iónov vzniká elektricky neutrálna častica, ktorá sa nazýva ..... micela.
Ión, keď sa pridá do koloidného systému, dôjde k jeho deštrukcii, sa nazýva .... Zrážanie.
Jav prenosu častíc dispergovanej fázy v konštantnom elektrickom poli je tzv …. Elektroosmóza, elektrolýza, prietokový potenciál, elektroforéza.
Najväčší koagulačný účinok počas tvorby AgI aeolu z rovnakých objemov 0,02 M roztoku AgNO 3 a 0,01 M roztoku KI má ión…. (K+, Ca2+, SO42-, Cl-)
Pre sól získaný reakciou 2Na2SiO3 (ex) + 2HCl \u003d H2SiO3 + 2NaCl bude mať najlepšie ión ... (Cu 2+, Fe 3+, K +, Zn 2+) koagulačný účinok