Презентация - Коллоидная химия

Лекция 1 7 Коллоидная химия

ПЛАН 17 .1 Дисперсные системы и их классификация. 17 .2 Получение и очистка коллоидных растворов. 17 .3 Строение мицелл лиофобных золей. 17 .4 Физические свойства золей. 17 .5 Устойчивость коллоидных растворов. Коагуляция.

17 . 1 Коллоидная химия – это химия дисперсных систем.

Дисперсными называются микрогетерогенные системы, в которых микроскопические частицы дисперсной фазы равномерно распределены в дисперсионной среде.

Модель дисперсной системы Дисперсионная среда Частицы дисперсной фазы

Классификация дисперсных систем 1) По степени дисперсности Коллоидно-дисперсные 10 9 α 10 7 м Грубо- дисперсные 10 7 α 10 5 м - диаметр частицы дисперсной фазы

2) По степени взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды Под их взаимодействием понимают образование сольватных оболочек вокруг частиц дисперсной фазы.

Лиофильные - это системы, в которых сильно выражен эффект сольватации (растворы ВМС и ПАВ). Они устойчивы; их образование протекает самопроизвольно. Лиофобные - это системы, в которых эффект сольватации отсутствует (дисперсии металлов и труднорастворимых солей). Они не устойчивы; их образование протекает не самопроизвольно. Дисперсные системы

3) По отсутствию или наличию межмолекулярного взаимодействия между частицами дисперсной фазы Свободно-дисперсные – частицы не связаны между собой и свободно перемещаются (аэрозоли, лиозоли) Связно-дисперсные – частицы связаны между собой; их движение затруднено (гели, студни)

4) По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды Диспер-сион-ная сре- да Дис - перс - ная фаза Тип системы Примеры Аэрозо-ли Ж Т Ж/Г Т/Г Туманы, облака, аэрозоли жидких лекарственных препаратов Дым, пыль, порошки, аэрозоли твердых лекарств Г

Лио-зо-ли Г Ж Т Г/Ж Ж /Ж Т/Ж Жидкие пены Эмульсии: молоко, лекарственные эмульсии, кремы Коллоидные растворы (золи), суспензии Ж

Соли-дозоли Г Ж Т Г/ т Ж/Т Т/Т Твердые пены : хлеб, пемза, активированный уголь Жемчуг, опал Цветные стекла, минералы, сплавы Т

Согласно современным представлениям, любое твердое тело – это высокодисперсная система, так как размеры дефектов кристаллических решеток соответствуют размерам коллоидных частиц.

1 7 .2 Для получения коллоидных растворов ( золей ) используют: 1) метод диспергирования, 2) метод конденсации

Метод диспергирования – дробление крупных частиц до коллоидной степени дисперсности.

Диспергирование можно осуществлять : а) механическим дроблением (шаровые, коллоидные мельницы); б) электрическим распылением в вольтовой дуге (получение золей Au, Ag, Pt и других металлов); в) действием ультразвука;

г) метод пептизации - дробление свежеприготовленных осадков на отдельные коллоидные частицы при добавлении небольшого количества электролита-пептизатора в раствор.

Ионы электролита-пептизатора адсорбируются на поверхности частиц осадка, сообщая им одноименный электрический заряд и способствуя переходу во взвешенное состояние.

Пептизация имеет большое биологическое значение: рассасывание атеросклеротических бляшек, почечных и печеночных камней происходит под воздействием лекарственных препаратов-пептизаторов.

Метод конденсации – соединение атомов, молекул или ионов в агрегаты коллоидной степени дисперсности.

Конденсация химическая физическая

В основе химической конденсации лежат химические реакции, протекающие с образованием труднорастворимых соединений.

ОВР H Au Cl 4 3 H 2 O 2 2 Au 8 HCl 3 O 2 получение дисперсии радиоактивного золота для лечения онкологических заболеваний

гидролиз Fe Cl 3 3 H 2 O Fe(OH) 3 3 HCl ионный обмен Ag NO 3 KI Ag I KNO 3 Получение протаргола (сильнодействующего антисептика)

Получение дисперсных систем методом физической конденсации выполняют: путем замены растворителя : в истинный раствор добавляют жидкость, в которой растворенное вещество практически не растворимо;

понижением температуры или повышением давления паров и газов , приводящим к их конденсации. Так в природе образуются туманы и облака.

В организме превалирующим является конденсационный метод. Одним из немногих примеров диспергирования является эмульгирование жиров в кишечнике.

Методы очистки золей Диализ и электродиализ – очистка золей от электролитов Ультрафильтрация-отделение дисперсной фазы от дисперсионной среды

Диализ основан на применении мембран , задерживающих крупные коллоидные частицы и пропускающих ионы и молекулы низкомолекулярных веществ.

диализат ЗОЛЬ мембрана Простейший диализатор Вода

Диализ протекает медленно, но он может быть ускорен путем пропускания электрического тока через золь, подлежащий очистке.

Такой процесс получил название электродиализа, а соответствующий прибор – электродиализатора . Растворитель Растворитель Золь

Ультрафильтрация –осуществляется путем продавливания золя через плотные фильтры, непроницаемые для частиц дисперсной фазы.

Фильтрование обычно проводят под давлением или в вакууме.

Процесс ультрафильтрации лежит в основе работы почек. Вещества с молярной массой до 10 000 проходят через сито базальной мембраны свободно, а с молярной массой свыше 50 000 - только в ничтожных количествах.

Примером сочетания диализа и ультрафильтрации является аппарат " искусственная почка ", предназначенный для временной замены почек при почечной недостаточности.

Прибор «Искусственная почка» Данный метод лечения называется гемодиализом .

17.3 Согласно мицеллярной теории , золь состоит из мицелл и интермицеллярной жидкости.

Мицелла – это электронейтральная частица дисперсной фазы, окруженная двойным электрическим слоем ионов. Интермицеллярная жидкость – это дисперсионная среда, разделяющая мицеллы

Основу мицеллы составляют микрокристаллы трудно-растворимого вещества, называемые агрегатом . В результате избирательной адсорбции на поверхности агрегата адсорбируются ионы электролита-стабилизатора.

Пример. Рассмотрим строение мицеллы золя Ag I , образующегося в результате реакции: Ag NO 3 KI Ag I KNO 3 изб. твердая фаза

Электролит в избытке (Ag NO 3 ) является стабилизатором т.к. сообщает устойчивость коллоидным частицам. Из его ионов формируется двойной электрический слой вокруг агрегата: Ag NO 3 Ag NO 3 -

Формула мицеллы Ag I m Ag I n Ag (n - x)NO 3 - x x NO 3 - агрегат ПОИ ПРИ ПРИ ядро Адсорбционный слой Коллоидная частица мицелла Диффузный слой

ПОИ – потенциалопредляющие ионы, адсорбирующиеся на поверхности агрегата, ПРИ – противоионы, адсорбирующиеся на поверхности ядра; они входят как в состав адсорбционного, так и в состав диффузного слоя

Коллоидная частица (гранула) – это часть мицеллы, состоящая из агрегата и адсорбционного слоя. Заряд гранулы рассчитывают как алгебраическую сумму ионов, входящих в ее состав: n -1(n- х) n – n х x

Образование двойного электрического слоя (ДЭС) приводит к тому, что на поверхности раздела адсорбционного и диффузного слоя появляется электрический потенциал, называемый электрокинетическим (дзета) потенциалом ( ξ , В)

ξ – потенциал служит мерой устойчивости коллоидных частиц, мерой размеров межклеточных пространств in vivo

17.4 Физические свойства коллоидных растворов Молекулярно-кинетические Оптические Электро-кинетические

Важнейшие молекулярно-кинетические свойства 1) Броуновское движение – хаотическое движение частиц дисперсной фазы под воздействием ударов молекул дисперсионной среды

2) Диффузия – самопроизвольный процесс выравнивания концентраций частиц по всему объему раствора в результате броуновского движения. Характеристикой диффузии является ее коэффициент D , зависящий от размеров частиц (r) и вязкости среды ( ): D RT 6 π r N A

3) Седиментация –оседание частиц дисперсной фазы под действием силы тяжести. Определение скорости оседания положено в основу седиментационного анализа . Он широко используется для оценки состояния эритроцитов.

Определение СОЭ –важный диагности-ческий тест.

Особые оптические свойства дисперсных систем обусловлены тем, что размеры коллоидных частиц сопоставимы с длиной волны видимого света.

Это приводит к рассеянию света, проходящего через золь .

Если луч света направить на коллоидный раствор, то его путь будет обнаруживаться на темном фоне в виде светящегося конуса, называемого конусом Тиндаля.

Конус Тиндаля

Короткие волны (синяя и фиолетовая часть спектра) рассеиваются сильнее, чем длинные (желто-красная часть спектра).

Этим объясняется голубой цвет неба.

Электрокинетическими явлениями называются процессы, протекающие в золях под воздействием внешнего электрического поля. К ним относят электрофорез и электроосмос.

Электрофорез (электро... и греч. phoresis - несение)- это направленное движение коллоидных частиц под действием внешнего электрического поля относительно неподвижной дисперсионной среды. Электрофорез был открыт Ф. Рейсом в 1807.

Скорость движения частиц к электродам (u) связана с напряжённостью электрического поля (Е) уравнением Смолуховского: u ξ ε E k π где - вязкость среды, ε - диэлектрическая постоянная

Электрофорез позволяет определять ξ - потенциалы как коллоидных частиц, так и живых клеток, бактерий и вирусов , поскольку они несут электрический заряд и способны перемещаться в электрическом поле с определенной скоростью.

Электрофорез применяется для диагностики и контроля за ходом болезни. Его используют для введения лекарственных веществ в пораженные органы человека. Метод имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными способами введения препаратов.

Электроосмос – это движение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы через полупроницаемую мембрану во внешнем электрическом поле.

Он применяется в медицине для очистки лечебных сывороток.

17.5 Под устойчивостью дисперсной системы понимают постоянство во времени ее состояния и свойств.

Различают два вида коллоидной устойчивости: кинетическую (седиментационную), агрегативную.

Причиной кинетической устойчивости является броуновское движение, которое противодействует оседанию частиц под действием силы тяжести.

Агрегативная устойчивость золей обусловлена наличием у коллоидных частиц одноименных электрических зарядов, препятствующих их слипанию при столкновении.

Чем больше заряд частицы, тем выше ее электрокинетический потенциал и стабильнее золь.

При нарушении агрегативной устойчивости золей происходит их коагуляция .

Коагуляция - процесс объединения коллоидных частиц в более крупные агрегаты вследствие полной или частичной потери электрических зарядов.

Коагуляцию может вызывать: изменение температуры, увеличение концентрации дисперсной фазы, механическое воздействие, добавление электролитов.

Наибольшее практическое значение имеет коагуляция золей электролитами .

Коагуляция электролитами протекает в живом организме, т.к. коллоидные растворы клеток находятся в соприкосновении с электролитами, содержащимися в биологических жидкостях.

Все сильные электролиты вызывают коагуляцию золей при увеличении их концентрации в растворе до некоторого значения, называемого порогом коагуляции.

Порог коагуляции ( γ ) – это минимальное количество электролита, которое надо добавить к 1 л золя, чтобы вызвать начало коагуляции.

Коагулирующие действие электролитов описывается правилом Шульце – Гарди: коагуляцию вызывают ионы, заряд которых противоположен заряду гранулы. Коагулирующая способность тем больше, чем выше заряд иона-коагулятора.

Дерягин и Ландау показали, что I : II : III 1 1 1 1 6 2 6 3 6 : : 730 : 11 : 1

Правило Шульце - Гарди носит приблизительный характер, т.к. не учитывает влияние ионных радиусов на коагулирующую способность ионов.

Ионы с одинаковыми зарядами, но различными ионными радиусами, образуют лиотропные ряды : Li Na K Rb Cs Увеличение коагулирующей способности ионов

Единой теории коагуляции золей электролитами не существует. Чаще всего коагулирующие действие электролитов объясняют уменьшением заряда коллоидных частиц в результате сжатия диффузного слоя.

Сжатие диффузного слоя можно представить схемой: m Ag I n I - (n- х ) K х - х K Na m Ag I n I - n K 0 частица теряет заряд Na Na

Процесс коагуляции золя характеризуется определенной величиной скорости коагуляции , которую можно определить как изменение числа коллоидных частиц в единице объема за единицу времени.

Кинетическая кривая коагуляции Скорость коагуляции Концентрация электролита 0 В 30 м В O A Б B

Отрезок ОА отвечает периоду скрытой коагуляции , при которой золь сохраняет свою устойчивость.

В точке А начинается явная коагуляция , которая соответствует уменьшению ξ -потенциала коллоидных частиц до 30 м В.

На участке БВ скорость коагуляции достигает максимального значения; этот отрезок кинетической кривой соответствует периоду быстрой коагуляции ( ζ-потенциал равен нулю ) .

При коагуляции золя смесью электролитов можно наблюдать: а) явление аддитивности - суммирование коагулирующего действия ионов; б) явление антагонизма - ослабление коагулирующего действия одного иона в присутствии другого;

в) явление синергизма - усиление коагулирующего действия одного иона в присутствии другого.

При введении лекарственной смеси солей следует убедиться, что эти ионы не являются синергистами. В противном случае препарат может инициировать вредный для организма коагуляционный процесс.

Коагуляция может происходить при смешении золей с различными знаками заряда их частиц (взаимная коагуляция).

Такой тип коагуляции применяется в санитарно-гигиенической практике при очистке воды от взвешенных коллоидных частиц.

Благодарим за внимание!!!