Главная страница
qrcode

Дисперсные системы


НазваниеДисперсные системы
АнкорЛекция №9 Дисперсные системы.doc
Дата18.10.2017
Размер162 Kb.
Формат файлаdoc
Имя файлаЛекция №9 Дисперсные системы.doc
ТипДокументы
#27882
Каталог


ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

В природе обычно встречаются не индивидуальные химические вещества, а их смеси - растворы и дисперсные системы. Дисперсной системой называется гетерогенная система, в которой мелкие частицы одной фазы равномерно распределены в объеме другой фазы. Дисперсная система состоит из однородной непрерывной фазы - дисперсионной среды, в которой равномерно распределены мелкие частицы дисперсной фазы.

Природные дисперсные системы очень разнообразны. Их можно классифицировать по различным признакам.

По размеру частиц дисперсной фазы:


Размер частиц, м


Название систем

Основные признаки

Прозрачность

Прохождение

частиц

через фильтры


10-7 - 10-4

Грубодисперсные смеси:

суспензии, эмульсии,

пены, аэрозоли


Мутные

Не проходят через

бумажный фильтр


10-9 - 10-7



Коллоидные

растворы

Прозрачные,

опалесцируют

при боковом

освещении

Проходят через бумажный фильтр, но не проходят

через животные и

растительные мембраны

10-10 - 10-9

Истинные

растворы

Прозрачные

Проходят через фильтры

и мембраны

По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды:

Дисперсная

фаза

Дисперсионная

среда

Обозначение

Название

Твердая

Газ

т/г

Дым, пыль

Жидкая

Газ

ж/г

Туман

Твердая

Жидкая

т/ж

Суспензия,

коллоидный раствор

Жидкая

Жидкая

ж/ж

Эмульсия

Газ

Жидкая

г/ж

Пена

По характеру взаимодействия дисперсной фазы

с дисперсионной средой:

Лиофобные (гидрофобные) системы:

золи, суспензии, эмульсии,пены. аэрозоли

Лиофильные (гидрофильные) системы:

коллоидные растворы ПАВ и ВМС

Слабое взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой

Образуются под действием

затраты энергии извне

Эндэргонический процесс

Термодинамически неустойчивы

Необходим стабилизатор

Сильное взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой

Образуются самопроизвольно
Экзэргонический процесс

Термодинамически устойчивы

Стабилизатор не нужен

По структурно-механическим свойствам:

Свободнодисперсные системы: золи, суспензии,

эмульсии, аэрозоли

Связаннодисперсные системы:

гели, студни, волокнистые и

пористые системы

Частицы дисперсной фазы равномерно распределены в объеме дисперсионной среды и слабо связаны между собой
Дисперсная фаза подвижна

Между частицами дисперсной фазы существуют устойчивые связи, благодаря которым образуется сплошная структура (сетка), внутри которой

заключена дисперсионная среда

Дисперсная фаза неподвижна

Коллоидными системами являются многие биологические жидкости живого организма: кровь, плазма, лимфа, спинно-мозговая жидкость, моча и др.

ЛИОФОБНЫЕ (ГИДРОФОБНЫЕ) КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ

Получение коллоидных растворов

Гидрофобными золями являются золи благородных металлов, малорастворимых в воде гидроксидов, карбонатов, сульфатов и др. Переход свежеосажденного осадка в золь называется пептизацией.

Коллоидные растворы (золи) образуются при распределении в дисперсионной среде малорастворимых веществ дисперсной фазы. Они состоят из частиц очень малых размеров, поэтому суммарная поверхность всех частиц S очень велика. В системе возникает огромная свободная поверхностная энергия GS= σS. В соответствии со вторым началом термодинамики такие системы термодинамически неустойчивы; в них самопроизвольно протекают процессы, направленные на снижение поверхностной энергии (GS 0). Необходимость уменьшения суммарной поверхности частиц (S  0) проявляется в стремлении коллоидных частиц объединяться в более крупные агрегаты. Тем не менее в природе лиофобные коллоидные растворы могут существовать длительное время без существенных изменений из-за присутствия в растворе молекул или ионов, выполняющих роль стабилизатора таких систем. Частицы стабилизатора адсорбируются на поверхности коллоидных частиц, увеличивают их сродство к дисперсионной среде и препятствуют слипанию частиц между собой.

Таким образом, для образования устойчивых лиофобных коллоидных растворов необходимо выполнение следующих условий: 1) малая растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде; 2) определенные размеры частиц дисперсной фазы (10-9 - 10-7 м); 3) наличие в системе стабилизатора.

При выполнении этих условий в коллоидном состоянии можно получить любое вещество. Первое условие выполняется правильным выбором растворителя. Если вещество хорошо растворимо в данном растворителе, то самопроизвольно получается истинный раствор, однако при использовании растворителя, в котором оно плохо растворимо, можно получить коллоидный раствор. Например, при растворении в воде хлорида натрия всегда получается истинный раствор, однако введение хлорида натрия в бензол, где он плохо растворим, может привести к образованию коллоидного раствора. И наоборот, невозможно получить коллоидный спиртовой раствор канифоли, поскольку она хорошо растворима в спирте, однако при определенных условиях образуется коллоидный раствор канифоли в воде, где она растворима плохо.

Второе условие - получение частиц определенного размера - можно выполнить разными способами. Поскольку коллоидные растворы по размерам частиц дисперсной фазы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами, коллоидные частицы можно получить двумя путями: 1) измельчением крупных частиц до размеров коллоидных - диспергационные методы; 2) объединением молекул и ионов в истинных растворах в более крупные коллоидные частицы - конденсационные методы.

Истинный Коллоидный Грубодисперсная

раствор  раствор  система

d10-9 м конденсирование 10-9d10-7 м диспергированиеd10-7 м

Конденсационные методы получения коллоидных растворов делят на физические и химические. Основным физическим методом служит замена растворителя. Если приготовить истинный раствор канифоли в спирте и добавлять его к воде, в которой канифоль очень плохо растворима, то вследствие понижения растворимости молекулы канифоли конденсируются в частицы коллоидных размеров. При необходимости спирт можно удалить нагреванием.

При химической конденсации для получения коллоидных растворов используют реакции, приводящие к образованию малорастворимых соединений, например:

AgNO3 + KI  [AgI] + KNO3

t

FeCl3 + 3H2O  [Fe(OH)3] + 3HCl

2HAuCl4 + 3H2O2  2[Au] + 8HCl + 3O2

Эти реакции надо проводить при избытке одного из реагентов, который выполняет роль стабилизатора образующихся коллоидных частиц.

Диспергационные методы весьма разнообразны. Чаще всего используют:

- механическое дробление с помощью шаровых и коллоидных мельниц в присутствии жидкой дисперсионной среды и стабилизатора;

- ультразвуковое измельчение под действием ультразвуковых колебаний на смесь нерастворимого вещества и растворителя;

- электрическое диспергирование, при котором с помощью электрической дуги, возникающей между двумя электродами, опущенными в воду, получают золи металлов;

- химическое диспергирование (пептизация), которое заключается в химическом воздействии на осадок.

Коллоидные растворы, полученные одним из этих методов, содержат примеси растворенных низкомолекулярных веществ и грубодисперсных частиц, наличие которых снижает устойчивость полученных систем. Для очистки коллоидных растворов от примесей используют:

- фильтрацию через обычные бумажные фильтры; коллоидные растворы проходят через их поры, а примеси грубодисперсных частиц задерживаются фильтром;

- диализ - удаление низкомолекулярных соединений с помощью мембран, пропускающих молекулы и ионы малого размера и задерживающих коллоидные частицы и макромолекулы большого размера (рис.21а); малые молекулы и ионы диффундируют через мембрану в непрерывно заменяемый растворитель и удаляются от диализируемого коллоидного раствора;

- электродиализ, при котором для увеличения скорости диализа создают постоянно электрическое поле, способствующее движению ионов из коллоидного раствора в растворитель (рис.21б);

4 1 5 4 1 5











3

2 2 2




3 3

а) б)

Рис.21. Схема диализатора (а) и электродиализатора (б):

1 - диализируемый раствор; 2 - поток растворителя;

3 - диализная мембрана; 4 - мешалка; 5 - электроды.

- компенсационный диализ, который применяют для удаления не всех присутствующих низкомолекулярных веществ, а только их части; вместо чистого растворителя применяют раствор низкомолекулярных веществ, которые необходимо оставить в коллоидной системе, при этом диффундируют через мембрану в этот раствор все ионы кроме тех, которые в нем содержатся;

- ультрафильтрация - продавливание разделяемой смеси под давлением через фильтры с узкими порами, пропускающими только молекулы и ионы низкомолекулярных веществ.

Непременным условием получения устойчивого коллоидного раствора является наличие в нем стабилизатора. Роль стабилизатора могут выполнять: избыток одного из реагентов, используемых для получения вещества дисперсной фазы, ПАВ, белки, полисахариды и другие вещества.

Строение коллоидных частиц

В лиофобных коллоидных растворах содержатся особые частицы - мицеллы. Они представляют собой микрокристалл дисперсной фазы, окруженный сольватированными ионами стабилизатора.

Рассмотрим образование мицеллы коллоидного раствора хлорида серебра при взаимодействии водных растворов нитрата серебра и хлорида калия. Если в избытке взят хлорид калия, то реакция протекает по уравнению:

mAgNO3 + (m + n)KCl  [mAgCl · nCl-] + nK+ + mKNO3

На образующихся микрокристаллах труднорастворимого в воде хлорида серебра (агрегате) в соответствии с правилом Панета - Фаянса - Пескова избирательно адсорбируются анионы Cl-, препятствуя сливанию микрокристаллов в более крупные образования. Адсорбированные анионы придают поверхности агрегата отрицательный заряд, поэтому они называются потенциалопределяющими ионами. Агрегат вместе с потенциалопределяющими ионами составляет твердую фазу мицеллы - ее ядро.

Вблизи заряженной поверхности ядра силами электростатического притяжения группируются противоположные заряженные ионы (противоионы) - катионы K+. Противоионы компенcируют заряд поверхности твердой фазы и составляют жидкую фазу мицеллы. При этом часть катионов K+ плотно прилегает к поверхности ядра мицеллы, частично компенсируя его заряд ("связанные" противоионы), а остальные катионы K+ вследствие диффузии располагаются более рыхло ("свободные" противоионы). Потенциалопределяющие ионы вместе со "связанными" ионами" образуют адсорбционный слой. Агрегат вместе с адсорбционным слоем составляют гранулу, заряд которой обусловлен зарядом потенциалопределяющих ионов. Гранула вместе с окружающим ее слоем "свободных" противоионов составляет мицеллу. В отличие от гранулы мицеллы не имеет заряда и четких границ, поскольку "свободные" противоионы находятся в процессе постоянного обмена с аналогичными ионами в объеме дисперсионной среды.

Таким образом, строение образовавшейся мицеллы можно представить следующей схемой:

потенциалопре- "связанные" "свободные"

деляющие ионы противоионы противоионы



[mAgCl · nCl · (n - x)K+]х− · xK+




агрегат адсорбционный слой




ядро плотный слой




гранула диффузный слой




мицелла

Граница между твердой фазой (ядром) и жидкой фазой (противоионами) называется межфазной границей. Граница между гранулой и диффузным слоем называется границей скольжения, поскольку при наложении внешнего электрического поля на коллоидный раствор гранула и ионы диффузного слоя, имея разный по знаку заряд, начинают перемещаться к противоположно заряженным электродам.

Если реакцию между AgNO3 и KCl проводить в избытке нитрата серебра, то строение мицеллы изменится. В роли потенциалопределяющих ионов выступят катионы Ag+, которые вместе с агрегатом - микрокристаллами труднорастворимого AgCl - составят твердую фазу - ядро мицеллы. Противоионами будут выступать анионы NO3-. Часть из них составит плотный слой вокруг ядра, а другая - диффузный слой. Гранула, состоящая из агрегата AgNO3 и адсорбционного слоя (потенциалопределяющих ионов Ag+ и "связанных" противоионов NO3-), будет иметь положительный заряд. Мицелла, включающая гранулу и диффузный слой противоионов, в целом электронейтральна, но при наложении внешнего постоянного электрического поля, разделится на две части: положительно заряженная гранула начнет двигаться к отрицательному электроду (катоду), а отрицательные ионы диффузного слоя последуют к положительному электроду (аноду). Строение мицеллы можно представить следующим образом:
потенциалопре- "связанные" "свободные"

деляющие ионы противоионы противоионы



[mAgCl · nAg+ · (n - x)NO3-]х+ · xNO3-




агрегат адсорбционный слой




ядро плотный слой
гранула диффузный слой
мицелла

Золь гидроксида железа (Ш) также можно получить в различных условиях. Если к свежеполученному осадку гидроксида железа добавлять небольшие количества хлорида железа (Ш), то на частицах осадка избирательно адсорбируются ионы Fe3+, поэтому образующиеся гранулы золя несут положительный заряд:

[mFe(OH)3 · nFe3+ · 3(n - x)Cl-]3х+ · 3xCl-

Если же к осадку гидроксида железа добавлять небольшие количества соляной кислоты, осадок частично растворяется с образованием оксихлорида железа FeOCl:

Fe(OH)3 + HCl ⇄ FeOCl + 2H2O

FeOCl → FeO+ + Cl

При этом строение мицеллы можно представить следующим образом:

[mFe(OH)3 · nFeO+ · (n - x)Cl-]х+ · xCl-

При подщелачивании осадка гидроксида железа можно получить золь с отрицательно заряженными гранулами:

[mFe(OH)3 · nOH- · (n - x)Na+]х+ · xNa+

Во всех случаях формирования мицеллы поверхность твердого ядра и прилегающий слой жидкой фазы приобретают противоположные заряды, т.е. образуется двойной электрический слой (ДЭС) на границе раздела фаз (рис.22). Со стороны жидкой фазы он включает плотный слой "связанных" противоионов, где заряд меняется довольно резко, и диффузный слой "свободных" противоионов, где изменение заряда происходит менее заметно. В ДЭС мицеллы различают два потенциала: электротермодинамический (межфазный) потенциал φмф на границе раздела между твердой и жидкой фазами и электрокинетический потенциал (ζ-потенциал) на границе скольжения между адсорбционной и диффузной частями (т.е. заряд гранулы).
твердая фазажидкая фазатвердая фаза жидкая фаза

межфазная межфазная

граница граница

граница + граница

+ скольжения +  скольжения

φмф  + + 

+ + 

+ + 

+ + ζ +   ζ




а) б)

Рис.22. Строение двойного электрического слоя мицеллы

коллоидного раствора хлорида серебра, полученного

при избытке KCl (а) или при избытке AgNO3 (б).

Значение межфазного потенциала определяется природой твердой фазы, зарядом и концентрацией потенциалопределяющих ионов, адсорбированных на ней.

Величина ζ-потенциала (дзета-потенциала) зависит от толщины диффузного слоя. Чем больше заряд и концентрация противоионов, тем больше их находится в плотном адсорбционном слое и тем меньше в диффузном, следовательно, тем меньше ζ-потенциал. Значение электрокинетического потенциала определяет устойчивость коллоидных частиц к процессам, вызывающим их укрупнение. Мицеллы, образующие стабильные коллоидные растворы, имеют относительно высокое значение электрокинетического потенциала (50 - 70 мВ).
Свойства лиофобных коллоидных растворов

Молекулярно-кинетические свойства. К ним относятся свойства, связанные с тепловым движением частиц: броуновское движение и диффузия, которые определяются размером и массой частиц, и осмос, зависящий от числа частиц в единице объема раствора. Поскольку размер и масса частиц дисперсной фазы значительно больше, чем молекул и ионов в истинных растворах, броуновское движение и диффузия проявляются в коллоидных растворах в гораздо меньшей степени, чем в истинных. Сравнение коллоидных и истинных растворов с одинаковой массовой концентрацией показывает, что число частиц в единице объема коллоидного раствора гораздо меньше, чем число молекул или ионов в истинном растворе, поэтому осмотическое давление коллоидных растворов очень низкое.

Оптические свойства. Специфической особенностью коллоидных растворов является их способность рассеивать свет. Это свойство обусловлено размерами коллоидных частиц. Истинные растворы прозрачны, поскольку содержащиеся в них молекулы и ионы имеют размеры 10-10 - 10-9 м, существенно меньшие, чем длины волн видимого света (

10-7 м). Размеры частиц в коллоидных растворах (10-7 - 10-9 м) соизмеримы с длинами волн видимого света, поэтому коллоидные растворы рассеивают свет. Рассеяние света можно наблюдать при боковом освещении коллоидного раствора: при обычном боковом освещении - в виде голубоватой опалесценции раствора, а в случае точечного источника света - в виде светящегося конуса (эффект Тиндаля). Рассеяние света тем сильнее, чем меньше длина волны падающего излучения. Поэтому красный свет рассеивается в меньшей степени, а голубой - в большей. Образование коллоидных аэрозолей в атмосфере вызывает рассеяние солнечного света, придающее небу голубой цвет.

Электрокинетические свойства. Поскольку составные части коллоидного раствора электрически заряжены, при наложении внешнего постоянного электрического поля можно наблюдать перемещение дисперсной фазы и дисперсионной среды друг относительно друга.

Впервые эти явления наблюдал Ф.Ф.Рейсс. Схема его опыта показана на рис.23. Вставив в слой влажной глины две стеклянные трубки, наполненные кварцевым песком и водой, он опустил в трубки электроды, подключенные к источнику постоянного электрического тока. Спустя некоторое время уровень воды в анодном пространстве понизился, а в катодном - повысился, что указывает на перемещение дисперсионной среды в направлении одного из электродов. Одновременно вода в анодном пространстве мутнела вследствие появления суспензии глины, значит, частицы дисперсной фазы также перемещались, но в противоположном направлении.



Рис.23. Схема опыта Рейсса:

1 - стеклянные трубки, заполненные водой; 2 - катод; 3 - анод;

4 -влажная глина; 5 - коллоидные частицы глины.
Движение коллоидных частиц в электрическом поле называется электрофорезом, а движение растворителя - электроосмосом.

Позднее были обнаружены и обратные явления - возникновение разности электрических потенциалов при перемещении дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы или, наоборот, при перемещении дисперсной фазы относительно неподвижной дисперсионной среды. Возникающие потенциалы получили названия потенциала протекания и потенциала седиментации соответственно.

Все электрокинетические явления объясняются образованием ДЭС на границе раздела фаз в коллоидной системе, которое формирует у частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды противоположные по знаку электрические заряды.
Устойчивость коллоидных растворов

Коллоидные растворы представляют собой термодинамически неустойчивые системы, в которых проявляется тенденция к снижению поверхностной энергии Гиббса за счет укрупнения частиц и уменьшения суммарной поверхности раздела фаз. Слипание коллоидных частиц приводит к увеличению их массы, в результате чего более крупные частицы под действием силы тяжести оседают на дно (седиментируют).

Известны, однако, многочисленные коллоидные растворы, в которых не происходит слипания частиц в течение длительного времени. Способность дисперсной системы сохранять во времени свое состояние и свойства характеризует устойчивость дисперсной системы.

Различают седиментационную и агрегативную устойчивость.

Седиментационная устойчивость характеризует способность частиц дисперсной фазы находиться во взвешенном состоянии и не оседать под действием сил тяжести.

Агрегативная устойчивость характеризует способность частиц дисперсной фазы противостоять их слипанию между собой.

Седиментационная устойчивость коллоидных систем обусловлена малыми размерами частиц и их броуновским движением.

Агрегативная устойчивость коллоидных растворов с ионным стабилизатором обусловлена наличием на поверхности частиц диффузной ионной атмосферы, которая препятствует их слипанию. Агрегативная устойчивость - результат взаимодействия двух противоположно направленных сил, которые одновременно действуют на сближающиеся коллоидные частицы: Ван-дер-Ваальсовых сил межмолекулярного притяжения и электростатических сил отталкивания, возникающих между одноименно заряженными частицами. При значительной протяженности диффузной части мицеллы преобладают силы отталкивания, возникающие между одноименно заряженными противоионами. При малой толщине диффузного слоя частицы сближаются на расстояния, при которых молекулярное притяжение сильнее, что приводит к их агрегации (слипанию).

Таким образом, агрегативная устойчивость коллоидных систем зависит от условий формирования мицеллы - заряда твердой фазы, толщины и заряда диффузного слоя. Она тем больше, чем выше заряд твердой фазы (межфазный потенциал), чем больше толщина диффузного слоя и чем больше значение ζ-потенциала. Коллоидные растворы с ионным стабилизатором устойчивы, если ζ-потенциал превышает 50 мВ, относительно устойчивы при 30  ζ  50 мВ и неустойчивы при ζ  30 мВ.

Потеря агрегативной устойчивости приводит к слипанию коллоидных частиц с образованием более крупных агрегатов; этот процесс называется коагуляцией. Следствием коагуляции является потеря седиментационной устойчивости: укрупненные частицы оседают под действием возросшей силы тяжести.

Примером коагуляции коллоидной системы служит процесс свертывания крови. Ему способствует наличие в крови катионов кальция, поэтому для длительного хранения крови, предназначенной для консервирования, эти ионы удаляют из крови различными физико-химическими методами.

Коагуляцию можно вызвать различными внешними воздействиями: добавлением небольших количеств электролита, концентрированием коллоидного раствора, изменением температуры, действием ультразвука, электромагнитного поля и др. Наибольшее практическое значение имеет коагуляция под действием электролитов.

Согласно правилу Шульце - Гарди, коагуляцию коллоидных растворов вызывают любые ионы, имеющие знак заряда, противоположный заряду гранул, причем их действие тем сильнее, чем выше заряд иона-коагулянта.

Для количественной оценки коагулирующей способности электролитов введено понятие порога коагуляции, т.е. минимальной концентрации электролита, достижение которой вызывает начало коагуляции, заметное по помутнению раствора или изменению его окраски.

Порог коагуляции можно рассчитать по формуле:

1000СэлVэл

Спор = 

Vкр + Vэл

где Спор - порог коагуляции электролита, ммоль/л; Сэл - исходная концентрация раствора электролита, моль/л; Vэл - добавленный объем раствора электролита, вызвавший начало коагуляции; Vкр - исходный объем коллоидного раствора.

Величина, обратная порогу коагуляции, называется коагулирующей способностью КС:

КС = 1/Спор

Коагулирующая способность иона-коагулянта пропорциональна его заряду в шестой степени. Например, коагуляцию золя AgCl, полученного в избытке Cl--ионов и имеющего отрицательно заряженные гранулы, вызовут положительно заряженные ионы, причем при добавлении к этому золю растворов NaCl, CaCl2 или AlCl3 коагулирующее действие катионов Na+, Ca2+ и Al3+ будет находиться в приблизительном соотношении 16: 26 :36  1 : 64 : 729. Иными словами, для коагуляции потребуется добавить гораздо меньшее количество раствора AlCl3, чем раствора CaCl2 и тем более раствора NaCl. Если золь AgCl был образован в избытке потенциалопределяющих катионов Ag+ и имеет свойственный им положительный заряд гранулы, то коагуляцию такого золя вызовут анионы. При этом наиболее эффективным коагулянтом в ряду KCl - K2SO4 - K3PO4 будет анион с наибольшим зарядом, поскольку КС(Cl-) : КС(SO42-) : КС(РО43-)  1 : 64 : 729.

Влияние электролита на коагуляцию коллоидных растворов следует учитывать при введении электролитов в живые организмы. Например, физиологический раствор NaCl (0,9%) нельзя заменить изотоническим раствором MgSO4, поскольку двухзарядные ионы Mg2+ и SO42- обладают значительно большим коагулирующим действием, чем однозарядные ионы Na+ и Cl-. При инъекциях электролитов в мышечную ткань следует вводить их постепенно, чтобы не вызвать локального превышения порога коагуляции, которое приведет к коагуляции биосубстратов.

О протекании процесса коагуляции можно судить по величине ζ-потенциала (рис.24). Коагуляция становится возможной при снижении толщины диффузного слоя мицеллы, которое сопровождается и уменьшением электрокинетического потенциала. Снижение величины ζ-потенциала до 25-30 мВ свидетельствует о начале коагуляции, хотя внешних признаков (помутнения или изменения окраски) может не наблюдаться из-за низкой скорости этого процесса (так называемая "скрытая" коагуляция). Дальнейшее снижение ζ-потенциала сопровождается увеличением скорости коагуляции и помутнением раствора ("явная" коагуляция), и при ζ = 0 скорость коагуляции максимальна. Состояние коллоидных частиц, при котором электрокинетический потенциал равен 0, называется изоэлектрическим состоянием. В этом состоянии заряд гранул равен 0, поэтому в электрическом поле они не приобретают направленного движения.

Коагуляция

скрытая явная

v медленная быстрая


С

ζ >30 мВ ζ < 30 мВ ζ = 0

Рис.24. Зависимость скорость коагуляции от концентрации электролита-коагулянта

Коагуляцию можно также вызвать, действуя смесями электролитов. При этом существует три возможных варианта взаимодействия между электролитами-коагулянтами:

1) аддитивное действие - суммирование коагулирующего действия ионов; так, смесь солей KCl и NaNO3, не взаимодействующих друг с другом, проявляет аддитивное действие по отношению к коллоидам с гранулами, заряженными как положительно, так и отрицательно (в первом случае коагуляцию вызывают анионы, во втором - катионы солей);

2) антагонизм - ослабление коагулирующего действия одного электролита в присутствии другого; например, добавка Na2SO4 ослабляет коагулирующее действие катионов Ва2+ из-за того, что растворе протекает реакция Ва2+ + SO42-­­  BaSO4, приводящая к снижению концентрации этих катионов;

3) синергизм - усиление коагулирующего действия одного электролита в присутствии другого; например, коагулирующее действие FeCl3 и KSCN в отношении коллоидов с положительно заряженными гранулами (коагулянты - однозарядные анионы) резко возрастает при их совместном присутствии, поскольку в результате реакции Fe3+ + 6SCN-  [Fe(SCN)6]3- образуется трехзарядный комплексный анион, проявляющий очень высокую коагулирующую способность.

При смешении двух коллоидных растворов, содержащих частицы с противоположными зарядами гранул происходит взаимная коагуляция - слипание разноименно заряженных гранул в крупные агрегаты. При этом коагуляция происходит тем полнее, чем полнее нейтрализуются заряды гранул.

Свежеполученный при коагуляции осадок можно вернуть в коллоидное состояние. Процесс, обратный коагуляции - превращение осадка в устойчивый коллоидный раствор, называется пептизацией. Пептизации способствует промывание осадка чистым растворителем, вымывающим из системы ионы-коагулянты, и добавление электролита-пептизатора, содержащего ионы, способные, адсорбируясь на поверхности частиц осадка, восстановить ионные атмосферы вокруг них и перевести их в коллоидное состояние. Пептизация усиливается при перемешивании и нагревании.

Процесс пептизации лежит в основе лечения многих заболеваний: рассасывания атеросклеротических бляшек на стенках кровеносных сосудов, почечных и печеночных камней. Однако застарелые тромбы и уплотнившиеся камни практически не пептизируются.

Устойчивость коллоидных растворов можно повысить добавлением к ним некоторых высокомолекулярных соединений (ВМС). Это явление получило название коллоидной защиты. Защитное действие ВМС объясняется тем, что они адсорбируются на поверхности коллоидных частиц. При этом гидрофобные участки их структур (углеводородные радикалы) обращены к частицам дисперсной фазы, а гидрофильные фрагменты (полярные группы) обращены наружу, к воде. Вокруг мицеллы образуется дополнительная оболочка из макромолекул ВМС и их собственных гидратных оболочек, которая препятствует сближению коллоидных частиц.

По отношению к водным коллоидным растворам защитным действием обладают растворимые в воде белки, полисахариды, пектины. Белки препятствуют выпадению в осадок малорастворимых холестерина и солей кальция на стенках кровеносных сосудов, образованию камней в мочевыводящих и желчепроводящих путях. В фармации защитные свойства ВМС используются для повышения устойчивости лекарственных препаратов, находящихся в коллоидном состоянии.

Для обеспечения коллоидной защиты необходимо создать достаточно высокую концентрацию ВМС, обеспечивающую образование мономолекулярной защитной оболочки вокруг мицеллы. Введение небольшого количества ВМС может привести к обратному эффекту: макромолекулы взаимодействуют одновременно с несколькими коллоидными частицами, связывая их с образованием рыхлых хлопьев. Агрегирование частиц дисперсной фазы в лиофобных коллоидных растворах под действием небольших количеств ВМС называется флокуляцией.

На явлении флокуляции основан метод очистки природных и питьевых вод. В качестве флокулянта используется хорошо растворимый в воде синтетический полимер - полиакриламид.
перейти в каталог файлов


связь с админом