Физико-химия дисперсных систем. Методы получения и очистки коллоидных растворов Методы очистки коллоидных растворов от примесей

Применяют, в основном, 2 метода:

1. Дисперсионный метод – используют дробление твердого вещества до частиц, размером, соответствующих коллоидам. Измельчение производят:

• механически при помощи шаровых мельниц, гомогенизаторов или ультразвуковых дезинтеграторов;
• с помощью физико-химических способов , таких как пептизация, добавление поверхностно–активных веществ.

1. Конденсационный метод — укрупнение частиц путем агрегации молекул или ионов, до размеров, соответствующих коллоидам. Это можно реализовать следующими способами:

• испарение растворителя;
• замена растворителя;
• осуществление реакций, в результате которых образуются малорастворимые или нерастворимые вещества – , разложения, гидролиза и др.

Способы очистки коллоидных систем

Коллоидные растворы могут содержать примеси, снижающие их стабильность, вследствие чего производят их очистку. Для этого используют такие методы, как диализ, электродиализ, фильтрация и ультрафильтрация.

Коллоидный раствор наливают в сосуд, в нижней части которого находится мембрана и помещенный в емкость с водой. В растворитель проникают лишь ионы и молекулы низкомолекулярных примесей.

Процесс диализа протекает медленно и для его ускорения используют электрическое поле.

Категории

6. Методы очистки золей: диализ, электродиализ, ультрафильтрация

Диализ. Очищаемый золь, заливают в сосуд, дном которого служит мембрана, задерживающая коллоидные частицы или макромолекулы и пропускающая молекулы растворителя и низкомолекулярные примеси. Внешней средой, контактирующей с мембраной, является растворитель. Низкомолекулярные примеси, концентрация которых в золе или макромолекулярном растворе выше, переходят сквозь мембрану во внешнюю среду (диализат). Очистка идет до тех пор, пока концентрации примесей в золе и диализате не станут близкими по величине. Если обновлять растворитель, то можно практически полностью избавиться от примесей.

Такое использование диализа целесообразно, когда цель очистки – удаление всех низкомолекулярных веществ, проходящих сквозь мембрану. Однако в ряде случаев задача может оказаться сложнее – необходимо освободиться только от определенной части низкомолекулярных соединений в системе. Тогда в качестве внешней среды применяют раствор тех веществ, которые необходимо сохранить в системе. Именно такая задача ставится при очистке крови от низкомолекулярных шлаков и токсинов (солей, мочевины и т.п.). Если удалять подряд все низкомолекулярные компоненты крови, то начинается разрушение клеток, что, в свою очередь, может привести к гибели организма.

Электродиализ. Очистку от электролитов можно значительно ускорить действием приложенной разности потенциалов (электромиграцией). Такой метод очистки называется электродиализом. Его используют для очистки различных биологических объектов (растворы белков, сыворотка крови и пр.).

Ультрафильтрация. Ультрафильтрация – метод очистки коллоидных систем путем продавливания дисперсионной среды вместе с низкомолекулярными примесями через ультрафильтры. Ультрафильтрами служат мембраны того же типа, что и для диализа. В мешочек из ультрафильтра наливают очищаемый золь или раствор высокомолекулярного вещества. К золю прилагают давление, избыточное по сравнению с атмосферным. Дисперсионную среду обновляют, добавляя к золю чистый растворитель.

Ультрафильтрация используется не только для удаления низкомолекулярных компонентов смеси, но и для концентрирования систем и разделения веществ с различной молекулярной массой. Этим методом очищают сточные воды, отделяют культуральные жидкости от продуктов микробиологического синтеза, концентрируют биологически активные вещества: белки, ферменты, антибиотики и т.д.

В последние годы ультрафильтрация наряду с диализом получила распространение в клинике для обработки крови. Этот метод применяется для выведения из организма токсических веществ и, если это необходимо, для удаления избытка жидкости.

II. Раздел «Оптические свойства коллоидных систем»

1. Оптические свойства коллоидных систем. Опалесценция и флуоресценция

Прохождение света через коллоидную систему вызывает три оптических эффекта: поглощение, отражение и рассеивание лучей. Поглощение свойственно всем системам, тогда как отражение более характерно для грубодисперсных систем (эмульсий и суспензий), где размер частиц больше, чем длина волны облучения. Поэтому, в отличие от молекулярных и ионных растворов, которые не имеют поверхности раздела фаз и оптически однородны, коллоидные растворы рассеивают свет.

Это проявляется опалесценцией в виде голубоватого матового свечения при освещении боковым светом. При пропускании параллельного пучка света через коллоидный раствор наблюдается конус рассеянного света – эффект Тиндаля. По способности рассеивать свет можно определять концентрацию коллоидных частиц в растворе - метод нефелометрии.

Опалесценция (светорассеяние) наблюдается только тогда, когда длина световой волны больше размера частицы дисперсной фазы. Если длина световой волны много меньше диаметра частицы, происходит отражение света, проявляющееся в мутности.

Рассеянный свет имеет ту особенность, что он распространяется во всех направлениях. Интенсивность рассеянного света в различных направлениях различна.

С опалесценцией внешне сходна, флуоресценция, характерная для истинных растворов некоторых красителей. Она заключается в том, что раствор при наблюдении в отраженном свете имеет иную окраску, чем в проходящем, и в нем можно видеть такой же конус Тиндаля, что и в типичных коллоидных системах. Однако по существу это совершенно различные явления. Опалесценция возникает в результате рассеяния света, при этом длина волны рассеянного света та же, что и падающего. Флуоресценция же представляет собой внутримолекулярное явление, заключающееся в селективном поглощении молекулой вещества светового луча и в трансформировании его в световой луч с другой, большей длиной волны.

2. Поглощение света дисперсными системами. Зависимость поглощения от концентрации. Закон Бугера-Ламберта-Бера

В 1760г. Ламберт, а еще ранее Бугер установили следующую зависимость между интенсивностью прошедшего света и толщиной среды, через которую этот свет прошел:

где - интенсивность прошедшего света;

Интенсивность падающего света;

Коэффициент поглощения;

Толщина поглощающего света.

Согласно закону Бугера-Ламберта – каждый последующий слой поглощает ту же долю проходящего света, что и предыдущий.

Бер показал, что коэффициент поглощения растворов с абсолютно бесцветным и прозрачным растворителем пропорционален молярной концентрации растворенного вещества: .

Вводя значение молярного коэффициента поглощения в уравнение Бугера-Ламберта, получим закон Бугера-Ламберта-Бера:

Закон устанавливает зависимость интенсивности прошедшего света от толщины слоя и концентрации растворенного вещества.

Логарифмируя уравнение, получим:

где - оптическая плотность раствора ;

Светопропускание раствора.

Если , тогда ,

Если , раствор не адсорбирует света, тогда закон Бугера-Ламберта-Бера имеет вид:

т.е. интенсивность прошедшего света будет равна интенсивности падающего.

Молярный коэффициент поглощения зависит от длины волны адсорбирующего света, температуры и природы растворенного вещества и растворителя и не зависит от концентрации раствора.

Закон Бугера-Ламберта-Бера приложим для золей высокой дисперсности, если слой жидкости не слишком толст, а концентрация раствора не слишком большая.

Для металлических золей уравнение светопоглощения должно учитывать дисперсность системы:

,

... «мицелла» и «мицеллярный раствор». Эти термины были использованы им для обозначения систем, образованных нестехиометрическими соединениями в водной среде. Основная заслуга в становлении коллоидной химии как науки принадлежит Т. Грэму. Как уже отмечалось выше, именно этому ученому принадлежит идея введения термина «коллоид», производного от греческого слова «kolla», обозначающего «клей». Занимаясь...

И многое другое, без чего немыслима сама жизнь. Все человеческое тело – это мир частиц, находящихся в постоянном движении строго по определенным правилам, подчиняющимся физиологии человека. Коллоидные системы организмов обладают рядом биологических свойств, характеризующих то или иное коллоидное состояние: 2.2 Коллоидная система клеток. С точки зрения коллоидно-химической физиологии...

Металлов с белками, нуклеиновыми кислотами, липидами. Её практическое применение связано с синтезом фарамакологических препаратов, действие которых обусловленно комплексными ионами металлов. Биоорганическая Химия Изучает связь между строениями органических веществ и их биологическими функциями, использующих в основном методы органической и физической химии, а также физики и математики. ...

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ХИМИИ
Коллоидные растворы (часть 1)
1. Основные понятия. Классификация дисперсных
систем.
2. .
3. .
4. Строение мицеллы гидрофобных систем.
5. .
.
Лектор: Ирина Петровна Степанова, доктор биологических
наук, профессор, зав. кафедрой химии

Коллоидная химия («коллоид» – от
греческого κόλλα – клей) – наука,
изучающая физико-химические
свойства гетерогенных
высокодисперсных систем и ВМВ в
твердом состоянии и в растворах.
Коллоидный раствор золота
(экспонат музея Фарадея в
Королевском институте)

Томас Грэм (Грэхэм)
английский/шотладский химик
впервые использовал термин
«коллоид» для описания
растворов с необычными
свойствами.
В развитие этой науки
внесли вклад Т. Юнг,
П. Лаплас, Д. Гиббс,
Г. Гельмгольц, Д. Рэлей
И. Ленгмюр и др.
Т. Грэм (1805-1869)

История развития коллоидной химии

Николай Петрович Песков основатель современной
коллоидной химии как науки о
поверхностных явлениях и
дисперсных системах.
Ввел понятие об агрегативной и
седиментационной
устойчивости дисперсных
систем.
Н. П. Песков (1880-1940)

Медико-биологическое значение темы

Медико-биологическое значение темы

Медико-биологическое значение темы
«Человек – это ходячий
коллоид»
И.И. Жуков

Медико-биологическое значение темы

.

Медико-биологическое
значение темы
.

Медико-биологическое значение темы

раствора серебра
a – клетка E.Coli
b – клетка E.Coli, подвергнутая воздействию наночастиц
серебра

Бактерицидная активность коллоидного раствора серебра

Медико-биологическое значение темы
Бактерицидная активность коллоидного
раствора серебра
Популяции of Listeria
До обработки
После обработки
через 1.5 часа

Бионаноматериалы

Медико-биологическое значение темы
Бионаноматериалы
Реагент
Продукт
Клетки костной ткани
на пористом кремнии
Сшитые ферменты

Наноматериалы

Медико-биологическое значение темы
Наноматериалы
Быстрозастывающая наножидкость состоит из
шестимолекулярных колец, которые формируют
трубчатые структуры. Предполагается, что этой
жидкостью будут лечить переломы.

Основные понятия

Два
общих
признака дисперсных
систем: гетерогенность и дисперсность.
Дисперсной системой (ДС) называется
система, в которой одно вещество в более
или менее раздробленном (дисперсном)
состоянии равномерно распределено в
массе другого вещества.

Классификация дисперсных систем

Дисперсная фаза (ДФ) представляет собой частицы, а
дисперсионная среда (ДСр) - сплошная среда, в которой
находится раздробленая дисперсная фаза.
Степень дисперсности (D) определяется величиной,
обратной диаметру частиц (d): D = 1 / d.

Дисперсные системы

Дисперсная
фаза
Дисперсионная
среда
Поверхность
раздела фаз
Пример: система - глина в воде.
Глина - ДФ, вода - ДСр.

Коллоидный раствор серебра

Основные понятия. Классификация дисперсных систем

Поперечный размер частиц ДФ
Для сферических частиц это диаметр сферы d,
для кубических частиц - ребро куба L (м-1; см-1) или
дисперсность (D
= 1/d, м-1, см-1).

Формы дисперсной фазы n

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Формы дисперсной фазы n

Количественные характеристики ДФ

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Количественные характеристики ДФ
Удельная поверхность Syд - это межфазная
поверхность, приходящаяся на единицу объема
ДФ (V) или ее массы (т).
S уд
S
V
4 r 2 3 6
S уд
6D
4 3 r d
r
3
S уд
6l 2 6
3 6D
l
l
Удельная поверхность
Удельная поверхность
для сферической
частицы с радиусом r
Удельная поверхность
для кубической
частицы с ребром куба

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Важным свойством ДС
является наличие большой
межфазной поверхности.
Характерными являются
процессы, протекающие на
поверхности, а не внутри
фазы.

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
По степени дисперсности дисперсные
системы классифицируют на:
1.Грубодисперсные (d ˃ 10-5 см).
2.Коллоидно-дисперсные (10-7 ˂ d ˂ 10-5
см).
3.Молекулярно-дисперсные (истинные
растворы) (d ˂ 10-7 см).

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
d ˂ 10-7 см
Истинный
раствор
d: 10-5 – 10-7 см
Коллоидный
раствор
d ˃ 10-5 см
Суспензия

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Грубодисперсные (d ˃ 10-5 см) – не проходят
через тонкие бумажные фильтры, быстро
оседают, видимы в обычный микроскоп.
Коллоидно-дисперсные (10-7 ˂ d ˂ 10-5 см) –
проходят через бумажные фильтры, но
задерживаются на ультрафильтрах, видимы в
ультрамикроскоп. Структурной единицей
является мицелла.
Молекулярно-дисперсные (истинные растворы)
(d ˂ 10-7 см) – дискретными единицами в них
являются молекулы или ионы. Образуются
самопроизвольно.

Классификация по агрегатному состоянию ДСр и ДФ

ДСр ДФ
Название системы
Г
Г
Ж
Т
-----------Аэрозоли (Туман)
Аэрозоли (Пыль, дым)
Ж
Г
Ж
Т
Пены, газовые эмульсии
Эмульсии
Суспензии, лиозоли
Т
Г
Ж
Т
Твердые пены
------------Твердые золи

Суспензии

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Суспензии

Эмульсии

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Эмульсии

Виды эмульсий

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Виды эмульсий
Масло в воде
Вода в масле
m
Вода
Масло

Диаметр частиц эмульсий

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Диаметр частиц эмульсий
< 0.5 мм
0.5-1.5 мм
1.5-3 мм
>3 мм

Эмульсии

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Эмульсии
Текучая
жидкость
Вязкая
жидкость
Гелеобразная
жидкость

Эмульсии

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Эмульсии

Эмульсии

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Эмульсии

Пена

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Пена

Аэрозоль

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Аэрозоль

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Если ДСр является вода, то системы соответственно
называются гидрофобными и гидрофильными.

Золи и гели

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Золи и гели
Кровь
Сухожилия

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Золь – бесструктурный коллоидный
раствор, в котором частицы ДФ слабо
взаимодействуют между собой и свободно
передвигаются друг относительно друга
(например, золь серебра – колларгол).
По внешнему виду золи напоминают
истинные растворы.

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Гель – структурированный коллоидный
раствор, в котором частицы ДФ связаны
между собой в пространственные структуры
типа каркасов.
В них коллоидные частицы малоподвижны
и способны совершать только
колебательные движения.
По внешнему виду гели
желеобразны (например, зубная
паста Blend-a-med).

Основные понятия. Классификация дисперсных систем
Золь
(раствор)
Гель
(лат. gelate замерзать)

Методы получения коллоидных растворов

По способу достижения
коллоидной степени
дисперсности различают
диспергационные и
конденсационные методы
получения.

Получение лиофобных коллоидных систем

Дисперсия
Вещество
Пересыщенный
истинный раствор
Конденсация

Методы получения коллоидных растворов

Методы диспергирования (от лат. –
измельчать) – получение частиц ДФ путем
дробления крупных частиц на более
мелкие.
Применяют:
механическое дробление (с помощью
шаровых или коллоидных мельниц)
ультразвуковое (под действием
ультразвука)
электрическое (при использовании
электродов).

Методы диспергирования
Коллоидная
мельница

Методы получения коллоидных растворов

Химическое диспергирование –
пептизация (заключается в
химическом воздействии на осадок).

Методы получения коллоидных растворов

Конденсационные методы (от лат. –
укрупнять) – получение частиц ДФ путем
объединения атомов, молекул, ионов.
Различают физическую и химическую
конденсацию.

Методы получения коллоидных растворов

Физическая конденсация – это метод
замены растворителя.
Сначала готовят истинный раствор
вещества в летучем растворителе (например,
канифоль в спирте) и добавляют к жидкости,
в которой вещество нерастворимо (вода).
В результате происходит резкое понижение
растворимости и молекулы вещества
конденсируются в частицы коллоидных
размеров.

Методы получения коллоидных растворов

Химическая конденсация – для
получения коллоидных растворов
используют любые реакции, в
результате которых образуются
малорастворимые соединения
(реакции обмена, гидролиза,
восстановления и др.).

Химическая конденсация

Чтобы в ходе реакции образовался
коллоидный раствор, необходимо
соблюдение, по крайней мере, трех условий:
чтобы вещество ДФ было нерастворимо в
ДСр;
чтобы скорость образования зародышей
кристаллов ДФ была гораздо больше, чем
скорость роста кристаллов;
чтобы одно из исходных веществ было
взято в избытке, именно оно является
стабилизатором.

Примеры реакций химической конденсации

Реакция
восстановления
Ag20 + Н2 → 2Ag↓ + Н20
Реакция
окисления
2H2S + S02 → 3S↓ + 2H20
Реакция
гидролиза
Реакция обмена
100°
FeCl3+ 3H20 → Fe(OH)3 ↓ +
ЗНСl
K4 + 2CuCl2 →
Cu2 ↓ + 4KCl

Методы очистки коллоидных растворов

Коллоидные растворы, как и истинные, хорошо
фильтруются через бумажный пористый фильтр, но,
в отличие от истинных, не проходят через
полупроницаемые мембраны.
На этом основана очистка
коллоидных растворов от
низкомолекулярных
веществ (диализ,
фильтрация,
ультрацентрифугирование).

Диализ

Методы очистки коллоидных растворов
Диализ
Диализ проводят с помощью прибора диализатора. Он состоит из 2 сосудов,
отделенных полупроницаемой мембраной,
способной пропускать молекулы и ионы
низкомолекулярных веществ.
Во внутренний сосуд наливается раствор
золя, во внешнем – циркулирует вода. Примеси
удаляются через мембрану из раствора золя в
растворитель.

Методы очистки коллоидных растворов

Диализатор: 1 - диализуемая жидкость; 2 растворитель; 3 - диализная мембрана; 4 мешалка

Диализ

Методы очистки коллоидных растворов
Диализ

Электродиализ
Для ускорения процесса применяют электродиализ.
Диализуемая
жидкость
Дистиллированная
вода
Дистиллированная
вода
Воронка
Раствор
примесей
Диализная
мембрана

Электродиализ

Электродиализ
применяют
для
обессоливания.
Например,
для
опреснения морской
воды.

Диализ

По принципу компенсационного диализа
работает аппарат «искусственная почка».
Аппарат подключают к системе
кровообращения больного, кровь под
давлением протекает между двумя
мембранами, омываемыми снаружи
физраствором.
При этом токсичные вещества крови
вымываются в физраствор, что способствует
очищению крови.

Диализ
До диализа
В Момент
равновесия

Методы очистки коллоидных растворов

Для очистки коллоидных растворов от
грубодисперсных частиц проводят
фильтрование через обычные бумажные
фильтры. Грубодисперсные частицы
задерживаются на фильтре.
Для отделения ДФ от ДС, применяют
ультрафильтрацию. При этом используют
специальные фильтры, не пропускающие
коллоидные частицы или макромолекулы.
Как правило, ультрафильтрацию проводят
под давлением.

Методы очистки коллоидных растворов

Прибор для
ультрафильтрации: 1
- воронка Бюхнера;
2 - мембрана;
3 - колба Бунзена;
4 - насос

Методы очистки коллоидных растворов

Для разделения частиц ДФ, имеющих
различную массу, применяют
ультрацентрифугирование.
При этом разделение частиц
происходит в центробежном поле
больших ускорений в центрифугах. Так,
разделяют фракции белков.

Строение мицеллы
гидрофобных систем
Строение коллоидных частиц и
возникновение на них заряда объясняет
мицеллярная теория коллоидных систем.

Строение мицеллы

Заряд на коллоидных частицах возникает
либо за счет ионизации молекул,
находящихся на поверхности твердой
фазы, либо в результате избирательной
адсорбции на твердой фазе.

Строение мицеллы

Рассмотрим второй случай –
образование мицеллы AgI в KI.
AgNO3 + KI (избыток) = AgI +
KNO3
Осадок AgI находится в избытке
раствора KI.
Избыток электролита выполняет
роль стабилизатора.

Строение мицеллы

При этом образуется мицелла, имеющая следующее
строение:
K
K
K
K
I
I
+
+
K
+
I
+
+
агрегат
K
I
+
I
AgI I
I
I I
K
+
ядро
адсорбционный
слой
гранула
мицелла
потенциалопределяющие ионы (п.о.и.)
K
+
K
плотный слой противоионов (п.и.)
+
K
+
диффузный слой противоионов

Строение мицеллы

Осадок AgI является агрегатом мицеллы.
На твердой кристаллической поверхности
осадка в соответствии с правилом Панета-Фаянса
будут адсорбироваться ионы I-, достраивая
кристаллическую решетку и сообщая частицам
отрицательный заряд.
Ионы I- называются потенциалопределяющими.

Строение мицеллы

Агрегат и потенциалопределяющие ионы
составляют ядро мицеллы.
К отрицательному заряду будут
притягиваться противоионы K+, образуя
плотный слой противоионов.
Потенциалопределяющие ионы и
противоионы плотного слоя вместе
образуют адсорбционный слой.

Строение мицеллы

Адсорбционный слой вместе с агрегатом
составляют гранулу (или частицу). Гранула
заряжена, её заряд определятся знаком и
величиной заряда потенциалопределяющих
ионов.
Часть противоионов, не вошедших в
адсорбционный слой, образуют диффузный
слой.
Гранула и диффузный слой составляют
мицеллу.
Мицелла,
таким
образом,
электронейтральна.

Строение мицеллы.

Формула мицеллы AgI в KI:
x
ядро
] nI
n
x
K
xK
m}