Коллоидная химия - наука, которая изучает методы получения, состав, внутреннюю структуру, химические и физические свойства дисперсных систем. Дисперсные системы - это системы, которые состоят из раздробленных частиц (дисперсная фаза), распределенных в окружающей (дисперсной) среде: газах, жидкостях или твердых телах. Размеры частиц дисперсионной фазы (кристалликов, капелек, пузырьков) отличаются степенью дисперсности, величина которой прямо пропорциональна размеру частиц. Кроме этого, дисперсные частицы различают и по другим признакам, как правило, по дисперсной фазы и среды.
Дисперсные системы и их классификация
Все дисперсионный системы по размеру частиц дисперсионной фазы можно классифицировать на молекулярно-ионные (меньше одного нм), коллоидные (от одного до ста нм), грубодисперсные (более ста нм).
Молекулярно-дисперсные системы. Указанные системы содержат частицы, размер которых не превышает одного нм. К данной группе относятся разнообразные истинные растворы неэлектролитов: глюкозы, мочевины, спирта, сахарозы.
Грубодисперсные системы характеризируются наиболее крупными частицами. К ним относят эмульсии и суспензии. Дисперсные системы, у которых твердое вещество локализируется в жидкой дисперсионной среде (раствор крахмала, глины), называются суспензиями. Эмульсии - это системы, которые получают в результате смешивания двух жидкостей, где одна в виде капелек диспергирована в другой (масло, толуол, бензол в воде или капельки триацилглицеролов (жира) в молоке.
Коллоидные дисперсные системы . В них размеры достигают до 100 нм. Такие частицы легко проникают через поры бумажных фильтров, однако не проникают через поры биологических мембран растений и животных. Поскольку коллоидные частицы (мицеллы) имеют электрозаряд и сольватные ионные оболочки, благодаря которым они остаются во взвешенном состоянии, они достаточно продолжительное время могут не выпадать в осадок. Ярким примером являются растворы желатина, альбумина, гуммиарабика, золота и серебра.
Позволяет различить гомогенные и гетерогенные дисперсные системы. В гомогенных дисперсных системах частицы фазы измельчены до молекул, атомов и ионов. Примером таких дисперсионных систем может быть раствор глюкозы в воде (молекулярно-дисперсная система) и кухонной соли в воде (ионно-дисперсная система). Они являются Размер молекул дисперсной фазы не превышает одного нанометра.
Дисперсные системы и растворы
Из всех представленных систем и растворов в жизни живых организмов наибольшее значение имеют коллоидные дисперсные системы. Как известно, химической основой существования живого организма является обмен белков в нем. В среднем концентрация белков в организме составляет от 18 до 21 %. Большинство белков растворяются в воде (концентрация которой в организме человека и животных составляет примерно 65 %) и образуют коллоидные растворы.
Различают две группы коллоидных растворов: жидкие (золи) и гелеобразные (гели). Все процессы жизнедеятельности, которые происходят в живых организмах, связаны с коллоидным состоянием материи. В каждой живой клетке биополимеры (нуклеиновые кислоты, белки, гикозаминогликаны, гликоген) находятся в виде дисперсных систем.
Коллоидные растворы широко распространены и в К таким растворам относят нефть, ткани, пластмассы, Множество пищевых продуктов можно отнести к коллоидным растворам: кефир, молоко и т.д. Большинство лекарственных препаратов (сыворотки, антигены, вакцины) являются коллоидными растворами. К коллоидным растворам относят и краски.
На изучение данной темы я отвожу 2 часа. Изучение дисперсных систем в виде отдельного блока я считаю целесообразным, поскольку они широко распространены в быту, природе, играют большую роль в различных производственных и природных процессах (геологических, почвенных). Необходимо знать виды дисперсных систем, их свойства, чтобы научиться понимать проявления нежелательных процессов в окружающей среде и правильно решать многие научно-технические и экологические проблемы.
Если на предыдущих этапах изучения химии учащиеся знакомились с многообразием веществ и установлением взаимосвязи меду строением, составом и свойствами вещества, то при изучении дисперсных систем они узнают о новой зависимости – зависимости свойств вещества от состояния их раздробленности.
При изучении дисперсных систем встречается много новых терминов, поэтому необходимо составить их перечень с соответствующими разъяснениями и по мере знакомства с дисперсными системами обращаться к этому перечню.
Уроки по данной теме я планирую следующим образом:
Цель уроков: Обобщить, систематизировать знания по теме; создать на уроке атмосферу поиска и сотрудничества, дать каждому ученику возможность достичь успеха.
Образовательные задачи:
Воспитательные задачи:
Развивающие задачи:
Предварительная подготовка:
Оборудование:
Урок №1. Дисперсные системы, их виды.
Ход урока.
Во вступительном слове обосновывается необходимость изучения дисперсных систем, подчеркивается, что дисперсные системы – это не отдельный класс веществ, как думали раньше, столкнувшись с коллоидными системами(яичный белок, белок сои и др.), а состояние веществ, но не агрегатное, а состояние раздробленности вещества, обуславливающее его свойства.
Разъясняется значение термина «дисперсный», даются определения дисперсной системы, дисперсной фазы, дисперсной среды.
Отмечается, что дисперсные системы окружают нас повсюду. К ним относятся воздух, вода, пищевые продукты, косметика, лекарства, природные тела(горные породы, организмы растений и животных), а также разнообразные строительные и конструкционные материалы.
Демонстрируются образцы дисперсных систем: вода из-под крана, растворы различных солей, раствор яичного белка, спиртовая вытяжка хлорофилла, канцелярский клей, молоко, глина в воде, лекарственный препарат «Альмагель», питательный крем, зубная паста, кусок пемзы, кусок пенопласта, смесь растительного масла с водой, майонез, аэрозольные баллончики.
Еще раз отмечается, что под дисперсными системами понимают образования из двух и более числа фаз с сильно развитой поверхностью между ними, и что основной признак дисперсной системы – сильно развитая поверхность дисперсной фазы.
Рассматривается классификация дисперсных систем по размеру частиц (см. схему№1) и агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсной среды (см. таблицу №6) .
Схема №1.
Дисперсные системы:
Виды дисперсных систем. Таблица №6.
|
Дисперсные системы |
Вид дисперсной системы, ее обозначение. |
Примеры дисперсных систем |
|
|
Дисперсионная фаза |
Дисперсионная среда |
||
| Твердое тело |
Аэрозоль (т/г) |
Пыль, дым, хлопья снега |
|
| Жидкость (ж) |
Суспензии (т/ж) Коллоидные растворы (т/ж) Истинные растворы |
Глина, зубная паста, губная помада. Раствор яичного белка, плазма крови, спиртовая вытяжка хлорофилла, кремниевая кислота. Растворы солей, щелочей, сахара. |
|
|
Твердое тело (т) |
Твердые растворы (т/т) |
Сплавы, минералы, цветные стекла. |
|
| Жидкость |
Аэрозоль (ж/г) |
Туман, облака, моросящий дождь, струя из аэрозольного баллончика. |
|
| Жидкость(ж) |
Эмульсия (ж/ж) Истинные растворы (ж/ж) |
Молоко, масло, майонез, крем, мази, эмульсионные краски. Нисшие спирты +вода, ацетон + вода. |
|
|
Твердое тело (т) |
Твердая эмульсия (ж/т) |
Жемчуг, опал. |
|
| Газ |
Дисперсной системы не образуется |
||
|
Жидкость (ж) |
Пена (г/ж) |
Пена газированной воды, мыльная пена, взбитые сливки, взбитый крем, пастила. |
|
|
Твердое тело (т) |
Твердая пена (г/т) |
Пенопласт, пенобетон, пеностекло, пемза, лава. |
|
На основании данных схемы №1 и таблицы №6 характеризуется каждый вид дисперсной системы, классифицируются на демонстрационном столе натуральные объекты по важнейшим видам дисперсных систем.
Класс делится на 5 групп. Каждой группе предлагается по приведенному ниже плану охарактеризовать ту или иную дисперсную систему.
План.
В соответствии с планом участники каждой группы подбирают материал по следующим видам дисперсных систем: аэрозоли, эмульсии, суспензии, пены, коллоидные растворы или истинные растворы. Обязательно используются электронные учебники и материалы сети Интернет. Материал скачивается в свою папку на компьютер и используется для создания презентации для выступления на конференции по теме «Дисперсные системы вокруг нас».
Кроме того, каждая группа получает практическую задачу, которая стояла перед химиками и была решена специалистами. Задание написано на карточке и вручается руководителю группы.
Задание №1.
Известен следующий способ снижения запыленности воздуха: загрязненный воздух пропускается через камеры, в которых распыляется обычная вода. Капельки воды поглощают частицы пыли и оседают на дно камеры.
Предлагается найти способ повышения степени очистки запыленного воздуха с помощью разбрызгиваемой воды.
(Один из ответов можно найти в книге Г.В.Лисичкина и В.И.Бетанели «Химики изобретают». М., Просвещение, 1990. стр. 85).
Задание №2.
Вводной среде молока эмульгированы мелкие капельки жира. Они постепенно поднимаются на поверхность, поскольку их плотность меньше, чем плотности воды. В молоке за несколько часов образуется слой сливок. Молоко является не устойчивой эмульсией.
Молоко, поступающее в продажу с предприятий молочной промышленности, должны быть более устойчивы к расслоению. Каким образом можно повысить устойчивость данной эмульсии.
Задание №3.
Суспензии – это дисперсные системы, в которых маленькие твердые частицы распределены в жидкости. Суспензии неустойчивы и постепенно твердые частицы под действием силы тяжести выпадают в осадок. Основным способом отделения твердого вещества от жидкости в суспензиях является фильтрование. На фармацевтической фабрике возникла задача быстрого разделения суспензии путем фильтрования, причем было необходимо выделить для дальнейшей переработки, как жидкость, так и взвешенную в ней твердую фазу. Для этого суспензию стали пропускать через мелкоячеистый фильтр из металлической сетки. По мере накопления осадка скорость фильтрования уменьшалась и, наконец, процесс практически прекратился.
Необходимо найти принципиальную схему устройства, которое позволило бы вести процесс фильтрования суспензии в непрерывном режиме.
(Один из ответов можно найти в книге Г.В.Лисичкина и В.И.Бетанели «Химики изобретают». М., Просвещение, 1990. стр. 76).
Задание №4.
Для получения тепло- и звукоизолирующих полимерных материалов их необходимо вспенивать «вспучивать»), т.е. получать пенопласты. Это материалы, в которых в массе твердого полимера содержится большое количество пузырьков газа. Одним из способов получения пенопластов является применение веществ – газообразователей. Эти вещества при полимеризации разлагаются с выделением газа.
Необходимо предложить вещества, которые можно использовать в качестве газообразователей, и составить уравнения реакций их разложения.
Задание №5.
Выяснить, что такое кровоостанавливающий карандаш. Объяснить, на чем основано его действие.
К уроку конференции учащиеся каждой группы определяют, какие наглядные средства будут ими применяться, т.е. какие натуральные объекты они будут использовать во время выступления своей группы, какие опыты могут продемонстрировать, какие схемы показать и т.д. на уроке информатики дорабатывают свои презентации. По всем вопросам могут получить консультации учителя. Время выступления каждой группы ограничено: не более 6-7 минут.
Для подготовки к конференции можно использовать библиотечку кабинета химии:
Урок №2. Конференция «Свойства дисперсных систем. Роль дисперсных систем в быту, природе и производственных процессах».
План урока конференции:
Во вступительном слове напоминается, с какими видами дисперсных систем учащиеся познакомились, где дисперсные системы встречаются в жизни, как их классифицируют.
Ученики защищают свои работы в виде презентации и делают конспективные записи, заполняя заранее подготовленные опорные таблицы.
Сведения об изученных дисперсных системах.
|
Характеристика дисперсных систем. |
Виды дисперсных систем. |
||||
|
аэрозоли |
эмульсии |
суспензии |
Коллоидные растворы |
Истинные растворы |
|
|
Размеры частиц |
|||||
|
Внешний вид |
|||||
|
Способность осаждаться |
|||||
|
Получение |
|||||
|
Разрушение |
|||||
|
Значение |
|||||
В заключительном слове учитель еще раз отмечает большое практическое значение дисперсных систем. Они применяются в пищевой промышленности, производстве искусственного шелка, крашении тканей, кожевенной промышленности, сельскохозяйственном производстве, почвоведении, медицине, строительстве и других отраслях народного хозяйства. Знания о дисперсных системах, способах образования и разрушения, закономерностях поведения их в природных процессах позволяют решать научно-технические и экологические проблемы.
Используемая литература:
Химическое взаимодействие в гомогенных реакций происходит при эффективных столкновениях активных частиц, а в гетерогенных – на поверхности раздела фаз при контакте реагирующих веществ, причем, скорость и механизм реакции зависят от площади поверхности, которая тем больше, чем сильнее развита поверхность. С этой точки зрения особый интерес представляют дисперсные системы, обладающие высокой удельной поверхностью.
Дисперсная система – это смесь, состоящая как минимум из двух веществ, которые не реагируют друг с другом химически и обладают практически полной взаимной нерастворимостью. Дисперсная система - это система, в которой очень измельченные частички одного вещества равномерно распределены в объеме другого.
Рассматривая дисперсные системы, различают два понятия: дисперсная фаза и дисперсионная среда (рис. 10.1).
Дисперсная фаза – это совокупность частиц диспергированного до мелких размеров вещества, равномерно распределенных в объеме другого вещества. Признаками дисперсной фазы является раздробленность и прерывистость.
Дисперсионная среда – это вещество, в котором равномерно распределены частицы дисперсной фазы. Признаком дисперсионной среды является ее непрерывность.
Дисперсную фазу можно отделить от дисперсионной среды физическим способом (центрифугированием, сепарированием, отстаиванием и т. п.).
Рисунок 10.1 – Дисперсная система: частицы дисперсной фазы s (в виде мелких твердых частичек, кристалликов, капель жидкости, пузырьков газа, ассоциатов молекул или ионов), обладающие адсорбционным слоем d , распределены в однородной непрерывной дисперсионной среде f.
Дисперсные системы классифицируют по разным отличительным признакам: дисперсности, агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, интенсивности взаимодействия между ними, отсутствию или образованию структур в дисперсных системах.
В зависимости от размеров частиц дисперсной фазы все дисперсные системы условно делятся на три группы (рис. 10.2).
Рисунок 10.2 – Классификация дисперсных систем по размеру частиц (для сравнения приведены размеры частиц в истинных растворах)
1. Грубодисперсные системы , в которых размер частиц более 1мкм (10 –5 м). Для этой группы дисперсных систем характерны такие признаки: частицы дисперсной фазы оседают (или всплывают) в поле гравитационных сил, не проходят сквозь бумажные фильтры; их можно рассмотреть в обычном микроскопе. К грубодисперсным системам относятся суспензии, эмульсии, пыль, пена, аэрозоли и т.п.
Суспензия – это дисперсная система, в которой дисперсной фазой является твердое вещество, а дисперсионной средой – жидкость.
Примером суспензии может быть система, образующаяся при взбалтывании глины или мела в воде, краски, пасты.
Эмульсия – это дисперсная система, в которой жидкая дисперсная фаза равномерно распределена в объеме жидкой дисперсионной среды, т.е. эмульсия состоит из двух взаимно нерастворимых жидкостей.
В качестве примера эмульсий можно назвать молоко (в нем дисперсной фазой выступают капли жидкого жира, а дисперсионной средой – вода), сливки, майонез, маргарин, мороженое.
При отстаивании суспензии и эмульсии разделяются (расслаиваются) на составные части: дисперсную фазу и дисперсионную среду. Так, если энергично взболтать бензол с водой, то образуется эмульсия, которая спустя некоторое время разделяется на два слоя: верхний бензольный и нижний водный. Для предотвращения расслаивания эмульсий к ним прибавляют эмульгаторы – вещества, придающие эмульсиям агрегатную стабильность.
Пена – ячеистая грубодисперсная система, в которой дисперсной фазой является совокупность пузырьков газа (или пара), а дисперсионной средой – жидкость.
В пенах общий объем находящегося в пузырьках газа может в сотни раз превосходить объем жидкой дисперсионной среды, заключенной в прослойках между пузырьками газа.
2. Микрогетерогенные (или тонкодисперсные ) промежуточные системы, в которых размер частиц колеблется в пределах 10 – 5 –10 –7 м. К ним относятся тонкие взвеси, дымы, пористые твердые тела.
3. Ультрамикрогетерогенные (или коллоидно-дисперсные ) системы, в которых частицы размером 1–100нм (10 –9 –10 –7 м) состоят из 10 3_ 10 9 атомов и отделены от растворителя поверхностью раздела. Коллоидные растворы характеризуются предельно-высокодисперсным состоянием, их обычно называют золи , или часто лиозоли , чтобы подчеркнуть, что дисперсионной средой является жидкость. Если в качестве дисперсионной средой взята вода, то такие золи называют гидрозолями , а если органическая жидкость - органозолями .
Для большинства тонкодисперсных систем присущи определенные особенности:
невысокая скорость диффузии;
частицы дисперсной фазы (т.е. коллоидные частицы) можно рассмотреть лишь с помощью ультрамикроскопа или электронного микроскопа;
рассеивание света коллоидными частицами, вследствие чего в ультрамикроскопе они приобретают вид световых пятен – эффект Тиндаля (рис. 10.3);
Рисунок 10.3 – Ультрамикрогетерогенная (тонкодисперсная) система: а) коллоидный раствор; б) схема отклонения узкого луча света при прохождении через коллоидный раствор; в) рассеивание света коллоидным раствором (эффект Тиндаля)
В качестве примеров коллоидных частиц можно привести крахмал, белки, полимеры, каучук, мыла, Алюминий и Ферум (III) гидроксиды.
Данная классификация предложена Оставльдом (табл. 10.1). При схематической записи агрегатного состояния дисперсных систем первым указывают буквами Г (газ), Ж (жидкость) или Т (твердое) агрегатное состояние дисперсной фазы, а затем ставят тире (или знак дроби) и записывают агрегатное состояние дисперсионной среды.
Таблица 10.1 – Классификация дисперсных систем
Данная классификация предложена Г.Фрейндлихом и применяемая исключительно для систем с жидкой дисперсионной средой.
Автор классификации П.Ребиндером. По этой классификации дисперсная система обозначается дробью, в которой дисперсная фаза ставится в числителе, а дисперсионная среда – в знаменателе. Например: Т 1 /Ж 2 обозначает дисперсную систему с твердой фазой (индекс 1) и жидкой дисперсионной средой (индекс 2). Классификация по Ребиндеру делит дисперсные системы на два класса:
1. Свободнодисперсные системы – золи, в которых дисперсная фаза не образует сплошных жестких структур (сеток, ферм или каркасов), обладает текучестью, а частицы дисперсной фазы не контактирует друг с другом, участвуя в беспорядочном тепловом движении и свободно перемещаясь под действием силы тяжести. К ним относятся аэрозоли, лиозоли, разбавленные суспензии и эмульсии.
Примеры свободнодисперсных систем:
2. Связнодисперсные (или сплошные) системы . В сплошных (связнодисперсных) системах частицы дисперсной фазы образуют жесткие пространственные структуры. Такие системы оказывают сопротивление деформации сдвига. Связнодисперсные системы твердообразны; они возникают при контакте частиц дисперсной фазы, приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки, ограничивающей текучесть дисперсной системы и придающей ей способность сохранять форму. Подобные структурированные коллоидные системы называют гелями.
Примеры связнодисперсных систем:
Коллоидные растворы могут быть получены диспергационными или к онденсационными методами.
1. Диспергационные методы - это способы получения лиофобных золей путем дробления крупных кусков до агрегатов коллоидных размеров.
Механическое дробление грубодисперсных систем осуществляется путем: раздробления, удара, истирания, расщепления. Измельчение частиц до размеров в несколько десятков микрон осуществляется с помощью шаровых мельниц. Очень тонкое раздробление (до 0,1-1 микрона) достигается на специальных коллоидных мельницах с узким зазором между быстро вращающимся ротором (10-20 тыс.об/мин) и неподвижным корпусом, причем частицы разрываются или истираются в зазоре. Работами П. А. Ребиндера установлено явление понижения сопротивления твердых тел упругим и пластическим деформациям, а также механическому разрушению под влиянием адсорбции поверхностно-активных веществ. Поверхностно-активные вещества облегчают диспергирование и способствуют значительному повышению степени дисперсности.
2. Конденсационные методы - это способы получения коллоидных растворов путем объединения (конденсации) молекул и ионов в агрегаты коллоидных размеров. Система из гомогенной превращается в гетерогенную, т. е. возникает новая фаза (дисперсная фаза). Обязательным условием является пересыщенность исходной системы.
Конденсационные методы классифицируют по природе сил, вызывающих конденсацию, на физическую конденсацию и химическую конденсацию.
Физическая конденсация может осуществляться из паров или путем замены растворителя.
Конденсация из паров. Исходное вещество находится в паре. При понижении температуры пар становится пересыщенным и частично конденсируется, образуя дисперсную фазу. Таким путем получают гидрозоли ртути и некоторых других металлов.
Метод замены растворителя. Метод основан на изменении состава и свойств дисперсионной среды. Например, спиртовой раствор серы, фосфора или канифоли влить в воду, вследствие понижения растворимости вещества в новом растворителе раствор становится пересыщенным и часть вещества конденсируется, образуя частицы дисперсной фазы.
Химическая конденсация состоит в том, что вещество, образующее дисперсную фазу, получается в результате химической реакции. Чтобы в ходе реакции образовался коллоидный раствор, а не истинный раствор или осадок, необходимо соблюдение, по крайней мере, трех условий:
Полученные тем или иным способом коллоидные растворы обычно очищают от низкомолекулярных примесей (молекул и ионов). Удаление этих примесей осуществляется методами диализа,(электродиализ), ультрафильтрации.
Диализ – метод очистки с помощью полупроницаемой мембраной, которая отделяет коллоидный раствор от чистой дисперсионной среды. В качестве полупроницаемой (т.е. проницаемой для молекул и ионов, но непроницаемой для частиц дисперсной фазы) мембраны применяют пергамент, целлофан, коллодий, керамические фильтры и другие тонкопористые материалы. В результате диффузии низкомолекулярные примеси переходят во внешний раствор.
Ультрафильтрацией называется диализ, проводимый под давлением во внутренней камере. По существу, ультрафильтрация является не методом очистки золей, а лишь методом их концентрирования.
При падении света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления:
Рассеяние света наблюдается для систем, в которых частицы дисперсной фазы меньше, или соизмеримы с длиной волны падающего света. Напомним, что размеры частиц дисперсной фазы в коллоидных растворах - 10 -7 -10 -9 м. Следовательно, светорассеивание является характерным явлением для изучаемых нами коллоидных систем.
Теорию светорассеяния создал Рэлей. Он вывел уравнение, которое связывает интенсивность рассеянного света I с интенсивностью падающего света I 0 . справедливое при условии, что:
Уравнение Рэлея :
Из уравнения Релея вытекают следующие выводы:
где ρ - плотность частицы.
Следует отметить, что эта зависимость сохраняется только в области малых размеров частиц. Для видимой части спектра это условие соответствует значениям 2 10 -6 см< r < 4 10 -6 см. С увеличением r рост I замедляется, а при r > λ, рассеяние заменяется отражением. Интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна концентрации.
4. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени.
Это означает, что при прохождении через коллоидный раствор пучка белого света преимущественно рассеиваются короткие волны - синей и фиолетовой частей спектра. Поэтому бесцветный золь в рассеянном свете имеет голубоватую окраску, а в проходящем свете - красноватую. Голубой цвет неба также обусловлен рассеянием света мельчайшими капельками воды в атмосфере. Оранжевый или красный цвет неба при восходе или заходе Солнца объясняется тем, что утром или вечером наблюдается, главным образом, свет, прошедший через атмосферу.
поглощение света . Уравнение Рэлея выведено для неокрашенных золей, т. е. не поглощающих свет. Однако многие коллоидные растворы имеют определенную окраску, т.е. поглощают свет в соответствующей области спектра - золь всегда окрашен в цвет, дополнительный к поглощенному. Так, поглощая синюю часть спектра (435-480 нм), золь оказывается желтым; при поглощении синевато-зеленой части (490-500 нм) он принимает красную окраску. Если лучи всего видимого спектра проходят через прозрачное тело или отражаются от непрозрачного, то прозрачное тело кажется бесцветным, а непрозрачное - белым. Если тело поглощает излучение всего видимого спектра, оно кажется черным. Оптические свойства коллоидных растворов, способных к поглощению света, можно характеризовать по изменению интенсивности света при прохождении через систему. Для этого используют закон Бугера-Ламберта-Бера:
где I 0 - интенсивность падающего света; I пр - интенсивность прошедшего через золь света; k - коэффициент поглощения; l - толщина слоя золя; с - концентрация золя.
Если прологарифмировать выражение, получим:
Величину называют оптической плотностью раствора. При работе с монохроматическим светом всегда указывают, при какой длине волны была определена оптическая плотность, обозначая ее D λ .
Рассмотрим строение гидрофобной коллоидной частицы на примере образования золя AgI обменной реакцией
АgNO 3 + KI → AgI + KNO 3 .
Если вещества берутся в эквивалентных количествах, то выпадает кристаллический осадок AgI . Но, если одна из исходных веществ будет в избытке, например КI , процесс кристаллизации AgI ведет к образованию коллоидного раствора - мицеллы AgI .
Схема строения мицеллы гидрозоля AgI показана на рис.10.4.
Рисунок 10.4 – Схема мицеллы гидрозоля AgI, образовавшейся при избытке KI
Агрегат молекул [ mAgI ] количеством 100-1000 (микрокристаллов) – ядро, является зародышем новой фазы, на поверхности которого происходит адсорбция ионов электролита, находящихся в дисперсионной среде. Согласно правилу Панета - Фаянса лучше адсорбцируются ионы, одинаковы с ионами, которые входят в кристаллическую решетку ядра и достраивают эту решетку. Ионы, которые адсорбируются непосредственно на ядре, называются потенциалопределяющие , так как они определяют величину потенциала и знак заряда поверхности, а также и знак заряда всей частицы. Потенциалопределяющими ионами в данной системе являются ионы I - , которые находятся в избытке, входят в состав кристаллической решетки ядра AgI, выполняют роль стабилизаторов и составляют внутреннюю оболочку в жесткой части двойного электрического слоя (ДЭС) мицеллы. Агрегат с адсорбированными на нем ионами I - образует ядро мицеллы.
К отрицательно заряженной поверхности частиц AgI на расстоянии, близком к радиусу гидратированного иона, из раствора притягиваются ионы противоположного знака ( противоионы ) - положительно заряженные ионы К + . Слой противоионов - внешняя оболочка двойного электрического слоя (ДЭС), удерживается как электростатическими силами, так и силами адсорбционного притяжения. Агрегат молекул вместе с твердым двойным слоем называется коллоидной частицей - гранула .
Часть противоионов вследствие теплового движения размещается диффузно вокруг гранулы, и связаны с ней только за счет электростатических сил. Коллоидные частицы вместе с окружающим ее диффузным слоем называется мицелла . Мицелла электронейтральна, так как заряд ядра равен заряду всех противоионов, а гранула обычно имеет заряд, который называется электрокинетический или ξ - дзета - потенциал. В сокращенном виде схему строения мицеллы для данного примера можно записать в таком виде:
Одним из основных положений теории строения коллоидных частиц является представление о строении двойного электрического слоя (ДЭС). Согласно современным представлениям, двойной электрический слой ДЭС состоит из адсорбционного и диффузионного слоев. Адсорбционный слой состоит из:
Вследствие теплового движения часть противоионов проникает вглубь дисперсионной среды, и их притяжение к заряженной поверхности гранулы осуществляется только за счет электростатических сил. Эти противоионы составляют диффузный слой , который менее прочно связан с поверхностью. Диффузный слой имеет переменную толщину, которая зависит от концентрации электролитов в дисперсионной среде.
При движении твердой и жидкой фаз друг относительно друга возникает разрыв ДЭС в диффузной части и на границе раздела фаз возникает скачок потенциала, который называют электрокинетическим ξ - потенциалом (дзета - потенциал). Его величина определяется разницей между общим количеством зарядов (φ) потенциалопределяющих ионов и количеством зарядов противоионов (ε), содержащиеся в адсорбционном слое, т.е. ξ = φ - ε. Падение межфазного потенциала при удалении от твердой фазы вглубь раствора показано на рис.10.5.
Рисунок 10.5 Строение ДЭС
Наличие разницы потенциалов вокруг частиц гидрофобного золя препятствует их слипанию при столкновении, то есть являются фактором агрегатной устойчивости золя. Если количество диффузных ионов уменьшается или стремится к нулю, то гранула становится электронейтральной (изоэлектрической состояние) и имеет наименьшую устойчивость.
Таким образом, величина электрокинетического потенциала определяет силы отталкивания, а следовательно и агрегатную устойчивость коллоидного раствора. Достаточная устойчивость коллоидного раствора обеспечивается при величине электрокинетического потенциала ξ = 0,07В, при значениях меньших ξ = 0,03В силы отталкивания слишком слабые, чтобы противостоять агрегации, а потому происходит коагуляция, которая неизбежно заканчивается седиментацией.
Величину электрокинетического потенциала можно определить с помощью прибора для электрофореза по формуле (10.5):
где η - вязкость; ϑ - скорость перемещения частиц; l - расстояние между электродами вдоль раствора; Е - электродвижущая сила, D - диэлектрическая постоянная.
Факторы, влияющие на ξ - потенциал:
Li + - Na + - NH 4 + - K + - Rb + - Cs + - Mg 2+ - Ca 2+ - Ba 2+ …
CH 3 COO – - F – - NO 3 – - Cl – - I – - Br – - SCN – - OH – - SO 4 2–
2. Добавление раствора электролита-стабилизатора – электролита, содержащего потенциалопределяемый ион, вызывает увеличение ξ - потенциала, а значить способствует устойчивости коллоидной системы, но до определенного предела.
Современную теорию устойчивости и коагуляции коллоидных систем создавали несколько известных ученых: Дерягина, Ландау, Фервей, Овербек и потому ее сокращенно называют теория ДЛФО . Согласно этой теории устойчивость дисперсной системы определяется балансом сил притяжения и отталкивания, возникающих между частицами при их сближении в результате броуновского движения. Различают кинетическую и агрегатную устойчивость коллоидных систем.
К факторам, которые влияют на стабильность коллоидных систем, относятся:
Согласно теории при броуновском движении коллоидные частицы свободно сближаются на расстояние до 10 -5 см. Характер изменения ван-дер-ваальсовых сил притяжения (1) и электростатических сил отталкивания (2) между коллоидными частицами показан на рис. 10.6. Результирующая кривая (3) получена путем геометрического сложения соответствующих ординат. При минимальных и больших расстояниях, между частицами преобладает энергия притяжения (I и II энергетические минимумы). В II энергетическом минимуме энергия сцепления частиц недостаточна для удержания их в агрегатированном состоянии. На средних расстояниях, соответствующих толщине двойного электрического слоя, преобладает энергия отталкивания с потенциальным барьером AB, препятствующим слипанию частиц. Практика показывает, что при дзета-потенциале ξ = 70 мВ коллоидные системы характеризуются высоким потенциальным барьером и большой агрегативной устойчивостью. Для дестабилизации коллоидной системы, т.е. осуществления процесса коагуляции, необходимо снизить -потенциал до значений 0 - 3 мВ.
Рисунок 10.6. Потенциальные кривые взаимодействия коллоидных частиц
Коагуляция - процесс слипания коллоидных частиц. Данный процесс протекает сравнительно легко под действием самых различных факторов: введение электролитов, неэлектролитов, замораживание, кипячение, перемешивания, действия солнечного света и т.д.. В процессе электролитической коагуляции (под воздействием электролитов) часто наблюдается ионообменная адсорбция: ионы коагулянта с большей валентностью или большим адсорбционным потенциалом вытесняют противоионы сначала диффузного слоя, а затем и адсорбционного слоя. Обмен проходит в эквивалентном количестве, но замена противоионов приводит к тому, что при достаточной концентрации электролитов в дисперсной среде частицы теряют устойчивость и при столкновении слипаются.
Для электролитической коагуляции установлен ряд экспериментальных общих правил:
1. Коагуляцию лиофобных золей вызывают любые электролиты, но с заметной скоростью она наблюдается при достижении определенной концентрации электролита. Порог коагуляции (С к) - это минимальная концентрация электролита необходимая для начала коагуляции золя. При этом наблюдаются внешние изменения, такие как помутнение раствора, изменение его окраски и т.д.
Величина, обратная порогу коагуляции, называется коагулирующей способностью () электролита:
где Ск – порог коагуляции.
2. Правило Шульца – Гарди :
Это объясняется тем, что многовалентные высокозарядных ионы коагулянтов значительно сильнее притягиваются заряженой поверхностью коллоидной частицы, чем одновалентные, и значительно легче вытесняют противоионы из диффузного и даже адсорбционного слоя.
3. Коагулирующее действие органических ионов значительно выше, чем неорганических. Это связано с их высокой адсорбционной способностью, возможностью адсорбироваться в надэквивалентном количестве, а также вызвать перезарядку поверхности коллоидных частиц.
4. В ряде неорганических ионов с одинаковыми зарядами коагулирующая способность зависит от радиуса иона - коагулянта: чем больше радиус, тем больше коагулирующая способность (см. лиотропные ряды ). Это объясняется тем, что степень гидратации ионов уменьшается, например, от L + к Cs + , а это облегчает его внедрение в двойной ионный слой.
5. С наибольшей скоростью коагулируют электронейтральные частицы лиофобных коллоидных золей.
6. Явление привыкания золя. Если к золю быстро добавить коагулянт, то происходит коагуляция, если же медленно - коагуляция отсутствует. Это можно объяснить тем, что между электролитом и золем происходит реакция, в результате которой, образуются пептизаторы, которые стабилизируют дисперсную систему:
Fe (OH) 3 + HCl →FeOCl + 2H 2 O ,
FeOCl → FeO + + Cl - ,
где FeO + - пептизатор для золя Fe (OH) 3 .
Коагулирующее действие смеси электролитов проявляется по-разному в зависимости от природы иона - коагулятора. В смеси электролитов действие может суммироваться с коагулирующем действием каждого электролита. Это явление называется аддитивность ионов (NaCl , KCl). Если коагулирующее действие ионов электролита уменьшается при введении ионов другого электролита наблюдается антагонизм ионов (LiCl , MgCl 2 ). В случае, когда коагулирующее действие ионов электролита увеличивается при введении ионов другого электролита такое явление называется синергизм ионов .
Введение например 10 мл 10 % раствора NaCl в 10 мл золя Fe (OH) 3 приводит к коагуляции этого золя. Но этого можно избежать, если дополнительно ввести в раствор золя одно из защитных веществ: 5 мл желатина, 15 мл яичного альбумина, 20 мл декстрина.
Коллоидная защита - повышение агрегатной устойчивости золя путем введения в него высокомолекулярного соединения (ВМС). Для гидрофобных золей в качестве ВМС обычно используются белки, углеводы, пектины; для неводных золей - каучуки.
Защитное действие ВМС связано с образованием на поверхности коллоидных частиц определенного адсорбционного слоя (Рисунок 10.7). Явление обратное коагуляции называется пептизация .
Рисунок 10.7 Механизм пептизации
Для характеристики защитного действия различных ВМС Зигмонди предложил использовать золотое число. Золотое число - это количество миллиграммов ВМС, которое надо добавить к 10 см 3 0,0006 % - го красного золя золота, чтобы предотвратить его посинение (коагуляцию) при добавлении к нему 1см 3 10 % раствора NaCl. Иногда для характеристики защитного действия ВМС вместо золя золота используются коллоидные растворы серебра (серебряное число), гидроксида железа (железное число) и др. В таблице 10.2 приведены значения этих чисел для некоторых ВМС.
Таблица 10.2 Защитное действие ВМС
Дисперсные системы.
Дисперсные системы широко распространены в природе и с давних времен используются человеком в его жизнедеятельности. Практически любой живой организм либо представляет собой дисперсную систему, либо содержит их в различных формах.
Пример: свободнодисперсные системы (нет сплошных жестких структур - золи): кровь, лимфа, желудочный и кишечный соки, спинномозговая жидкость и т.д.
связнодисперсные системы (есть жесткие пространственные структуры - гели): протоплазма, мембраны клеток, мышечное волокно, хрусталик глаза и т.д.
Дисперсные системы активно применяют в медицине, это в первую очередь коллоидные растворы, аэрозоли, кремы, мази. Биохимические процессы в организме протекают в дисперсных системах. Усвоение пищи связано с переходом питательных веществ в растворенное состояние. Биожидкости (дисперсные системы) участвуют в транспорте питательных веществ (жиров, аминокислот, кислорода), лекарственных препаратов к органам и тканям, а также в выведении из организма метаболитов (мочевины, билирубина, углекислого газа).
Знание закономерностей физико-химических процессов в дисперсных системах важно будущим врачам как для изучения медико-биологических и клинических дисциплин, так и для более глубокого понимания процессов, протекающих в организме, и сознательного изменения их в желаемом направлении.
Дисперсные системы – это многокомпонентные системы, в которых одни вещества в виде мелких частиц распределены в другом веществе. Вещество, которое распределяется, называется дисперсной фазой. Вещество, в котором распределяется дисперсная фаза, называется дисперсионной средой.
Пример: водный раствор глюкозы
молекулы глюкозы – дисперсная фаза
вода – дисперсионная среда
Дисперсность – величина, характеризующая размер взвешенных частиц в дисперсных системах. Она обратна диаметру частиц дисперсной фазы. Чем меньше размер частиц, тем больше дисперсность.
Классификация дисперсных систем.
Дисперсные системы классифицируют по пяти признакам.
1. По степени дисперсности:
· грубодисперсные
Д = 10 4 – 10 6 м –1 , характеризуются неустойчивостью, непрозрачностью.
Пример: суспензии, эмульсии, пены, взвеси.
· коллоидно-дисперсные
Д = 10 7 – 10 9 м –1 , могут быть прозрачными и мутными, обладать устойчивостью и быть неустойчивыми.
Пример: коллоидные растворы, растворы высокомолекулярных соединений.
· молекулярно-дисперсные и ионно-дисперсные
Д = 10 10 – 10 11 м –1 , характеризуются прозрачностью и устойчивостью.
Пример: растворы низкомолекулярных соединений.
2. По наличию физической поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой:
· гомогенные (однофазные системы, граница раздела отсутствует.
Пример: растворы низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений.
· гетерогенные
существует граница раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой.
Пример: коллоидные растворы и грубодисперсные системы.
3. По характеру взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой:
· лиофильные
между дисперсной фазой и дисперсионной средой существует сродство.
Пример: все гомогенные системы.
· лиофобные
между дисперсной фазой и дисперсионной средой слабое взаимодействие или отсутствует.
Пример: все гетерогенные системы.
4. По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды:
| дисп.фаза дисп.среда | газообразная | твердая | жидкая |
| газообразная | смесь газов (воздух) | табачный дым пыль мучная, космическая аэрозоли | туман пар облака |
| жидкая | растворенный в крови CO 2 , O 2 , N 2 , пены минеральные воды фруктовые газированные напитки | коллоидные растворы суспензии растворы ВМС растворы НМС | эмульсии: молоко масло сливочное маргарин кремы мази нефть |
| твердая | твердые пены (пенопласт, активированный уголь) ионообменные смолы молекулярные сита | сплавы металла цветные стекла, хрусталь драгоценные камни (рубин, аметист) суппозитории (лечебные свечи) | кристаллогидраты минералы с жидкими включениями (жемчуг, опал) влажные почвы |
5. По природе дисперсионной среды:
Истинные растворы.
Истинный раствор – это гомогенная лиофильная дисперсная система с размерами частиц 10 –10 – 10 –11 м.
Истинные растворы – это однофазные дисперсные системы, они характеризуются большой прочностью связи между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Истинный раствор сохраняет гомогенность неопределенно долгое время. Истинные растворы всегда прозрачны. Частицы истинного раствора не видны даже в электронный микроскоп. Истинные растворы хорошо диффундируют.
Компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора, называют растворителем (дисперсионная среда), а другой компонент – растворенным веществом (дисперсная фаза).
При одинаковом агрегатном состоянии компонентов растворителем считается компонент, количество которого в растворе преобладает.
В растворах электролитов вне зависимости от соотношения компонентов электролиты рассматриваются как растворенные вещества.
Истинные растворы подразделяются:
· по типу растворителя: водные и неводные
· по типу растворенного вещества: растворы солей, кислот, щелочей, газов и т.д.
· по отношению к электрическому току: электролиты и неэлектролиты
· по концентрации: концентрированные и разбавленные
· по степени достижения предела растворимости: насыщенные и ненасыщенные
· с термодинамической точки зрения: идеальные и реальные
· по агрегатному состоянию: газообразные, жидкие, твердые
Истинные растворы бывают:
· ионно-дисперсные (дисперсная фаза – гидратированные ионы): водный раствор NaCl
· молекулярно-дисперсные (дисперсная фаза – молекулы): водный раствор глюкозы
Ионы каждый в отдельности или совместно выполняют определённые функции в организме. Решающая роль в переносе воды в организме принадлежит ионам Na + и Cl – , т.е участвуют в водно-солевом обмене. Ионы электролитов участвуют в процессах поддержания постоянства осмотического давления, установления кислотно-щелочного равновесия, в процессах передачи нервных импульсов, в процессах активации ферментов.
С позиции живых систем наибольший интерес представляют растворы, в которых растворителем является вода.
В ней растворяется огромное число веществ. Она не только растворитель, который обеспечивает молекулярное рассеяние веществ по всему организму. Она также является участником многих химических и биохимических процессов в организме. Например, гидролиза, гидратации, набухания, транспорта питательных и лекарственных веществ, газов, антител и т.п.
В организме происходит непрерывный обмен воды и растворённых в ней веществ. Вода составляет основную массу любого живого существа. Её содержание в теле человека меняется с возрастом: у эмбриона человека – 97%, у новорождённого – 77%, у взрослых мужчин – 61%, у взрослых женщин – 54%, у стариков старше 81 года – 49,8%. Большая часть воды в организме находится внутри клеток (70%), около 23% – межклеточной воды, а остальная (7%) – находится внутри кровеносных сосудов и в составе плазмы крови.
Всего в организме 42 л воды. В сутки поступает в организм и выводится из него 1,5 – 3 л воды. Это нормальный водный баланс организма.
Главный путь выведения воды из организма – почки. Потеря 10 – 15% воды опасна, а 20 – 25% смертельна для организма.
Важнейшей характеристикой раствора является его концентрация.
Способы выражения концентрации растворов:
1. Массовая доля w(х) – величина, равная отношению массы растворённого вещества m(x) к массе раствора m(p-p)
w (x) = × 100%
2. Молярная концентрация раствора с (х) – величина, равная отношению количества вещества n(х), содержащегося в растворе, к объёму этого раствора V(р-р).
с (х) = [моль/л], где n(х) = [моль]
Миллимолярный раствор – раствор с молярной концентрацией равной 0,001 моль/л
Сантимолярный раствор – раствор с молярной концентрацией равной 0,01 моль/л
Децимолярный раствор – раствор с молярной концентрацией равной 0,1 моль/л
3. Молярная концентрация эквивалента с ( x) – величина, равная отношению количества вещества эквивалента n ( x) в растворе к объёму этого раствора.
c ( x) = [моль/л], где n ( x) = [моль], а М( x) = × М(x)
Эквивалент – это реальная или условная частица вещества х , которая в данной кислотно-основной реакции эквивалентна одному иону водорода или в данной ОВР – одному электрону.
Число эквивалентности z и фактор эквивалентности f = . Фактор эквивалентности показывает, какая доля реальной частицы вещества х эквивалентна одному иону водорода или одному электрону. Число эквивалентности z равно для:
а) кислот – основности кислоты H 2 SO 4 z = 2.
б) оснований – кислотности основания Aℓ(OH) 3 z = 3.
в) солей – произведению степени окисления (с.о.) металла на число его атомов в молекуле Fe 2 (SO 4) 3 z = 2 × 3 = 6.
г) окислителей – числу присоединенных электронов
Mn +7 + 5ē → Mn +2 z = 5
д) восстановителей – числу отданных электронов
Fe +2 – 1ē → Fe +3 z = 1
4. Моляльная концентрация b(x) – величина, равная отношению количества вещества к массе растворителя (кг)
b(x) = = [моль/кг]
5. Молярная доля c(x i) равна отношению количества вещества данного компонента к суммарному количеству всех компонентов раствора
Формулы взаимосвязи концентраций:
с ( x) = c (x) × z
У растворов имеется ряд свойств, которые не зависят от природы растворенного вещества, а зависят только от его концентрации. Наиболее важным является осмос.
Благодаря осмосу через мембраны клеток органов и тканей осуществляется сложный процесс обмена веществ организма с внешней средой.
Диффузия – процесс самопроизвольного выравнивания концентрации в единице объема.
Осмос – односторонняя диффузия молекул растворителя через полупроницаемую мембрану из растворителя в раствор или из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией.
раствор растворитель
Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, то есть создать условия осмотического равновесия. Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса - обратной диффузии растворителя. Обратный осмос имеет место при фильтрации плазмы крови в артериальной части капилляра и в почечных клубочках.
Осмотическое давление – давление, которое нужно приложить к раствору, чтобы осмос прекратился.
Уравнение Вант-Гоффа: Р осм = c RT×10 3
Осмотическое давление крови: 780 – 820 кПа
Все растворы, с точки зрения осмотических явлений, можно разделить на 3 группы:
· Изотонические растворы – растворы, имеющие одинаковые осмотические давления и осмолярные концентрации. Примеры: желчь, раствор NaCl (w=0,9%, с=0,15 моль/л), раствор глюкозы (w=7%, с=0,3 моль/л)
Осмолярная концентрация (осмолярность) – суммарное количество вещества всех кинетически активных частиц, содержащихся в 1 литре раствора. с осм, осмоль/л
Осмоляльная концентрация (осмоляльность) – суммарное количество вещества всех кинетически активных частиц, содержащихся в 1 кг растворителя. b осм, осмоль/кг
Для разбавленных растворов осмолярная концентрация совпадает с осмоляльной концентрацией. с осм ≈ b осм
· Гипертонический раствор – раствор с более высокой концентрацией растворенных веществ, следовательно, с более высоким осмотическим давлением по сравнению с другим раствором и способный при наличии проницаемых мембран вытягивать из него воду. Примеры: кишечный сок, моча.
· Гипотонический раствор – раствор с более низкой концентрацией растворенных веществ, следовательно, с более низким осмотическим давлением по сравнению с другим раствором и способный при наличии проницаемых мембран терять воду. Примеры: слюна, пот.
Животные и растительные клетки отделены от окружающей среды мембраной. При помещении клетки в различные по осмолярным концентрациям или давлениям растворы будут наблюдаться следующие явления:
· плазмолиз – уменьшение клетки в объеме. При этом клетку помещают в гипертонический раствор. Разность осмотических давлений вызывает перемещение растворителя из клетки в гипертонический раствор.
· лизис – увеличение клетки в объеме. При этом клетку помещают в гипотонический раствор. Разность осмотических давлений вызывает перемещение растворителя в клетку. В случае разрыва эритроцитарных мембран и перехода гемоглобина в плазму явление называется гемолизом.
· изоосмия – объем клетки не изменяется. При этом клетку помещают в изотонический раствор.
С помощью осмотических явлений поддерживается водно-солевой обмен в организме человека. Осмос – это основа механизма работы почек. Изотонический (физиологический) раствор NaCl (0,9%) используется при больших кровопотерях. Гипертонический раствор NaCl (10%) используют при накладывании марлевых повязок на гнойные раны.
Онкотическое давление – это часть осмотического давления, создаваемого белками.
В плазме крови человека составляет лишь около 0,5 % осмотического давления (0,03-0,04 атм или 2,5 – 4,0 кПа). Тем не менее, онкотическое давление играет важнейшую роль в образовании межклеточной жидкости, первичной мочи и др. Стенка капилляров свободно проницаема для воды и низкомолекулярных веществ, но не для белков. Скорость фильтрации жидкости через стенку капилляра определяется разницей между онкотическим давлением белков плазмы и гидростатическим давлением крови, создаваемым работой сердца. На артериальном конце капилляра солевой раствор вместе с питательными веществами переходит в межклеточное пространство. На венозном конце капилляра процесс идёт в противоположном направлении, поскольку венозное давление ниже онкотического давления. В результате в кровь переходят вещества, отдаваемые клетками. При заболеваниях, сопровождающихся уменьшением концентрации в крови белков (особенно альбуминов), онкотическое давление снижается, и это может явиться одной из причин накопления жидкости в межклеточном пространстве, в результате чего развиваются отёки.
 |
Дисперсными называют системы, состоящие из множества малых частиц, распределенных в жидкой, твердой или газообразной среде.
Понятие «дисперсный» происходит от лат. dispersus - раздробленный, рассеянный.
Для всех дисперсных систем характерны два основных признака: высокая раздробленность (дисперсность) и гетерогенность.
Гетерогенность дисперсных систем проявляется в том, что эти системы состоят из двух (или более) фаз: дисперсной фазы и дисперсионной среды. Дисперсная фаза - это раздробленная фаза. Она состоит из частиц нерастворимого тонкоизмельченного вещества, распределенных по всему объему дисперсионной среды.
Высокая дисперсность придает веществам новые качественные признаки: повышенную реакционную способность и растворимость, интенсивность окраски, светорассеяние и т. п. Большая поверхность раздела создает в этих системах большой запас поверхностной энергии, которая делает их термодинамически неустойчивыми, чрезвычайно реакционноспособными. В них легко протекают самопроизвольные процессы, приводящие к снижению запаса поверхностной энергии: адсорбция, коагуляция (слипание дисперсных частиц), образование макроструктур и т. п. Таким образом, самые важные и неотъемлемые черты всякой дисперсной системы - гегетрогенность и высокая дисперсность - полностью определяют свойства и поведение этих систем.
Классификацию дисперсных систем проводят на основе различных признаков, а именно: по размеру частиц, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по характеру взаимодействия частиц дисперсной фазы между собой и со средой.
Классификация по размеру частиц (дисперсности)
Дисперсность D является основной характеристикой дисперсной системы и мерой раздробленности вещества. Математически дисперсность определяют как величину, обратную размеру частицы:
D = 1/а ,
где а - размер частицы (диаметр или длина ребра), м -1 .
С другой стороны, для характеристики степени раздробленности служит величина удельной поверхности S уд . Удельную поверхность находят как отношение поверхности S частицы к ее объему V или массе т: S уд = S / V или S уд = S / m . Если удельную поверхность определяют по отношению к массе частицы раздробленного вещества, то ее размерность м 2 /кг, если же по отношению к объему, то размерность совпадает с размерностью дисперсности (м -1).
Физический смысл понятия «удельная поверхность» заключается в том, что это суммарная поверхность всех частиц, общий объем которых составляет 1м 3 или общая масса которых равна 1 кг.
По дисперсности системы подразделяют на типы:
1) грубо-дисперсные (грубые взвеси, суспензии, эмульсии, порошки) с радиусом частиц 10 -4 - 10 -7 м;
2) коллоидно-дисперсные (золи) с размером частиц 10 -7 - 10 -9 м;
3) молекулярные и ионные растворы с размером частиц менее 10 -9 м.
В коллоидных системах достигается высшая степень раздробления вещества, при которой еще сохраняются понятия «фаза» и «гетерогенность». Уменьшение размера частиц еще на порядок переводит системы в гомогенные молекулярные или ионные растворы.
Дисперсность влияет на все основные свойства дисперсных систем: кинетические, оптические, каталитические и т. д.
Свойства дисперсных систем сопоставлены в табл. 1.2.
Т а б л и ц а 1.2.Свойства дисперсных систем разных типов
|
Грубодисперсные |
Коллоидно-дисперсные |
Молекулярные и ионные (истинные) растворы |
|
Непрозрачные - отражают свет |
Прозрачные опалесцирующие - рассеивают свет, дают конус Тиндаля |
Прозрачные неопалесцирующие, конус Тиндаля не наблюдается |
|
Частицы не проходят через фильтр |
Частицы проходят через бумажный фильтр |
Частицы проходят через бумажный фильтр |
|
Частицы задерживаются ультрафильтрами |
Частицы проходят через льтрафильтры |
|
|
Гетерогенные |
Гетерогенные |
Гомогенные |
|
Неустойчивы кинетически и термодинамически |
Относительно устойчивы кинетически |
Устойчивы кинет. и термодинамич.ки |
|
Стареют во времени |
Стареют во времени |
Не стареют |
|
Частицы видны в оптический микроскоп |
Частицы видны в электрон. Микроскоп и ультрамикроскоп |
Частицы не видны в современные микроскопы |
Помимо размера частиц большое значение для свойств дисперсных систем имеет геометрическая форма частиц. В зависимости от условий дробления вещества форма частиц дисперсной фазы может быть очень разнообразной. Один м 3 исходного вещества принципиально возможно раздробить на кубики с длиной ребра l = 10 -8 м, вытянуть в нить с сечением 10 -8 х 10 -8 м или расплющить в пластину (пленку) толщиной 10 -8 м. В каждом из этих случаев система будет дисперсной со всеми присущими признаками.
Удельная поверхность частиц кубической формы возрастает от исходного значения в 6 м 2 до значения, определяемого по формуле
S уд = S / V = 6l 2 / l 3 = 6 . 10 8 м -1
Для нитей S уд = 4-10 8 м -1 ; для пленки S уд = 2 . 10 8 м -1 .
Частицы кубической, шарообразной или близкой к ним неправильной формы характерны для многих коллоидных растворов - золей и более грубодисперсных систем – эмульсий.
Классификация по агрегатному состоянию фаз
Наиболее распространена классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Каждая из этих фаз может быть в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Поэтому возможно существование восьми типов коллоидных систем (табл. 1.3). Система «газ в газе» не входит в это число, так как является гомогенной молекулярной, в ней отсутствуют границы раздела. Высокодисперсные коллоидные растворы, относящиеся к типу систем т/ж, носят название золей (от лат. solutio - раствор). Золи, у которых дисперсионной средой является вода, называют гидрозолями. Если дисперсионной средой служит органическая жидкость, коллоидный раствор носит название органозоля. Эти последние, в свою очередь, подразделяют на алкозоли, бензозоли, этерозоли и т.п., в которых дисперсионной средой являются соответственно спирт, бензол, эфир и т. д. В зависимости от агрегатного состояния дисперсионной среды различают лиозоли - золи с жидкой дисперсионной средой (от греч. lios - жидкость), аэрозоли - золи с газообразной дисперсионной средой, твердые золи - системы типа т/т. Грубодисперсные системы типа т/ж называют суспензиями, типа ж/ж – эмульсиями.
Таблица 2..2. Основные типы дисперсных систем
|
Дисп фаза |
Дисп.среда | ||
|
Не существ. |
|||
|
Жидкость |
Туман, облака, аэрозоли жидких лекарств |
||
|
Твердое тело |
Дым, пыль, порошки, аэрозоли твердых лекарств |
||
|
Жидкость |
Пены, газовые эмульсии |
||
|
Жидкость |
Эмульсии (молоко, лекарственные эмульсии) |
||
|
Твердое тело |
Суспензии, коллоидные растворы |
||
|
Твердое тело |
Твердые пены, хлеб, пемза, силикагель, активные угли |
||
|
Жидкость |
Жемчуг, капиллярные системы, цементный камень, гели |
||
|
Твердое тело |
Цветные стекла, минералы, сплавы |
Классификация по отсутствию или наличию взаимодействия между частицами дисперсной фазы
По кинетическим свойствам дисперсной фазы все дисперсные системы можно подразделить на два класса: свободно-дисперсные, в которых частицы дисперсной фазы не связаны между собой и могут свободно перемещаться (лиозоли, аэрозоли, суспензии, эмульсии), и связно-дисперсные, в которых одна из фаз структурно закреплена и не может перемещаться свободно. К этому классу относят гели и студни, пены, капиллярно-пористые тела (диафрагмы), твердые растворы и др.
Классификация по степени взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой
Для характеристики взаимодействия между веществом дисперсной фазы и жидкой дисперсионной средой служат понятия «лиофильность» и «лиофобность». Под взаимодействием фаз дисперсных систем подразумевают процессы сольватации (гидратации), т. е. образование сольватных (гидратных) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Системы, в которых сильно выражено взаимодействие частиц дисперсной фазы с растворителем, называют лиофильными (по отношению к воде - гидрофильными). Если частицы дисперсной фазы состоят из вещества, слабо взаимодействующего со средой, системы являются лиофобными (по отношению к воде - гидрофобными) . Термин «лиофильный» происходит от греч. 1уо - растворяю и philia - любовь; «лиофобный» от 1уо - растворяю и phobia - ненависть, что означает «не любящий растворения». Хорошо сольватирующиеся лиофильные дисперсные системы образуются путем самопроизвольного диспергирования. Такие системы термодинамически устойчивы. Примерами таких систем являются дисперсии некоторых глин и поверхностно-активных веществ (ПАВ), растворы высокомолекулярных веществ (ВМВ).
У гидрофобных золей частицы состоят из труднорастворимых соединений, отсутствует или слабо выражено сродство дисперсной фазы к растворителю. Такие частицы плохо сольватированы. Гидрофобные золи являются основным классом коллоидных растворов, у которых ярко выражены гетерогенность и высокая удельная поверхность.
