Metode de purificare a soluțiilor coloidale. Purificarea sistemelor coloidale. Metode de obţinere a sistemelor coloidale

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

Metode de obținere și purificare a soluțiilor coloidale

Metode de condensare pentru obţinerea sistemelor coloidale

Din clasificarea sistemelor dispersate în funcție de dimensiunea particulelor, rezultă că soluțiile coloidale (solurile) ocupă o poziție intermediară între sistemele moleculare și cele grosiere. Aceasta determină două moduri posibile de obținere a soluțiilor coloidale. O modalitate este de a mări particulele în timpul agregării moleculelor sau ionilor - această metodă se numește condensare. A doua modalitate este de a măcina particule mari până la dispersie coloidală, se realizează prin metoda dispersie.

Condensarea poate avea loc atât chimic cât și proces fizic. În ambele cazuri, metoda de condensare se bazează pe formarea unei noi faze într-un mediu omogen, care are o dispersie coloidală. Condiția generală pentru formarea unei noi faze este starea de suprasaturare a soluției sau vaporilor. Când apar suprasaturații locale în unele părți ale soluției, se formează agregate a mai multor molecule, care devin nucleele unei noi faze. Rolul nucleelor ​​poate fi jucat de centrele de cristalizare prezente sau introduse în sistem - particule de praf, mici adaosuri de sol finit, etc. solurile rezultate.

Conform teoria modernă formarea nucleelor ​​unei noi faze într-un mediu omogen, acest proces este fluctuant. Condițiile de formare a nucleelor ​​fazei solide sunt exprimate prin ecuație

r=2 vm/ RTln (c r/ Gânguri)

unde r este raza cristalului; y este tensiunea superficială la limita cristal-soluție; Vm este volumul molar al fazei cristaline; cu este concentrația soluției saturate; cu r este concentrația soluției suprasaturate necesară pentru formarea de cristale mici cu raza r.

Formarea nucleelor ​​este posibilă cu condiţia ca cu r> s. Un sistem foarte dispersat poate fi obținut dintr-o soluție suprasaturată numai dacă viteza de nucleare v\ mult mai mult decât rata lor de creștere V2, adică j>i^>^2. În caz contrar, se formează particule mari care nu au stabilitate cinetică și precipită.

În cazul condensării chimice, apare o nouă fază în timpul reacțiilor care conduc la formarea unor substanțe insolubile într-un mediu dat. Acestea pot fi reacții de reducere, oxidare, schimb, hidroliză.

Pentru diferite reacții chimice utilizate în prepararea solurilor, condițiile optime pentru formarea și creșterea nucleelor ​​sunt selectate empiric. De regulă, solurile foarte dispersate sunt obținute prin adăugarea unei cantități mici dintr-o soluție concentrată a celui de-al doilea reactiv la o soluție diluată a unuia dintre reactivi cu agitare puternică. Cu această tehnică, nucleele formate ale fazei solide încetează rapid să crească, deoarece soluția diluată este în curând epuizată. Faza dispersată proaspăt formată, care constă din agregate de materie insolubilă, are adesea o structură amorfă. În timp (de la câteva minute la o zi). are loc un proces de cristalizare a particulelor insolubile și acestea capătă o structură cristalină.

reacții de recuperare. Reacțiile de reducere sunt de obicei folosite pentru obținerea solurilor de metale nobile (platină, aur, argint). Restaurarea poate fi efectuată cu sau fără coloizi de protecție. HMW sunt utilizați ca coloizi de protecție, care sunt adsorbiți pe suprafața particulelor coloidale și formează pelicule protectoare. În practica farmaceutică, în prezența coloizilor de protecție, se obține preparatul collargol, care este o soluție coloidală de argint protejată de săruri ale acizilor lisalbic și protalbic.

La primirea solului de aur, acidul cloroauric este transformat în aurat de potasiu prin reacție

2NAuC1 4 + 5K 2 CO 3 \u003d 2KAuO 2 + 5CO 2 + 8KS1 + H 2 O

Reacția de reducere a auratului de potasiu cu formaldehida se desfășoară conform ecuației

2KAuO 2 + ZNSNO + K 2 CO 3 \u003d 2Au + ZNSOOK + KHSOz + H 2 O

Ionii de aurat, care sunt ioni care formează potențial, sunt adsorbiți pe microcristalele de aur formate. Ionii K + servesc drept contraioni.

metode de hidroliză. Hidroliza este utilizată pentru a obține soluții de hidroxid de metale grele.

Un sol metalic de argint poate fi obținut prin reducerea soluțiilor diluate de săruri de argint într-un mediu alcalin cu tanin. Tanin (pentadigaloilglucoză) C 76 H 52 O 46, oxidant, dă substanțe insolubile - flobafen C 76 H 52 O 49

Procese de oxidare.

Alături de sulf, reacțiile de oxidare formează de obicei acizi politionici, în principal acid pentathionic H 2 S 5 O 6

Reacții de schimb dublu. Reacțiile de schimb dublu fac posibilă obținerea multor soluri de compuși puțin solubili. De exemplu, la amestecarea soluțiilor diluate de azotat de bariu și sulfat de potasiu, cu condiția ca unul dintre reactivi să fie în exces, sulfatul de bariu nu precipită, ci formează o soluție coloidală.

Reacția dintre azotatul de bariu și sulfatul de potasiu se desfășoară conform schemei

Ba (NO 3) 2 + K 2 SO 4 \u003d BaSO 4 + 2KNO 3

La obținerea solurilor prin metode de condensare chimică, ar trebui să se acorde preferință reacțiilor în care, împreună cu un compus puțin solubil, se formează substanțe care sunt neelectroliți sau electroliți slabi. Acest lucru contribuie la obținerea de soluri mai stabile, deoarece electroliții în exces care stabilizează solul nu se formează în sistem. Un exemplu de astfel de reacție este oxidarea hidrogenului sulfurat cu oxigenul atmosferic.

Înlocuirea solventului. Această metodă de obținere a solurilor, spre deosebire de cele anterioare, se referă la condensarea fizică. Se bazează pe faptul că o soluție a unei substanțe este adăugată puțin câte puțin într-un lichid care se amestecă bine cu solventul, dar în care soluția este atât de ușor solubilă încât se separă ca o fază foarte dispersă. Un exemplu sunt hidrosolii de sulf, colesterol sau colofoniu obținuți prin turnarea soluțiilor alcoolice ale acestor substanțe în apă.

condensarea vaporilor. Este si o metoda de obtinere a solurilor prin condensare fizica. Când vaporii unei substanțe simple sunt trecuți într-un lichid, ca urmare a condensului, se pot forma soluri stabile. Acestea includ metode electrice de obținere a dispersiilor metalice pulverizate sub apă sau într-un lichid organic într-un arc voltaic (metoda Bredig) și într-o descărcare de scânteie de înaltă frecvență (metoda Svedberg). Oxizii acelorași metale, care sunt produse secundare ale procesului de pulverizare, servesc ca stabilizatori pentru dispersiile formate în timpul condensării vaporilor. Oxizii sunt adsorbiți pe particulele de metal și creează un strat protector.

În natură, când vaporii de apă se condensează în atmosferă, se formează ceață și nori.

S. Z. Roginsky și A. I. Shalnikov au dezvoltat o metodă eficientă pentru obținerea solurilor din așa-numitele fascicule moleculare. Esența metodei constă în faptul că substanța dispersabilă și solventul sunt evaporate împreună în vid. Vaporii amestecați se condensează și îngheață pe suprafața răcită. Amestecul este apoi dezghețat și colectat într-un vas. Solurile greu accesibile ale multor substanțe au fost obținute în acest fel. Metoda asigură o puritate ridicată a solurilor rezultate.

Obţinerea sistemelor coloidale prin metode de dispersie

Dispersia este măcinarea fină a materialelor solide sau lichide și distribuirea particulelor acestora într-un mediu lichid sau gazos, având ca rezultat formarea de sisteme dispersate: pulberi, suspensii, emulsii, aerosoli.

Metodele de măcinare a formațiunilor mari până la o stare coloidală sunt împărțite în mecanice, fizice și fizico-chimice.

dispersie mecanică. Aceasta este una dintre principalele modalități de formare a sistemelor coloidale în natură: în timpul prăbușirilor, intemperiilor, eroziunii solului etc. Dispersia mecanică artificială se realizează folosind diferite căi măcinare. Acest proces include zdrobirea grosieră, medie și fină. Funcționarea mașinilor de șlefuit se bazează pe principiile de zdrobire, despicare, abraziune, impact etc. Proprietatea unui material de a rezista la distrugere se numește rezistență. În procesul de șlefuire, un corp solid suferă deformări elastice și plastice. Deformațiile elastice (reversibile) dispar aproape complet după îndepărtarea sarcinii. În cazul deformațiilor plastice (ireversibile), încetarea acțiunii exterioare nu duce la refacerea formei și dimensiunilor corpului solid. Rezistența materialului este ruptă, forma acestuia se schimbă.

Conform ideilor lui P. A. Rebinder, măcinarea unui material consumă energie egală cu suma muncii de deformare a unui corp solid și a muncii de formare a suprafețelor noi:

W= W def+ W n = kV+ tu?S,

Unde W -- lucrare de slefuire completa; k -- coeficient de proporționalitate, egal cu munca de deformare a unui volum unitar al unui corp zdrobit; V - volumul corpului; y -- tensiunea superficială (energia de formare a unei unități de suprafață); ?S este o suprafata noua formata in timpul distrugerii corpului.

Din formula rezultă că munca de măcinare crește proporțional atât cu volumul materialului zdrobit, cât și cu valoarea materialului rezultat. suprafata noua. Aceasta înseamnă că odată cu scăderea dimensiunii finale a particulelor, consumul de energie crește brusc. Pentru a reduce costurile energetice pentru măcinare și pentru a obține o dispersie mai mare a materialului în procesele de măcinare, se folosește efectul Rebinder - o scădere a durității datorată adăugării de substanțe străine, numite reductoare de duritate. Mulți electroliți pot acționa ca reductori de duritate - săruri și alcalii, agenți tensioactivi (soluții de săpun alcalin, acizi sulfoligni și sulfonaftenici, extracte de tanin).

Fenomenul de scădere a durității a fost folosit de mult în practică, de exemplu, la măcinarea substanțelor solide (sulf, oxid de fier, sulfuri metalice) într-un mortar în prezența unor compuși indiferenți: zahăr, uree etc. Lucrările lui Rehbinder au relevat mecanismul acestui fenomen, care constă în faptul că substanțele adăugate sunt adsorbite în locuri de defecte din rețeaua cristalină a solidelor, de exemplu, în microfisuri. Adsorbția substanțelor aditive, pe de o parte, determină o scădere a energiei de suprafață, ceea ce facilitează dispersia și, pe de altă parte, duce la apariția unor forțe de respingere electrostatică reciprocă a straturilor de adsorbție situate pe pereții opuși ai microfisurilor. Ca urmare, apare un efect de wedging, care sporește efectul distructiv. Ca urmare a acestui efect, costurile externe ale energiei pentru procesul de măcinare sunt reduse semnificativ. Rolul pozitiv al aditivilor constă și în faptul că straturile lor de adsorbție împiedică aderența particulelor nou formate.O acțiune asemănătoare cu introducerea de substanțe - reductori de duritate se exercită și prin adăugarea de lichide. Măcinarea umedă (acolo unde este posibil) este întotdeauna mai eficientă decât măcinarea uscată. Măcinarea materialelor se realizează folosind mecanisme precum mașini de pre-zdrobire și mașini pentru măcinarea finală (fină). Pentru măcinarea preliminară se folosesc mecanisme design diferit acțiune de tăiere, tăiere sau despicare. Alegerea metodei de zdrobire depinde de starea fizică a materiilor prime. Materialele fragile se desfac ușor la impact, pentru plastic, obiecte vâscoase, impact și abraziune simultane sunt necesare etc.

În producția farmaceutică, unde în principal materiile prime vegetale sunt supuse șlefuirii, tăietorilor de iarbă și rădăcini, se folosesc mașini cu ferăstrău circular. După o serie de etape de zdrobire, se obțin pulberi cu o dimensiune a particulelor de aproximativ 10 ~ 4 m.

Măcinarea finală - pulbere (măcinare fină) ~ - - se efectuează folosind mori de diferite modele: rolă, disc, ciocan, diverse dezintegratoare, râșnițe cu jet. Pentru măcinarea multor materiale, sunt eficiente morile cu bile, care combină impactul și acțiunea abrazivă.

Măcinarea fină și ultrafină se efectuează în mori vibratoare, mori coloidale etc. Aceste mecanisme sunt folosite și pentru dispersarea materialelor solide și a lichidelor într-un mediu lichid la prepararea suspensiilor și emulsiilor.

Moara coloidală a fost proiectată pentru prima dată de inginerul rus K. Plausson (1920).

Proiectarea morilor coloidale și a altor mori se bazează pe un sistem de stator și rotor care se rotește la o frecvență de până la 20.000 rpm. Suprafețele statorului și rotorului, față în față, sunt furnizate cu diferite elemente de impact - bătăi, proeminențe, fante. În alte modele, între stator și rotor se realizează un spațiu foarte îngust, trecând prin care, sub presiune, particulele unui solid sau lichid suferă o forță de rupere și sunt dispersate, formând o suspensie sau emulsie.

Pentru a crește dispersia emulsiilor se folosesc dispozitive speciale - omogenizatoare. Acțiunea omogenizatorilor se bazează pe forțarea emulsiilor sub presiune ridicată prin canale și fante înguste.

Dispersia cu ultrasunete este un exemplu de utilizare metode fizice măcinare. Undele ultrasonice cu o frecvență de 20 mii până la 1 milion de oscilații pe secundă sunt obținute folosind un oscilator piezoelectric. Efectul de dispersie al ultrasunetelor se datorează faptului că în timpul trecerii unei unde sonore într-un lichid, apar compresii și tensiune locale care se schimbă rapid, care creează o forță de rupere și duc la dispersia particulelor în suspensie. Cu toate acestea, rolul decisiv îl joacă fenomenul de cavitație; la alternarea compresiilor și rarefacțiilor în lichid, se formează continuu goluri (cavități) și din nou se prăbușesc (colaps). Când cavitățile se prăbușesc, se dezvoltă foarte local presiuni mari. Acest lucru determină forțe distructive mecanice puternice capabile să disperseze nu numai lichidele, ci și particulele solide. În acest fel, se obțin emulsii și suspensii foarte dispersate, inclusiv cele adecvate pentru administrare intravenoasă. În plus, sub acțiunea ultrasunetelor asupra soluțiilor coloidale, emulsiilor, suspensiilor, acestea sunt sterilizate, deoarece cavitația provoacă distrugerea corpurilor microorganismelor și a sporilor acestora.

Deși metodele de dispersie sunt din ce în ce mai îmbunătățite, o comparație cu metodele de condensare pentru obținerea sistemelor de dispersie arată că numai metodele de condensare sunt potrivite pentru a obține o dispersie maximă de 1 * 10~7 - 1 * 10~9 m. Pe lângă faptul că prin metode de condensare se obțin sisteme mai puternic dispersate decât în ​​cazul dispersiei, metodele de condensare practic nu necesită costuri energetice. Cu toate acestea, metodele de dispersie sunt de o importanță mai practică.

Dispersie fizico-chimică sau peptizare. Un precipitat proaspăt (slăbit) este transformat într-un sol prin tratare cu peptidizatoare: o soluție de electrolit, o soluție de surfactant sau un solvent. Conceptul de sediment „proaspăt” se referă la un sediment cu o structură liberă, între particulele căreia se află straturile intermediare ale unui mediu de dispersie, indiferent de durata existenței sedimentului. Sedimentele aglomerate cu particule lipicioase nu pot fi dispersate prin peptizare. De fapt, peptizarea nu este dispersia, ci dezagregarea particulelor existente. Există trei metode de peptizare: 1) peptizare prin adsorbție; 2) dizolvare (sau chimică) peptizare; 3) spălarea precipitatului cu un solvent (mediu de dispersie).

Alegerea metodei de peptizare este determinată de condițiile de preparare și de proprietățile precipitatului. Rezultatul peptizării în toate cazurile ar trebui să fie separarea particulelor și distribuția lor pe întregul volum al mediului de dispersie. Imaginați-vă că un precipitat dintr-un compus puțin solubil de ferat hexaciano(II) de fier (III) (albastru de Prusă) a fost obținut în cursul unei reacții chimice cu un raport stoechiometric de reactivi

K 4 + FeCl 3 \u003d KFe + 3KC1

Ca rezultat al reacției, se formează un precipitat liber de KFe albastru prusac, pe particulele căruia nu există un strat electric dublu, deoarece nu există ioni în sistem capabili de adsorbție selectivă pe particulele de sediment și formarea DES. Pentru ca peptizarea să aibă loc, este necesar să se creeze forțe repulsive electrostatice pe suprafața particulelor de sediment, care ar forța particulele să se îndepărteze unele de altele și să se distribuie uniform în volumul soluției, adică să formeze un sol. Acest lucru se poate face prin peptizare prin adsorbție, adică prin tratarea precipitatului cu o soluție de electrolit, care conține un ion de peptizare capabil de adsorbție selectivă (în conformitate cu regula Panet-Fajans). Ca electrolit având un ion de peptizare, se poate lua o soluție de FeCl-3 sau K4. Într-o soluție de FeCl3, ionul de peptizare este ionul Fe3 +; într-o soluție de K4Fe(CN)6, ionul 4 este. Fiecare dintre acești ioni pot fi adsorbiți pe cristale de KFe, completându-și rețeaua cristalină și formând un strat de ioni care formează potențial. În acest caz, adsorbția ionilor de fier conferă o sarcină pozitivă tuturor particulelor de sedimente, iar adsorbția ionilor dă o sarcină negativă. Dar, în ambele cazuri, se formează un sol. Structura unei micele sol poate fi reprezentată prin diagramele:

1. Când este peptizat cu o soluție de FeCI3, se formează un sol verde KFe cu particule încărcate pozitiv

2. În timpul peptizării cu o soluție de K4, se formează un sol KFe albastru închis cu particule încărcate negativ.

Peptizarea prin dizolvare, sau chimică, se aplică și sedimentelor care nu au DES pe particule, în cazurile în care peptida-electrolitul nu este disponibil în formă finită. În acest caz, turta de filtru este tratată cu o mică parte dintr-un reactiv care dizolvă stratul de suprafață al granulelor de sedimente, ca urmare, se formează o anumită cantitate de electrolit, care este necesară pentru peptizarea restului sedimentului. De exemplu, un precipitat de Fe (OH) 3 poate fi obținut cu un raport stoechiometric de reactivi conform reacției

Peptizarea prin spălare cu un solvent este supusă precipitării, care a fost obținută în prezența unui exces semnificativ de unul dintre reactivi. În acest caz, particulele de sediment au un strat electric dublu, dar este puternic comprimat din cauza concentrației mari de electroliți. Într-o astfel de stare a EDL, forțele de respingere Coulomb între particulele de depozit nu apar. Pentru a restabili forțele de repulsie electrostatică a particulelor și structura normală a DEL, este necesară scăderea concentrației de electrolit din precipitat. În acest scop, turta de filtrare este spălată cu un solvent pur sau mediu de dispersie. Excesul de electrolit este spălat și un sol stabil începe să treacă prin filtru.

Sarcinile (3x--f~) ale particulelor coloidale creează forțe de respingere între ele și contribuie la tranziția precipitatului într-o soluție coloidală. W. Ostwald, studiind procesul de peptizare, a derivat empiric o serie de regularități, care sunt numite regula precipitațiilor a lui Ostwald. El a descoperit că o concentrație optimă bine definită este necesară pentru peptizarea unei anumite mase de sedimente. cu / elect.rollita-peptizer. Grafic, aceasta este exprimată prin curba de dependență a proporției de precipitat peptizat Q față de concentrația stabilizatorului, care trece printr-un maxim corespunzător raportului optim dintre masa precipitatului prelevat și concentrația de electrolit.

Când această concentrație de electrolit este depășită, procesul de peptizare se deplasează către procesul invers, coagulare sau agregare a particulelor, deoarece un exces de electrolit comprimă DEL pe particulele de sediment și înrăutățește condițiile de dezagregare. Trebuie remarcat faptul că, dacă un surfactant servește ca peptizer, atunci nu există valoare critica concentrația și creșterea conținutului de agenți tensioactivi nu dăunează peptizării.

Pe de altă parte, la o concentrație constantă de electrolit, proporția de precipitat peptizat crește la o valoare maximă la un anumit raport de masă gp" concentrația de sedimente și electroliți prelevate. O creștere excesivă a greutății precipitatului introdus în soluția de electrolit înrăutățește condițiile de peptizare, drept urmare valoarea Q scade. Acest lucru poate fi explicat prin faptul că electrolitul disponibil nu este suficient pentru a crea un DEL eficient pe particulele de precipitat luate în exces.

Metode de purificare a soluțiilor coloidale

La obținerea soluțiilor coloidale printr-o metodă sau alta, în special cu ajutorul reacțiilor chimice, este aproape imposibil să se prezică cu exactitate raportul cantitativ necesar al reactivilor. Din acest motiv, în solurile formate poate fi prezent un exces excesiv de electroliți, ceea ce reduce stabilitatea soluțiilor coloidale. Pentru a obține sisteme extrem de stabile și pentru a studia proprietățile acestora, solurile sunt purificate atât din electroliți, cât și din tot felul de alte impurități cu moleculară mică.

Purificarea soluțiilor coloidale poate fi efectuată fie prin dializă, fie prin ultrafiltrare.

Dializă constă în extragerea substanțelor cu greutate moleculară mică din soluri cu un solvent pur cu ajutorul unui despărțitor semipermeabil (membrană), prin care nu trec particulele coloidale. Schimbarea periodică sau continuă a solventului din dispozitivul de dializă - dializator, este posibilă îndepărtarea aproape completă a impurităților electroliților și a neelectroliților cu greutate moleculară mică din soluția coloidală.

Dezavantajul metodei este durata mare a procesului de curățare (săptămâni, luni).

Electrodializa este procesul de dializă accelerat prin aplicarea curentului electric. Dispozitivul pentru implementarea sa se numește electrodializator. Cel mai simplu electrodializator este un vas împărțit de două membrane în trei camere. Soluția coloidală de purificat este turnată în camera de mijloc. Electrozii de la o sursă de curent continuu sunt plasați în camerele laterale și solventul (apa) este furnizat și îndepărtat. Sub acțiunea unui câmp electric, cationii sunt transferați din camera de mijloc în camera catodică, iar anionii în camera anodică. Soluția din camera de mijloc poate fi curățată de sărurile dizolvate într-un timp scurt (minute, ore).

Dializa compensatorieși vividializa-- metode dezvoltate pentru studiul fluidelor biologice, care sunt sisteme coloidale. Principiul metodei de dializă compensatorie este că în dializator, în locul unui solvent pur, se folosesc soluții de substanțe cu greutate moleculară mică de diferite concentrații. De exemplu, pentru a determina zahărul non-proteic, adică liber, în serul sanguin, acesta este dializat împotriva unei soluții saline izotonice care conține diferite concentrații de zahăr. In acea solutie

Metoda de vividializă (vividifuzie) este apropiată de această metodă pentru determinarea pe durata vieții a constituenților cu greutate moleculară mică din sânge. Pentru analiză, canule de sticlă sunt introduse în capetele vasului de sânge tăiat, ale căror părți ramificate sunt interconectate prin tuburi din material semipermeabil, iar întregul sistem este plasat într-un vas umplut cu ser fiziologic sau apă. În acest fel, s-a constatat că, pe lângă glucoza liberă, există aminoacizi liberi în sânge.

Principiul vividializării compensatorii a fost folosit pentru a crea un aparat numit „rinichi artificial”. Cu ajutorul unui „rinichi artificial”, este posibilă purificarea sângelui de produse metabolice, înlocuind temporar funcția unui rinichi bolnav în cazul unor astfel de indicații precum insuficiența renală acută ca urmare a otrăvirii, arsurilor severe etc.

Ultrafiltrare-- filtrarea unei soluții coloidale printr-o membrană semi-permeabilă care trece printr-un mediu de dispersie cu impurități cu greutate moleculară mică și reține particulele fazei dispersate sau macromoleculele. Pentru a accelera procesul de ultrafiltrare, se efectuează cu o cădere de presiune pe ambele părți ale membranei: sub vid (vid) sau sub presiune ridicată. Vidul este creat prin pomparea aerului dintr-un vas situat sub filtru, tensiune arterială crescută- prin forțarea aerului într-un vas situat deasupra filtrului. Pentru a preveni ruperea membranei, aceasta este plasată pe o placă poroasă tare. Ultrafiltrarea vă permite să separați rapid electroliții și alte impurități (compuși organici cu greutate moleculară mică) dintr-o soluție coloidală decât o face dializa. În timpul ultrafiltrarii se realizează un grad ridicat de purificare a solului, diluându-l periodic pe acesta din urmă cu apă. În etapa finală, prin aspirarea mediului de dispersie, soluția coloidală poate fi concentrată. Ultrafiltrarea poate fi utilizată în combinație cu electrodializa (electroultrafiltrarea), care accelerează foarte mult îndepărtarea sărurilor din soluția coloidală.

Deoarece porii hârtiei de filtru obișnuite trec cu ușurință particulele coloidale, filtrele speciale (celofan, pergament, azbest, filtre ceramice etc.) sunt folosite ca membrane în timpul ultrafiltrării. Utilizarea unei membrane cu o anumită dimensiune a porilor face posibilă separarea particulelor coloidale în fracții după dimensiune și determinarea aproximativă a acestor dimensiuni. Așa că s-au găsit dimensiunile unor viruși și bacteriofagi. Toate acestea sugerează că ultrafiltrarea nu este doar o metodă de purificare a soluțiilor coloidale, ci poate fi utilizată în scopul analizei dispersiei și al separării preparative a sistemelor dispersate.

Unele proprietăți ale membranelor pentru dializă și ultrafiltrare

Membranele poroase semi-permeabile utilizate pentru dializă, electrodializă, ultrafiltrare și osmometrie, de regulă, nu sunt "site" inerte pur mecanice pentru particule dizolvate sau suspendate. Rolul membranelor este mult mai complicat și este determinat de o serie de proprietăți ale acestora. Deci, permeabilitatea unei membrane se poate datora nu atât prezenței porilor și capilarelor în ea, cât dizolvării substanțelor transferate prin ea în substanța membranei în sine. Un astfel de mecanism de permeabilitate se numește fază sau omogen. Acest mecanism de permeabilitate este deosebit de pronunțat în materialele fin poroase cu filtrare lent.

O altă proprietate a membranelor este capacitatea lor de a se încărca la contactul cu lichide. Sarcina membranei apare în aceleași moduri ca și sarcina oricărei suprafețe solide: fie ca urmare a disocierii substanței membranei, fie datorită adsorbției ionilor din soluție. În funcție de natura materialului, membrana poate avea o sarcină pozitivă sau negativă. Membranele încărcate negativ sunt mult mai frecvente decât cele încărcate pozitiv. Substanțele care formează membrane încărcate negativ includ celuloză, pergament, materiale ceramice și azbest. Membranele încărcate pozitiv pot fi obținute din gelatină tăbăcită, piele și hârtie special tratată. Trebuie avut în vedere că sarcina membranelor proteice depinde de pH-ul mediului: la o concentrație de ioni H + mai mare decât în ​​punctul izoelectric al proteinei, membrana este încărcată pozitiv, într-un mediu mai alcalin este încărcat negativ. Încărcarea membranelor afectează semnificativ viteza de difuzie a ionilor prin ele. Membranele încărcate pozitiv sunt foarte permeabile la anioni și ușor permeabile la cationi; și, invers, membranele cu sarcină negativă sunt mai permeabile la cationi. Prin urmare, este recomandabil să folosiți membrane materiale diferite pentru camerele catodice și anodice ale electrodializatorului: membrana catodica trebuie să fie realizată din materiale încărcate negativ, membrana anodică trebuie să fie din materiale încărcate pozitiv. În astfel de membrane, numerele de transport de ioni se modifică, deci sunt numite active electrochimic. Țesuturile organismelor vii, care sunt în esență membrane semipermeabile, au activitate electrochimică. Pe această proprietate a țesuturilor se bazează o astfel de metodă de tratament precum ionoforeza - introducerea de substanțe medicinale în corpul pacientului prin piele. Membranele care nu afectează numerele de transport ionic sunt numite inactive electrochimic. În condiții industriale, acestea sunt cele mai utilizate.

Bibliografie:

Laitinen G. A., Harris V. E. Analiză chimică. -- M.: Chimie, 1979.

Petere D., Hayes J., Khiftje G. Separarea chimică și măsurarea. Teoria și practica chimiei analitice. -- M.: Chimie, 1978. Vol. 1, 2.

Vasiliev VP Proprietățile termodinamice ale soluțiilor electrolitice. -- M.: Liceu, 1982.

Documente similare

Clasificarea sistemelor dispersate. Principalii factori de stabilitate a soluțiilor coloidale. Metode de producere a acestora (dispersie, condensare) și purificare (dializă, ultrafiltrare). Teoria micelară a structurii particulelor coloidale. Coagularea cu amestecuri de electroliți.

prezentare, adaugat 28.11.2013


Chimia coloidală ca știință care studiază proprietățile fizico-chimice ale sistemelor eterogene, foarte dispersate și ale compușilor cu molecule înalte. Producerea și metodele de purificare a soluțiilor coloidale. Utilizarea gelurilor în industria alimentară, cosmetică și medicină.

prezentare, adaugat 26.01.2015


Esența și caracteristicile definitorii ale sistemelor coloidale. Principalele proprietăți și structura soluțiilor de acest tip. Caracteristicile efectului Tyndall. Diferențele dintre hidrosoli și organosoluri. Metode de formare a sistemelor coloidale, proprietăți specifice, domeniu de aplicare.

prezentare, adaugat 22.05.2014


Metode de obținere a sistemelor coloidale; factori care afectează viteza etapelor individuale ale procesului, regulile de coagulare. Efectul stabilizator al impurităților cu molecule scăzute din soluțiile coloidale, metode de îndepărtare a acestora: dializă, electrodializă și ultrafiltrare.

prezentare, adaugat 17.09.2013


Caracteristici ale obținerii sistemelor coloidale. Analiza teoretică a proceselor de formare a sticlelor de cuarț prin metoda sol-gel. Prepararea sistemelor sol-coloidale prin metoda „hibridă”. Caracterizarea proprietăților paharelor cuantice activate de ionii de europiu.

lucrare de termen, adăugată 14.02.2010


Primele informații practice despre coloizi. Proprietățile amestecurilor eterogene. Raportul dintre suprafața unei particule coloidale și volumul unei particule coloidale. Particularitățile sistemelor dispersate. Caracteristicile soluțiilor coloidale. Clasificarea sistemelor disperse.

prezentare, adaugat 17.08.2015


Soluții coloidale (soluri), ca sisteme coloidale foarte dispersate într-un mediu de dispersie lichid sau gazos. Geluri sau jeleuri. Structura și proprietățile micelilor coloidale. Efectul Tyndall. procesul de coagulare. Parametrii de stabilitate ai soluțiilor coloidale.

prezentare, adaugat 15.09.2013


Interacțiunea straturilor duble electrice și sistemele coloidale. Ecuația Poisson-Boltzmann. Teorema contactului și presiunea osmotică. Adăugarea de sare și „aproximarea slabă a suprapunerii”. Interacțiunile Van der Waals și constanta Hamaker.

test, adaugat 09.06.2009


Obținerea sistemelor coloidale liofobe, proprietățile sale optice. Determinarea tensiunii superficiale a soluțiilor de surfactant și a tensiunii interfaciale la limita a două lichide nemiscibile prin metoda stalagmometrică. Protecția coloidală a solurilor cu soluții HMS.

rezumat, adăugat 15.02.2016


Cercetarea metodelor tehnologiei electromembrane: electrodializa si electroliza. Analiza eliberării soluțiilor coloidale din compușii cu greutate moleculară mică dizolvați în ei folosind o membrană semipermeabilă. Revizuirea morfologiei și clasificarea membranelor.

Practic, se folosesc 2 metode:

1. Metoda de dispersie - folosiți zdrobirea unui solid la particule de o dimensiune corespunzătoare coloizilor. Măcinarea se face:

• mecanic folosind mori cu bile, omogenizatoare sau dezintegratoare cu ultrasunete;
• prin intermediul metode fizice si chimice cum ar fi peptizarea, adăugarea de surfactanți.

1. metoda de condensare- Mărirea particulelor prin agregare de molecule sau ioni, până la dimensiuni corespunzătoare coloizilor. Acest lucru se poate face în următoarele moduri:

• evaporarea solventului;
• înlocuirea solventului;
• implementarea reacțiilor care au ca rezultat formarea de substanțe slab solubile sau insolubile - descompunere, hidroliză etc.

Metode de curățare a sistemelor coloidale

Soluțiile coloidale pot conține impurități care le reduc stabilitatea, drept urmare sunt purificate. Pentru aceasta se folosesc metode precum dializa, electrodializa, filtrarea si ultrafiltrarea.

Soluția coloidală se toarnă într-un vas, în partea inferioară a căruia se află o membrană și se pune într-un recipient cu apă. Doar ionii și moleculele cu impurități cu greutate moleculară mică pătrund în solvent.

Procesul de dializă este lent și se folosește un câmp electric pentru a-l accelera.

Categorii

Idei generale despre sistemele disperse

Interacțiunea chimică în reacțiile omogene are loc cu ciocniri eficiente de particule active, iar în reacțiile eterogene, la interfața dintre fazele când reactanții vin în contact, iar viteza și mecanismul reacției depind de suprafața, care este cu atât mai mare, cu atât suprafața este mai dezvoltată. Din acest punct de vedere, sistemele dispersate cu o suprafață specifică mare prezintă un interes deosebit.

Un sistem dispersat este un amestec format din cel puțin două substanțe care nu reacționează chimic între ele și au o insolubilitate reciprocă aproape completă. Sistem de dispersie - Acesta este un sistem în care particulele foarte fine ale unei substanțe sunt distribuite uniform în volumul alteia.

Având în vedere sistemele disperse, se disting două concepte: faza dispersată și mediul de dispersie (Fig. 10.1).

faza dispersata - Aceasta este o colecție de particule dintr-o substanță dispersate la dimensiuni mici, distribuite uniform în volumul unei alte substanțe. Semnele fazei dispersate sunt fragmentarea și discontinuitatea.

Mediu de dispersieeste o substanță în care particulele fazei dispersate sunt distribuite uniform. Un semn al unui mediu de dispersie este continuitatea acestuia.

Faza dispersată poate fi separată de mediul de dispersie printr-o metodă fizică (centrifugare, separare, decantare etc.).

Figura 10.1 - Sistem dispersat: particulele fazei dispersate s (sub formă de particule solide mici, cristale, picături lichide, bule de gaz, asociați de molecule sau ioni), având un strat de adsorbție d, sunt distribuite într-un mediu de dispersie continuă omogen. f.

Sistemele dispersate se clasifică în funcție de diverse trăsături distinctive: dispersia, starea de agregare a fazei dispersate și a mediului de dispersie, intensitatea interacțiunii dintre ele, absența sau formarea structurilor în sistemele dispersate.

Clasificare după gradul de dispersie

În funcție de dimensiunea particulelor fazei dispersate, toate sistemele dispersate sunt împărțite condiționat în trei grupuri (Fig. 10.2).

Figura 10.2 - Clasificarea sistemelor dispersate după dimensiunea particulelor (pentru comparație, sunt date dimensiunile particulelor în soluții adevărate)

1. Sisteme grosier dispersate , în care dimensiunea particulei este mai mare de 1 µm (10 –5 m). Acest grup de sisteme dispersate se caracterizează prin următoarele caracteristici: particulele fazei dispersate se depun (sau plutesc) în câmpul forțelor gravitaționale, nu trec prin filtre de hârtie; pot fi vizualizate cu un microscop convențional. Sistemele grosiere includ suspensii, emulsii, praf, spumă, aerosoli etc.

Suspensie - este un sistem dispers în care cei dispersațifaza este solid, iar mediul de dispersie este un lichid.

Un exemplu de suspensie poate fi un sistem format prin agitarea argilei sau cretei în apă, vopsea, pastă.

Emulsie - acesta este un sistem dispersat în care faza lichidă dispersată este distribuită uniform în volumul mediului lichid de dispersie, adică. O emulsie este formată din două lichide reciproc insolubile.

Exemplele de emulsii includ laptele (picăturile de grăsime lichidă acționează ca fază dispersată, iar apa este mediul de dispersie), smântână, maioneză, margarina, înghețată.

La decantare, suspensiile și emulsiile sunt separate (separate) în părțile lor constitutive: faza dispersată și mediul de dispersie. Deci, dacă benzenul este agitat energic cu apă, se formează o emulsie, care după un timp se împarte în două straturi: benzenul superior și apa inferioară. Pentru a preveni separarea emulsiilor, acestea sunt adăugate emulgatori- substanțe care conferă stabilitate agregatelor emulsiilor.

Spumă - un sistem celular grosier dispersat în care faza dispersată este un set de bule de gaz (sau vapori), iar mediul de dispersie este un lichid.

În spume, volumul total al gazului din bule poate fi de sute de ori mai mare decât volumul mediului de dispersie lichid conținut în straturile intermediare dintre bulele de gaz.

2. Microeterogene (saufin dispersate ) sisteme intermediare în care dimensiunea particulelor variază de la 10 – 5 –10 –7 m. Acestea includ suspensii fine, fumuri, solide poroase.

3. Ultramicroeterogene (saucoloid-dispersat ) sisteme în care particule cu o dimensiune de 1-100 nm (10–9 –10 –7 m) constau din 10 3_ 10 9 atomi și sunt separate de solvent printr-o interfață. Soluțiile coloidale sunt caracterizate printr-o stare limitativă foarte dispersă, de obicei sunt numite cenușă, sau adesea liosolurilepentru a sublinia că mediul de dispersie este un lichid. Dacă apa este luată ca mediu de dispersie, atunci se numesc astfel de solurihidrosoli, iar dacă lichidul organic -organosolurile.

Pentru majoritatea sistemelor fin dispersate, anumite caracteristici sunt inerente:

rata de difuzie scăzută;

particulele din faza dispersată (adică particulele coloidale) pot fi examinate numai folosind un ultramicroscop sau un microscop electronic;

împrăștierea luminii prin particule coloidale, ca urmare a căreia acestea iau forma unor puncte de lumină într-un ultramicroscop - efectul Tyndall (Fig. 10.3);

Figura 10.3 - Sistem ultramicroeterogen (fin dispersat): a) soluţie coloidală; b) schema de deviere a unui fascicul îngust de lumină la trecerea printr-o soluție coloidală; c) împrăștierea luminii printr-o soluție coloidală (efectul Tyndall)

• pe interfața de fază în prezența stabilizatorilor (ioni de electroliți), se formează un strat ionic sau o înveliș de solvație, care contribuie la existența particulelor în formă suspendată;
• faza dispersată este fie complet insolubilă, fie ușor solubilă în mediul de dispersie.

Exemple de particule coloidale includ amidon, proteine, polimeri, cauciuc, săpunuri, hidroxizi de aluminiu și ferum (III).

Clasificarea sistemelor dispersate în funcție de raportul dintre stările agregate ale fazei dispersate și mediul de dispersie

Această clasificare a fost propusă de Ostavld (Tabelul 10.1). Când se înregistrează schematic starea agregată a sistemelor dispersate, starea agregată a fazei dispersate este mai întâi indicată prin literele G (gaz), F (lichid) sau T (solid), apoi se scrie o liniuță (sau un semn de fracție). iar starea agregată a mediului de dispersie se scrie.

Tabelul 10.1 - Clasificarea sistemelor dispersate

Clasificarea sistemelor dispersate în funcție de intensitatea interacțiunii moleculare

Această clasificare a fost propusă de G. Freindlich și este utilizată exclusiv pentru sistemele cu mediu de dispersie lichid.

1. Sisteme liofile , în care faza dispersată interacționează cu mediul de dispersie și, în anumite condiții, este capabilă să se dizolve în acesta - acestea sunt soluții de surfactanți coloidali (surfactanți), soluții de compuși macromoleculari (HMC). Dintre diferitele sisteme liofile, cele mai importante din punct de vedere practic sunt surfactanții, care pot fi atât în ​​stare dizolvată molecular, cât și sub formă de agregate (micele) formate din zeci, sute sau mai multe molecule.
2. Sisteme liofobe , în care faza dispersată nu este capabilă să interacționeze cu mediul de dispersie și să se dizolve în acesta. În sistemele liofobe, interacțiunea dintre moleculele de diferite faze este mult mai slabă decât în ​​cazul sistemelor liofile; Tensiunea de suprafață interfacială este ridicată, drept urmare sistemul tinde la îngroșarea spontană a particulelor fazei dispersate.

Clasificarea sistemelor dispersate după starea fizică

Autorul clasificării este P. Rebinder. Conform acestei clasificări, un sistem dispers este notat cu o fracție, în care faza dispersată este plasată la numărător, iar mediul de dispersie este la numitor. De exemplu: T 1 /W 2 desemnează un sistem dispersat cu o fază solidă (indice 1) și un mediu de dispersie lichid (indice 2). Clasificarea Rehbinder împarte sistemele disperse în două clase:

1. Sisteme liber dispersate – solurile în care faza dispersată nu formează structuri rigide continue (grile, ferme sau rame), are fluiditate, iar particulele fazei dispersate nu intră în contact între ele, participând la mișcare termică aleatorie și mișcându-se liber sub acțiunea gravitației . Acestea includ aerosoli, liosoluri, suspensii diluate și emulsii.

Exemple de sisteme liber-disperse:

• Sisteme dispersate în gaze cu dispersie coloidală (T 1 /G 2 - praf în straturile superioare ale atmosferei, aerosoli), cu dispersie grosieră (T 1 /G 2 - fum și Zh 1 /G 2 - ceață);
• Sisteme dispersate în lichide cu dispersie coloidală (T 1 /L 2 - liosoluri, coloranți dispersați în apă, latexuri de polimeri sintetici), cu dispersie grosieră (T 1 /L 2 - suspensii; L 1 /L 2 - emulsii lichide; G 1 / Zh 2 - emulsii gazoase);
• Sisteme dispersate în solide: T 1 /T 2 - soluri solide, de exemplu, sol de metal galben în sticlă, fibre pigmentate, polimeri umpluți.

2. Sisteme coeziv-disperse (sau continue). . În sistemele continue (dispersate coerent), particulele fazei dispersate formează structuri spațiale rigide. Astfel de sisteme rezistă la deformarea prin forfecare. Sistemele dispersate în coeziune sunt solide; ele apar atunci când particulele fazei dispersate vin în contact, ducând la formarea unei structuri sub formă de schelet sau rețea, care limitează fluiditatea sistemului dispersat și îi conferă capacitatea de a-și păstra forma. Astfel de sisteme coloidale structurate se numesc geluri.

Exemple de sisteme disperse conectate:

• Sisteme dispersate cu o interfață lichidă (G 1 / Zh 2 - spumă; Zh1 / Zh 2 - emulsii spumoase);
• Sisteme dispersate cu interfață în fază solidă (G 1 /T 2 - corpuri poroase, fibre naturale, piatră ponce, burete, cărbune; W 1 /T 2 - umiditate în granit; T 1 /T 2 - rețele de polimeri care se întrepătrund).

Prepararea și purificarea soluțiilor coloidale

Obținerea soluțiilor coloidale

Se pot obține soluții coloidaledispersiv sau la condensare metode.

1. Metode de dispersie- sunt metode de obţinere a solurilor liofobe prin zdrobirea bucăţilor mari la agregate de dimensiuni coloidale.

mecanic zdrobirea sistemelor grosiere dispersate se realizează prin: zdrobire, lovire, abraziune, despicare. Măcinarea particulelor la dimensiuni de câteva zeci de microni se realizează folosind mori cu bile.Concasare foarte fină (până la 0,1-1 microni) se realizează pe specialmori coloidalecu un spațiu îngust între un rotor care se rotește rapid (10-20 mii rpm) și un corp fix, iar particulele sunt rupte sau abrazive în spațiu.Lucrările lui P. A. Rebinder au stabilit fenomenul de scădere a rezistenței solidelor la deformații elastice și plastice, precum și distrugerea mecanică sub influența adsorbției agenților tensioactivi. Agenții tensioactivi facilitează dispersia și contribuie la o creștere semnificativă a gradului de dispersie.

2. Metode de condensare- sunt metode de obținere a soluțiilor coloidale prin combinarea (condensarea) moleculelor și ionilor în agregate de dimensiuni coloidale. Sistemul se transformă din omogen în eterogen, adică apare o nouă fază (fază dispersată). Condiția prealabilă este suprasaturare sistem original.

Metodele de condensare sunt clasificate în funcție de natura forțelor care provoacă condensarea în condensare fizică și condensare chimică.

condensare fizică se poate realiza din vapori sau prin schimbarea solventului.

condensarea vaporilor. Materialul de pornire este în perechi. Pe măsură ce temperatura scade, vaporii devin suprasaturați și se condensează parțial, formând o fază dispersată. În acest fel se obțin hidrosoli de mercur și alte metale.

Metoda de înlocuire a solventului. Metoda se bazează pe modificarea compoziției și proprietăților mediului de dispersie. De exemplu, o soluție de alcool de sulf, fosfor sau colofoniu este turnată în apă, datorită scăderii solubilității substanței în noul solvent, soluția devine suprasaturată și o parte din substanță se condensează, formând particule din faza dispersată.

Condens chimic constă în faptul că substanţa care formează faza dispersată se obţine în urma unei reacţii chimice. Pentru ca reacția să formeze o soluție coloidală și nu o soluție sau un precipitat adevărat, trebuie îndeplinite cel puțin trei condiții:

1. substanța fazei dispersate este insolubilă în mediul de dispersie;
2. rata de formare a nucleelor ​​de cristale din faza dispersată este mult mai mare decât rata de creștere a cristalelor; această condiție este de obicei îndeplinită atunci când o soluție concentrată a unui component este turnată într-o soluție foarte diluată a unei alte componente cu agitare puternică;
3. una dintre materiile prime este luată în exces, acesta este stabilizatorul.

Metode de purificare a soluțiilor coloidale.

Soluțiile coloidale obținute într-un fel sau altul sunt de obicei purificate din impurități cu molecul scăzut (molecule și ioni). Îndepărtarea acestor impurități se realizează prin metode de dializă, (electrodializă), ultrafiltrare.

Dializă– metoda de curățare folosind o membrană semipermeabilă care separă soluția coloidală de un mediu pur de dispersie. Ca semipermeabil (adică, permeabil la molecule și ioni, dar impermeabil la particulele fazei dispersate) sunt utilizate membrane, pergament, celofan, colodion, filtre ceramice și alte materiale fin poroase. Ca rezultat al difuziei, impuritățile cu molecularitate scăzută trec în soluția externă.

Ultrafiltrare numită dializă, efectuată sub presiune în camera interioară. În esență, ultrafiltrarea nu este o metodă de purificare a solurilor, ci doar o metodă de concentrare a acestora.

Proprietățile optice ale soluțiilor coloidale

Când lumina cade pe un sistem dispers, se pot observa următoarele fenomene:

• trecerea luminii prin sistem;
• refracția luminii de către particulele fazei dispersate (dacă aceste particule sunt transparente);
• reflectarea luminii de către particulele fazei dispersate (dacă particulele sunt opace);
• împrăștierea luminii;
• absorbtie ( absorbţia) luminii de către faza dispersată.

difuzia luminii observat pentru sistemele în care particulele fazei dispersate sunt mai mici sau proporționale cu lungimea de undă a luminii incidente. Amintiți-vă că dimensiunea particulelor fazei dispersate în soluții coloidale este 10 -7 -10 -9 m. În consecință, împrăștierea luminii este un fenomen caracteristic sistemelor coloidale pe care le studiem.

Rayleigh a creat teoria împrăștierii luminii. El a derivat o ecuație care leagă intensitatea luminii împrăștiate I cu intensitatea luminii incidente I 0 . corect, cu condiția ca:

• particulele sunt sferice;
• particulele nu conduc electricitate(adică sunt nemetalice);
• particulele nu absorb lumina, adică sunt incolore;
• soluția coloidală este diluată în așa măsură încât distanța dintre particule este mai mare decât lungimea de undă a luminii incidente.

Ecuația Rayleigh:

• Unde V este volumul unei particule,
• λ - lungimea de undă;
• n 1 este indicele de refracție al particulei;
• n o este indicele de refracție al mediului.

Următoarele concluzii rezultă din ecuația Rayleigh:

1. Intensitatea luminii împrăștiate este cu atât mai mare, cu atât indicii de refracție ai particulei și ai mediului diferă mai mult (n 1 - P 0 ).
2. Dacă indicii de refracţie P 1 și n 0 sunt aceleași, atunci împrăștierea luminii va fi absentă într-un mediu neomogen.
3. Intensitatea luminii împrăștiate este cu atât mai mare, cu atât concentrația parțială v. Concentrarea în masă c, g / dm 3, care este de obicei utilizat la prepararea soluțiilor, este asociat cu o concentrație parțială prin expresia:

unde ρ este densitatea particulelor.

Trebuie remarcat faptul că această dependență este păstrată numai în regiunea particulelor de dimensiuni mici. Pentru partea vizibilă a spectrului, această condiție corespunde valorilor 2 10 -6 cm< r < 4 10 -6 см. С увеличением r рост eu încetinește, iar pentru r > λ, împrăștierea este înlocuită de reflexie. Intensitatea luminii împrăștiate este direct proporțională cu concentrația.

4. Intensitatea luminii împrăștiate este invers proporțională cu lungimea de undă cu a patra putere.

Aceasta înseamnă că atunci când un fascicul de lumină albă trece printr-o soluție coloidală, undele scurte - părțile albastre și violete ale spectrului - sunt împrăștiate predominant. Prin urmare, un sol incolor are o culoare albăstruie în lumina împrăștiată și o culoare roșiatică în lumina transmisă. Culoarea albastră a cerului se datorează și împrăștierii luminii de micile picături de apă din atmosferă. Culoarea portocalie sau roșie a cerului la răsărit sau apus se datorează faptului că dimineața sau seara există în principal lumină care a trecut prin atmosferă.

absorbția luminii. Ecuația Rayleigh a fost derivată pentru solurile necolorate, adică, care nu absorb lumina. Cu toate acestea, multe soluții coloidale au o anumită culoare, adică. absorb lumina în regiunea corespunzătoare a spectrului - solul este întotdeauna colorat într-o culoare complementară celei absorbite. Deci, absorbind partea albastră a spectrului (435-480 nm), solul devine galben; la absorbția părții verzi-albăstrui (490-500 nm), capătă o culoare roșie.Dacă razele întregului spectru vizibil trec printr-un corp transparent sau sunt reflectate de un corp opac, atunci corpul transparent apare incolor, iar corpul opac apare alb. Dacă un corp absoarbe radiații din întregul spectru vizibil, acesta pare negru.Proprietățile optice ale soluțiilor coloidale capabile să absoarbă lumina pot fi caracterizate prin modificarea intensității luminii pe măsură ce aceasta trece prin sistem. Pentru a face acest lucru, utilizați legea Bouguer-Lambert-Beer:

unde eu 0 este intensitatea luminii incidente ; eu etc este intensitatea luminii transmise prin sol; k - coeficient de absorbție; l- grosimea stratului de sol; cu- concentratia solului.

Dacă luăm logaritmul expresiei, obținem:

Valoarea este numită densitate optica soluţie . Când se lucrează cu lumină monocromatică, ele indică întotdeauna la ce lungime de undă a fost determinată densitatea optică, indicând-o D λ .

Teoria micelară a structurii sistemelor coloidale

Să luăm în considerare structura unei particule coloidale hidrofobe folosind exemplul formării unui sol AgI prin reacția de schimb

AgNO 3 + KI → AgI + KNO 3.

Dacă substanțele sunt luate în cantități echivalente, atunci precipită un precipitat cristalin de AgI. Dar, dacă una dintre substanțele inițiale este în exces, de exemplu, KI, procesul de cristalizare AgI duce la formarea unei soluții coloidale - micelii AgI.

Diagrama structurii micelilor de hidrosol AgI este prezentată în Fig. 10.4.

Figura 10.4 - Schema unei micele de hidrosol AgI formată cu un exces de KI

Un agregat de molecule [mAgI] de 100-1000 (microcristale) - miezul, este embrionul unei noi faze, pe suprafața căreia are loc adsorbția ionilor de electroliți în mediul de dispersie. Conform regulii Panet-Fajans, ionii sunt mai bine adsorbiți, la fel ca și ionii care intră în rețeaua cristalină a nucleului și completează această rețea. Ionii care se adsorb direct la nucleu se numesc potenţial-determinant, deoarece determină mărimea potențialului și semnul sarcinii de suprafață, precum și semnul sarcinii întregii particule. Ionii potențiali determinanți în acest sistem sunt ionii I, care sunt în exces, fac parte din rețeaua cristalină a miezului AgI, acționează ca stabilizatori și formează învelișul interior în partea tare a stratului dublu electric (EDL) al micela. Agregatul cu ioni adsorbiți I - formează miezul unei micele.

Pe suprafața încărcată negativ a particulelor AgI la o distanță apropiată de raza unui ion hidratat, ionii de semn opus (contraionii) - ioni K + încărcați pozitiv - sunt atrași din soluție. Stratul de contraioni - învelișul exterior al stratului dublu electric (EDL), este ținut atât de forțele electrostatice, cât și de forțele de atracție de adsorbție. Un agregat de molecule împreună cu un strat dublu solid se numește o particulă coloidală - o granulă.

O parte din contraionii datorate mișcării termice se află difuz în jurul granulei și sunt asociate cu aceasta numai datorită forțelor electrostatice. Particulele coloidale, împreună cu stratul difuz care îl înconjoară, se numesc micelii. O micelă este neutră din punct de vedere electric, deoarece sarcina nucleului este egală cu sarcina tuturor contraionilor, iar granula are de obicei o sarcină, care se numește electrocinetică sau potențial ξ - zeta. Într-o formă prescurtată, schema structurii micelare pentru acest exemplu poate fi scrisă după cum urmează:

Una dintre principalele prevederi ale teoriei structurii particulelor coloidale este conceptul de structură a unui strat dublu electric (EDL). Conform ideilor moderne, dublu strat electric DELconstă din straturi de adsorbție și difuzie. Stratul de adsorbție este format din:

• suprafața încărcată a miezului micelului ca urmare a adsorbției ionilor care determină potențialul pe acesta, care determină mărimea potențialului de suprafață și semnul acestuia;
• un strat de ioni de semn opus - contraioni, care sunt atrași de la soluție la suprafața încărcată. Stratul de adsorbție al contraionilor situat la o distanță de o rază moleculară de suprafața încărcată. Între această suprafață și contraionii stratului de adsorbție există atât forțe electrostatice, cât și de adsorbție și, prin urmare, acești contraioni sunt legați în mod deosebit de puternic de miez. Stratul de adsorbție este foarte dens, grosimea lui este constantă și nu depinde de modificările condițiilor externe (concentrația electroliților, temperatura).

Datorită mișcării termice, o parte din contraionii pătrund adânc în mediul de dispersie, iar atracția lor către suprafața încărcată a granulei se realizează numai datorită forțelor electrostatice. Acești contraioni formează stratul difuz, care este mai puțin puternic legat de suprafață. Stratul difuz are o grosime variabilă, care depinde de concentrația de electroliți din mediul de dispersie.

Când fazele solide și lichide se mișcă una față de cealaltă, apare o rupere DEL în partea difuză și un potențial salt la interfața de fază, care se numește electrocinetic ξ - potenţial(zeta - potențial). Valoarea sa este determinată de diferența dintre numărul total de sarcini (φ) ale ionilor determinanți de potențial și numărul de sarcini contraionului (ε) conținute în stratul de adsorbție, adică. ξ = φ - ε. Scăderea potențialului interfacial cu distanța față de faza solidă adânc în soluție este prezentată în Fig. 10.5.

Figura 10.5 Structura DPP

Prezența unei diferențe de potențial în jurul particulelor unui sol hidrofob le împiedică să se lipească împreună în timpul unei coliziuni, adică sunt un factor în stabilitatea agregată a solului. Dacă numărul de ioni difuzi scade sau tinde spre zero, atunci granula devine neutră din punct de vedere electric (stare izoelectrică) și are cea mai mică stabilitate.

Astfel, mărimea potențialului electrocinetic determină forțele de repulsie și, prin urmare, stabilitatea agregată a soluției coloidale. Se asigură o stabilitate suficientă a soluției coloidale la valoarea potențialului electrocinetic ξ = 0,07V, la valori mai mici de ξ = 0,03V, forțele de respingere sunt prea slabe pentru a rezista agregării și, prin urmare, are loc coagularea, care se termină inevitabil cu sedimentare.

Mărimea potențialului electrocinetic poate fi determinată folosind un dispozitiv de electroforeză folosind formula (10.5):

unde η este vâscozitatea; ϑ - viteza de mișcare a particulelor; l este distanța dintre electrozi de-a lungul soluției; E - forța electromotoare, D - constanta dielectrică.

Factori care afectează ξ - potențial:

1. Prezența în soluție a unui electrolit indiferent - un electrolit care nu conține un ion care determină potențialul.

• Electrolitul indiferent conține un contraion. În acest caz, stratul de difuzie este comprimat și ξ cade și, în consecință, are loc coagularea.
• Un electrolit indiferent conține un ion de același semn ca un contraion, dar nu și contraionul în sine. În acest caz, are loc schimbul de ioni: contraionul este înlocuit cu ioni ai unui electrolit indiferent. Se observă o scădere a lui ξ, dar gradul de scădere va depinde de natura ionului substituent, de valența acestuia și de gradul de hidratare. Serii liotropice de cationi și anioni - serii în care ionii sunt aranjați în funcție de capacitatea lor de a comprima stratul difuz și de a provoca o scădere a potențialului ξ.

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. Adăugarea soluției electrolit stabilizator- un electrolit care conține un ion determinat de potențial determină o creștere a potențialului ξ, și deci contribuie la stabilitatea sistemului coloidal, dar până la o anumită limită.

Stabilitatea și coagularea sistemelor coloidale

Teoria modernă a stabilității și coagulării sistemelor coloidale a fost creată de câțiva oameni de știință cunoscuți: Deryagina, Landau, Verwey, Overbeck și, prin urmare, este prescurtată ca Teoria DLVO . Conform acestei teorii, stabilitatea unui sistem dispers este determinată de echilibrul forțelor de atractivitate și de respingere care apar între particule pe măsură ce se apropie una de cealaltă ca urmare a mișcării browniene. Există stabilitate cinetică și agregată a sistemelor coloidale.

1. Stabilitate cinetică (sedimentare).- capacitatea particulelor dispersate de a fi în suspensie și de a nu se depune (nu sedimente). În sistemele dispersate, ca și în soluțiile naturale, există mișcare browniană. Mișcarea browniană depinde de dimensiunea particulelor, de vâscozitatea mediului de dispersie, de temperatură etc. Sistemele fin dispersate (solurile), ale căror particule practic nu se depun sub acțiunea gravitației, sunt stabile din punct de vedere cinetic (sedimentării). Acestea includ, de asemenea, soluții hidrofile - soluții de polimeri, proteine ​​etc. Solurile hidrofobe, sistemele grosiere (suspensii, emulsii) sunt instabili cinetic. În ele, separarea fazei și a mediului are loc destul de repede.
2. Stabilitatea agregată- capacitatea particulelor din faza dispersată de a menține neschimbat un anumit grad de dispersie. În sistemele stabile la agregate, particulele din faza dispersată nu se lipesc între ele în timpul coliziunilor și nu formează agregate. Dar dacă stabilitatea agregatului este încălcată, particulele coloidale formează agregate mari, urmate de precipitarea fazei dispersate. Un astfel de proces se numește coagulare, și se desfășoară spontan, deoarece energia liberă a sistemului scade (Δ G<0) .

Factorii care afectează stabilitatea sistemelor coloidale includ:

1. Prezența unei sarcini electrice a particulelor dispersate. Particulele dispersate de soluri liofobe au aceeași sarcină și, prin urmare, la ciocnire, se vor respinge unele pe altele cu cât mai puternice, cu atât potențialul zeta este mai mare. Cu toate acestea, factorul electric nu este întotdeauna decisiv.
2. Capacitatea de a solvata (hidrata) ionii stabilizatori. Cu cât contraionii sunt mai hidratați (solvatați) în stratul difuz, cu atât învelișul total hidratat (solvat) din jurul granulelor este mai mare și cu atât sistemul dispersat este mai stabil.

Conform teoriei, în timpul mișcării browniene, particulele coloidale se apropie liber unele de altele la o distanță de până la 10 -5 a se vedea. Natura modificării forțelor de atracție van der Waals (1) și forțelor de repulsie electrostatică (2) între particulele coloidale este prezentată în fig. 10.6. Curba rezultată (3) a fost obţinută prin adăugarea geometrică a ordonatelor corespunzătoare. La distanțe minime și mari, energia de atracție predomină între particule (minime energetice I și II). În al doilea minim energetic, energia de coeziune a particulelor este insuficientă pentru a le menține într-o stare agregată. La distante medii corespunzatoare grosimii stratului dublu electric, energia respingatoare predomina cu o bariera de potential AB care impiedica lipirea particulelor. Practica arată că la un potențial zeta ξ = 70 mV, sistemele coloidale sunt caracterizate printr-o barieră de potențial ridicat și stabilitate agregativă ridicată. Pentru a destabiliza sistemul coloidal, i.e. implementarea procesului de coagulare, este necesar să se reducă -potential pana la valori 0 - 3 mV.

Figura 10.6. Curbe potențiale de interacțiune a particulelor coloidale

Coagularea sistemelor dispersate

Coagularea - procesul de aderență a particulelor coloidale. Acest proces se desfășoară relativ ușor sub influența unei varietăți de factori: introducerea de electroliți, non-electroliți, înghețare, fierbere, amestecare, expunere la lumina soarelui etc. În acest proces coagularea electrolitică (sub influența electroliților) Adsorbția schimbătoare de ioni se observă adesea: ionii coagulanți cu o valență mai mare sau cu un potențial de adsorbție mai mare deplasează contraionii mai întâi ai stratului difuz și apoi ai stratului de adsorbție. Schimbul are loc într-o cantitate echivalentă, dar înlocuirea contraionilor duce la faptul că, la o concentrație suficientă de electroliți într-un mediu dispersat, particulele își pierd stabilitatea și se lipesc împreună la ciocnire.

Au fost stabilite o serie de reguli generale experimentale pentru coagularea electrolitică:

1. Coagularea solurilor liofobe este cauzată de orice electroliți, dar se observă într-un ritm vizibil atunci când se atinge o anumită concentrație de electroliți. Pragul de coagulare(C to) este concentrația minimă de electrolit necesară pentru a începe coagularea solului. În acest caz, se observă modificări externe, cum ar fi tulbureala soluției, o schimbare a culorii acesteia etc.

• unde Sal este concentrația molară a electrolitului, mmol/l;
• Vel - volumul soluției de electrolit, l;
• Vz este volumul solului, l.

Reciproca pragului de coagulare se numește capacitatea de coagulare () a electrolitului:

unde Ck este pragul de coagulare.

2. regula Schultz-Hurdy:

• efectul de coagulare este manifestat de acel ion, a cărui sarcină este opusă în semn de sarcină a suprafeței particulelor coloidale (sarcina granulei), iar acest efect crește odată cu creșterea valenței ionului;
• efectul de coagulare al ionilor crește de multe ori odată cu creșterea valenței ionilor. Pentru ionii unu - doi și trivalenți, efectul de coagulare este aproximativ legat de 1: 50: 500.

Acest lucru se explică prin faptul că ionii multivalenți foarte încărcați ai coagulanților sunt mult mai puternici atrași de suprafața încărcată a unei particule coloidale decât cei monovalenti și mult mai ușor de înlocuit contraionii din stratul difuz și chiar de adsorbție.

3. Efectul de coagulare al ionilor organici este mult mai mare decât cel al celor anorganici. Acest lucru se datorează capacității lor mari de adsorbție, capacității de a fi adsorbite într-o cantitate superechivalentă și, de asemenea, de a provoca reîncărcarea suprafeței particulelor coloidale.

4. Într-un număr de ioni anorganici cu aceleași sarcini, capacitatea de coagulare depinde de raza ionului - coagulant: cu cât raza este mai mare, cu atât capacitatea de coagulare este mai mare (vezi. serie liotropă). Acest lucru se explică prin faptul că gradul de hidratare ionică scade, de exemplu, de la L + la Cs + , iar acest lucru facilitează încorporarea acestuia în stratul ionic dublu.

5. Particulele neutre din punct de vedere electric de soluri coloidale liofobe se coagulează cu cea mai mare viteză.

6. Fenomenul dependenței de sol. Dacă un coagulant este adăugat rapid la sol, atunci are loc coagularea, dacă încet, nu există coagulare. Acest lucru poate fi explicat prin faptul că are loc o reacție între electrolit și sol, în urma căreia se formează peptizatori care stabilizează sistemul dispersat:

Fe (OH) 3 + HCl → FeOCl + 2H 2 O,

FeOCl → FeO + + Cl - ,

unde FeO + este un peptizer pentru Fe (OH) 3 sol.

Efectul de coagulare al unui amestec de electroliți se manifestă diferit în funcție de natura ionului - coagulator. Într-un amestec de electroliți, acțiunea poate fi adăugată la acțiunea de coagulare a fiecărui electrolit. Acest fenomen se numește aditivitatea ioni (NaCl, KCl). Dacă efectul de coagulare al ionilor electroliți scade odată cu introducerea ionilor altui electrolit, antagonismul ionilor (LiCl, MgCl2 ). În cazul în care efectul de coagulare al ionilor electroliți crește odată cu introducerea ionilor unui alt electrolit, acest fenomen se numește sinergie ionii.

Introducerea, de exemplu, a 10 ml de soluție de NaCl 10% în 10 ml de Fe (OH) 3 sol conduce la coagularea acestui sol. Dar acest lucru poate fi evitat dacă în soluția de sol se adaugă una dintre substanțele protectoare: 5 ml gelatină, 15 ml albumină de ou, 20 ml dextrină.

Protecția particulelor coloidale

Protecție coloidală- creşterea stabilităţii agregate a solului prin introducerea unui compus macromolecular (HMC) în acesta. Pentru solurile hidrofobe, proteinele, carbohidrații, pectinele sunt de obicei folosite ca DIU; pentru solurile neapoase - cauciucuri.

Efectul protector al DIU este asociat cu formarea unui anumit strat de adsorbție pe suprafața particulelor coloidale (Figura 10.7). Reversul coagulării se numește peptizare.

Figura 10.7 Mecanismul de peptizare

Pentru a caracteriza efectul protector al diferitelor forțe navale, Zsigmondy a propus utilizarea numărului de aur.număr de aureste numărul de miligrame de DIU care trebuie adăugat la 10 cm 3 0,0006% sol de aur roșu pentru a preveni transformarea în albastru (coagulare) atunci când i se adaugă 1 cm 3 Soluție NaCl 10%. Uneori, în locul solului de aur, pentru a caracteriza efectul protector al DIU se folosesc soluții coloidale de argint (cifra de argint), hidroxid de fier (cifra de fier) ​​etc.Tabelul 10.2 arată semnificația acestor numere pentru unele DIU.

Tabelul 10.2 Acțiunea protectoare a DIU

După obținerea soluțiilor coloidale, acestea sunt aproape întotdeauna contaminate cu impurități - un exces de electrolit sau stabilizator original. Pentru a obține soluții coloidale stabile capabile de depozitare pe termen lung, vaccinuri și seruri adecvate pentru uz medical, acestea sunt purificate. Pentru aceasta se folosesc filtrarea, dializa, electrodializa si ultrafiltrarea.

Filtrare prin filtre de hârtie - aceasta este o purificare de impurități grosiere.

Dializă- acesta este procesul de curățare a solului de impuritățile cu greutate moleculară mică care trec ușor printr-o membrană semipermeabilă într-un solvent pur, în timp ce particulele coloidale mai mari nu trec și rămân în punga de dializă (Fig. 2.3a). Membranele sunt naturale și artificiale - din celofan, vezică de bovină sau de pește, colodion etc. Procesul de dializă este lung, deci este accelerat, se utilizează electrodializa.

Electrodializa- dializa folosind curent electric, care creează o mișcare direcționată a ionilor cu greutate moleculară mică printr-o membrană semipermeabilă, care accelerează purificarea din electroliți și impurități cu greutate moleculară mică (Fig. 2.3b).

Ultrafiltrare(separarea fazei dispersate de mediu) este filtrarea printr-o membrană semipermeabilă sub presiune sau cu ajutorul vidului, în urma căreia se creează o diferență de presiune pe ambele părți ale membranei, care accelerează dializa. Ultrafiltrarea și electrodializa sunt utilizate în aparatul „rinichi artificial”. În organism, conform principiului ultrafiltrației în nefronii renali, există o purificare constantă a sângelui din produsele metabolice cu molecul scăzut (amoniac, fosfați, cloruri, xenobiotice).

Orez. 2.3 Purificarea soluțiilor coloidale

1 - solvent (apa)

2 - soluție coloidală

3 - membrana

A. Dializa b. Electrodializa 4 - electrozi

2.4. Structura particulelor coloidale este miceliile.

Particulele individuale de soluții coloidale sunt numite micelii. Micelele au o structură complexă. Teoria micelară se bazează pe prezența unui dublu strat electric în micelii. Poate forma:

– fie datorită adsorbției selective a ionilor la suprafață;

– sau ca urmare a ionizării moleculelor în fază solidă.

Să considerăm formarea micelilor într-o soluție coloidală de iodură de argint obținută prin metoda condensării chimice în funcție de reacția de schimb: AgNO 3 + KJ = AgJ↓ + KNO 3

În funcție de raportul dintre substanțele inițiale, pot exista trei cazuri:

A) cu un raport echivalent reactivi, nu se poate forma o soluție coloidală, stabilizarea sistemului are loc datorită scăderii suprafeței, adică. Creșterea și precipitarea cristalelor AgJ.

b) luați în considerare formarea unei micele cu un usor exces de KJ. În acest caz, scăderea energiei de suprafață se poate datora adsorbției ionilor din soluție. Conform regulii Panet-Fajans, din soluția de electrolit de pe suprafața microcristalelor, ionul care face parte din solid și este capabil să-și completeze rețeaua cristalină este adsorbit. În cazul nostru, soluția conține ioni K + și J -. Terminarea rețelei cristaline a agregatului se datorează ionilor J-, care fac parte din cristal. Ionii de iodură în cantitate de „n” sunt adsorbiți pe suprafața microcristalelor (agregatul micelelor), iar suprafața capătă o sarcină negativă: m nJ -, de aceea se numesc formatoare de potenţial. Format miez micelii. Particulele rămase sunt atrase la suprafața nucleului din soluție. contraionii potasiu, K + (dar nu toate, ci în cantitate de "n - x").

Ionii formatori de potențial J - și contraionii asociați K + se formează în jurul nucleului strat dens de adsorbție. Are o taxă. Potențialul său se numește potențial zeta. Unitatea cu stratul de adsorbție este granule: ( m nJ - (n-x) K + ) x-

Deoarece există mai mulți ioni care formează potențial în stratul de adsorbție decât contraioni, granula are o sarcină care coincide în semn cu sarcina ionilor care formează potențialul.

Stratul de adsorbție al granulei nu include toți contraionii K +, ci doar o parte, (n-x), iar contraionii K + (x) rămași sunt mai departe - într-un strat difuz liber. De ce? Counterions experimentează acțiunea a două forțe opuse:

1. atracție față de suprafața încărcată a nucleului;

2. miscare termica, cautand sa le distribuie uniform in volum.

Prin urmare, densitatea stratului de contraion scade cu distanța de la suprafața încărcată a granulei.

dublu strat electric, DES

{ m nJ - (n-x) K + } x- xK + ∙ l H2O

contraionii potențiali de bază se slăbesc hidratați

formând o înveliș difuză

Stratul de ioni

strat dens de adsorbție

Se formează o granulă cu un strat difuz micela. Micela este neutră din punct de vedere electric. În funcție de concentrațiile inițiale de soluții, condiții și alți factori, numerele m, n și x pot varia. În exterior, micela este înconjurată de o coajă hidratată. Excesul de KJ a fost adsorbit pe suprafața microcristalelor de iodură de argint insolubilă și s-a format dublu strat electric (DES). Acest strat protector previne creșterea și precipitarea cristalelor. Prin urmare, un exces de electrolit, din care se formează un strat dublu electric, este un stabilizator.

c) dacă există un exces ușor de alt electrolit, AgNO 3 , atunci compoziția micelului coloidal va fi diferită. Agregatul va fi încă compus din molecule de iodură de argint, AgJ. Dar după formarea de cristale mici ale precipitatului AgJ - nuclee, în soluție au rămas doar ionii Ag + și NO 3 -. Conform regulii Panet-Fajans, doar ionii Ag + pot fi adsorbiți la suprafață, completându-și rețeaua cristalină.

Ag + - ioni formatori de potențial. Se formează un nucleu - mnAg + . Aceasta înseamnă că ionii NO 3 - vor fi contraioni. Împreună cu ionii Ag+, formează un strat de adsorbție și, împreună cu un agregat, formează o granulă încărcată pozitiv:

(m nAg + (n-x) NO3-) x +

Restul x ionii NO 3 - sunt incluși în stratul difuz al micelilor. Sunt solvatate

( m nAg + (n-x) NO 3 - ) x + xNO 3 - 1 H 2 O

Fig. 2.4 Schema structurii unei micele coloidale a unui sol de iodură de argint

a) obținut cu un exces de KJ

b) obținut cu un exces de AgNO3

2.5. Fenomene electrocinetice în soluri - electroforeză și electroosmoză

Deși micela nu este încărcată, dar dacă este plasată într-un câmp electric, atunci ionii stratului difuz liber se vor rupe și se vor muta la electrodul cu semnul opus, iar granula încărcată la celălalt electrod.

Se numește mișcarea unei faze solide dispersate în raport cu un mediu de dispersie staționar într-un câmp electric electroforeză.

Astfel, în timpul electroforezei unui sol de iodură de argint stabilizat cu KJ, cationii stratului difuz liber se desprind și migrează către catod („electrodul –”), iar granula încărcată negativ se deplasează la anod (electrodul „+”).

Se numește mișcarea unui mediu lichid față de o fază solidă dispersată sub acțiunea unui câmp electric electroosmoza. Pentru prima dată aceste fenomene au fost observate în 1808 de către F.F. Zbor.

Aceste fenomene electrocinetice nu ar putea fi observate dacă nu ar exista un strat dublu electric în micelă.

Dacă toți ionii stratului difuz trec în stratul de adsorbție, atunci sarcina contraionilor din stratul dens de adsorbție va fi egală cu sarcina ionilor care formează potențialul, iar granula nu va avea nicio sarcină. Această stare a unei soluții coloidale se numește izoelectric- IES. Această stare a sistemului coloidal este cea mai puțin stabilă.

Electroforeza și electroosmoza sunt utilizate pe scară largă în practică pentru:

– separarea proteinelor, α-aminoacizilor, acizilor nucleici, antibioticelor;

– aplicarea particulelor coloidale de cauciuc sau vopsele pe suprafețele metalice;

– deshidratarea materialelor poroase;

– diagnosticul multor boli;

La obținerea soluțiilor coloidale printr-o metodă sau alta, în special cu ajutorul reacțiilor chimice, este aproape imposibil să se prezică cu exactitate raportul cantitativ necesar al reactivilor. Din acest motiv, în solurile rezultate poate fi prezent un exces excesiv de electroliți, ceea ce reduce stabilitatea soluțiilor coloidale. Pentru a obține sisteme extrem de stabile și pentru a studia proprietățile acestora, solurile sunt purificate atât din electroliți, cât și din tot felul de alte impurități cu moleculară mică.

Purificarea soluțiilor coloidale poate fi efectuată fie prin dializă, fie prin ultrafiltrare.

Dializă constă în extragerea substanțelor cu greutate moleculară mică din soluri cu un solvent pur cu ajutorul unui despărțitor semipermeabil (membrană), prin care nu trec particulele coloidale. Schimbarea periodică sau continuă a solventului din dispozitivul de dializă - dializator, este posibilă îndepărtarea aproape completă a impurităților electroliților și a neelectroliților cu greutate moleculară mică din soluția coloidală.

Dezavantajul metodei este durata mare a procesului de curățare (săptămâni, luni).

Electrodializa este un proces de dializă accelerat prin aplicarea curentului electric. Dispozitivul pentru implementarea sa se numește electrodializator. Cel mai simplu electrodializator este un vas împărțit de două membrane în trei camere. Soluția coloidală de purificat este turnată în camera de mijloc. Electrozii de la o sursă de curent continuu sunt plasați în camerele laterale și solventul (apa) este furnizat și îndepărtat. Sub acțiunea unui câmp electric, cationii sunt transferați din camera de mijloc în camera catodică, iar anionii - în camera anodică. Soluția din camera de mijloc poate fi curățată de sărurile dizolvate într-un timp scurt (minute, ore).

Dializa compensatorieși vividializa- metode dezvoltate pentru studiul fluidelor biologice, care sunt sisteme coloidale. Principiul metodei de dializă compensatorie este că în dializator, în locul unui solvent pur, se folosesc soluții de substanțe cu greutate moleculară mică determinate de diferite concentrații. De exemplu, pentru a determina zahărul non-proteic, adică liber, în serul sanguin, acesta este dializat împotriva unei soluții saline izotonice care conține diferite concentrații de zahăr. In acea solutie

Această metodă este apropiată de metoda de vividializă (vividifuzie) pentru determinarea pe durata de viață a constituenților cu greutate moleculară mică din sânge. Pentru analiză, canule de sticlă sunt introduse în capetele vasului de sânge tăiat, ale căror părți ramificate sunt interconectate prin tuburi din material semipermeabil, iar întregul sistem este plasat într-un vas umplut cu ser fiziologic sau apă. În acest fel, s-a constatat că, pe lângă glucoza liberă, există aminoacizi liberi în sânge.

Principiul vividializării compensatorii a fost folosit pentru a crea un aparat numit „rinichi artificial”. Cu ajutorul unui „rinichi artificial”, este posibilă purificarea sângelui de produse metabolice, înlocuind temporar funcția unui rinichi bolnav în cazul unor astfel de indicații precum insuficiența renală acută ca urmare a otrăvirii, arsurilor severe etc.

Ultrafiltrare- filtrarea unei soluții coloidale printr-o membrană semipermeabilă care trece printr-un mediu de dispersie cu impurități cu greutate moleculară mică și reține particulele fazei dispersate sau macromoleculele. Pentru a accelera procesul de ultrafiltrare, se efectuează cu o cădere de presiune pe ambele părți ale membranei: sub vid (vid) sau sub presiune ridicată. Vidul este creat prin evacuarea aerului dintr-un vas situat sub filtru, presiunea crescută este creată prin forțarea aerului într-un vas situat deasupra filtrului. Pentru a preveni ruperea membranei, aceasta este plasată pe o placă poroasă tare. Ultrafiltrarea vă permite să separați rapid electroliții și alte impurități (compuși organici cu greutate moleculară mică) dintr-o soluție coloidală decât o face dializa. În timpul ultrafiltrarii se realizează un grad ridicat de purificare a solului, diluându-l periodic pe acesta din urmă cu apă. În etapa finală, soluția coloidală poate fi concentrată prin aspirarea mediului de dispersie. Ultrafiltrarea poate fi utilizată în combinație cu electrodializa (electroultrafiltrarea), care accelerează foarte mult îndepărtarea sărurilor din soluția coloidală.

Deoarece porii hârtiei de filtru obișnuite trec cu ușurință particulele coloidale, filtrele speciale (cellofan, pergament, azbest, filtre ceramice etc.) sunt folosite ca membrane în ultrafiltrare. Utilizarea unei membrane cu o anumită dimensiune a porilor face posibilă separarea particulelor coloidale în fracții după dimensiune și determinarea aproximativă a acestor dimensiuni. Așa că s-au găsit dimensiunile unor viruși și bacteriofagi. Toate acestea sugerează că ultrafiltrarea nu este doar o metodă de purificare a soluțiilor coloidale, ci poate fi utilizată în scopul analizei dispersiei și al separării preparative a sistemelor dispersate.