Spôsoby čistenia koloidných roztokov. Čistenie koloidných systémov. Spôsoby získavania koloidných systémov

Odoslanie dobrej práce do databázy znalostí je jednoduché. Použite nižšie uvedený formulár

Študenti, postgraduálni študenti, mladí vedci, ktorí pri štúdiu a práci využívajú vedomostnú základňu, vám budú veľmi vďační.

Spôsoby získavania a čistenia koloidných roztokov

Kondenzačné metódy na získanie koloidných systémov

Z klasifikácie disperzných systémov podľa veľkosti častíc vyplýva, že koloidné roztoky (soly) zaujímajú medzipolohu medzi molekulovými a hrubými systémami. To určuje dva možné spôsoby získania koloidných roztokov. Jedným zo spôsobov je zväčšovanie častíc počas agregácie molekúl alebo iónov – táto metóda sa nazýva kondenzácii. Druhým spôsobom je mletie veľkých častíc na koloidnú disperziu, to sa vykonáva metódou disperzia.

Kondenzácia môže prebiehať chemicky aj fyzikálny proces. V oboch prípadoch je kondenzačná metóda založená na vytvorení novej fázy v homogénnom prostredí, ktoré má koloidnú disperzitu. Všeobecnou podmienkou pre vznik novej fázy je stav presýtenia roztoku alebo pary. Pri lokálnom presýtení v niektorých častiach roztoku vznikajú agregáty viacerých molekúl, ktoré sa stávajú jadrami novej fázy. Úlohu jadier môžu zohrávať kryštalizačné centrá prítomné alebo zavedené do systému - prachové častice, malé prídavky hotového sólu atď. Čím väčší je počet kryštalizačných centier a čím nižšia je rýchlosť rastu kryštálov, tým vyššia je disperzia výsledné soly.

Podľa moderná teória tvorba zárodkov novej fázy v homogénnom prostredí je tento proces kolísavý. Podmienky pre vznik zárodkov tuhej fázy vyjadruje rovnica

r=2 vm/ RTln (c r/ Coo)

kde r je polomer kryštálu; y je povrchové napätie na hranici kryštál-roztok; Vm je molárny objem kryštalickej fázy; s je koncentrácia nasýteného roztoku; s r je koncentrácia presýteného roztoku potrebná na tvorbu malých kryštálov s polomerom r.

Tvorba jadier je možná za predpokladu, že s r> s. Vysoko dispergovaný systém možno získať z presýteného roztoku iba vtedy, ak je rýchlosť nukleácie v\ oveľa viac ako ich tempo rastu V2, t.j. j>i^>^2. V opačnom prípade vznikajú veľké častice, ktoré nemajú kinetickú stabilitu a precipitujú.

V prípade chemickej kondenzácie vzniká nová fáza pri reakciách vedúcich k tvorbe látok nerozpustných v danom prostredí. Môžu to byť reakcie redukcie, oxidácie, výmeny, hydrolýzy.

Pre rôzne chemické reakcie používané pri príprave sólov sa empiricky vyberajú optimálne podmienky pre vznik a rast zárodkov. Vysoko dispergované sóly sa spravidla získavajú pridaním malého množstva koncentrovaného roztoku druhého činidla do zriedeného roztoku jedného z činidiel za intenzívneho miešania. Pomocou tejto techniky vytvorené jadrá tuhej fázy rýchlo prestanú rásť, pretože zriedený roztok sa čoskoro vyčerpá. Čerstvo vytvorená dispergovaná fáza, ktorá pozostáva z agregátov nerozpustných látok, má často amorfnú štruktúru. Postupom času (od niekoľkých minút až po deň). dochádza k procesu kryštalizácie nerozpustných častíc a tie nadobúdajú kryštalickú štruktúru.

zotavovacie reakcie. Na získanie sólov ušľachtilých kovov (platina, zlato, striebro) sa zvyčajne používajú redukčné reakcie. Obnova môže byť vykonaná s ochrannými koloidmi alebo bez nich. Ako ochranné koloidy sa používajú HMW, ktoré sa adsorbujú na povrchu koloidných častíc a vytvárajú ochranné filmy. Vo farmaceutickej praxi sa v prítomnosti ochranných koloidov získava prípravok collargol, čo je koloidný roztok striebra chránený soľami kyseliny lysalbovej a protalbovej.

Po prijatí zlatého sólu sa kyselina chlórzlatitá reakciou premení na zlatitan draselný

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

Redukčná reakcia zlatitanu draselného s formaldehydom prebieha podľa rovnice

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

Na vytvorených mikrokryštáloch zlata sa adsorbujú zlatisté ióny, ktoré sú potenciálotvornými iónmi. K + ióny slúžia ako protiióny.

metódy hydrolýzy. Hydrolýza sa používa na získanie sólov hydroxidov ťažkých kovov.

Sól kovového striebra možno získať redukciou zriedených roztokov solí striebra v alkalickom prostredí s tanínom. Tanín (pentadigalloylglukóza) C 76 H 52 O 46, oxidujúci, dáva nerozpustné látky - flobafen C 76 H 52 O 49

Oxidačné procesy.

Spolu so sírou vznikajú oxidačné reakcie zvyčajne polytiónové kyseliny, najmä kyselina pentatiónová H 2 S 5 O 6

Reakcie dvojitej výmeny. Reakcie dvojitej výmeny umožňujú získať veľa sólov ťažko rozpustných zlúčenín. Napríklad pri miešaní zriedených roztokov dusičnanu bárnatého a síranu draselného za predpokladu, že jedno z činidiel je v nadbytku, síran bárnatý sa nezráža, ale tvorí koloidný roztok.

Reakcia medzi dusičnanom bárnatým a síranom draselným prebieha podľa schémy

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

Pri získavaní sólov metódami chemickej kondenzácie by sa mali uprednostňovať reakcie, pri ktorých spolu s ťažko rozpustnou zlúčeninou vznikajú látky, ktoré nie sú elektrolytmi alebo sú slabé elektrolyty. To prispieva k získaniu stabilnejších sólov, pretože v systéme sa nevytvárajú nadbytočné elektrolyty, ktoré astabilizujú sól. Príkladom takejto reakcie je oxidácia sírovodíka vzdušným kyslíkom.

Výmena rozpúšťadla. Tento spôsob získavania sólov, na rozdiel od predchádzajúcich, sa týka fyzickej kondenzácie. Je založený na skutočnosti, že roztok látky sa postupne pridáva do kvapaliny, ktorá sa dobre mieša s rozpúšťadlom, ale v ktorej je rozpustená látka tak málo rozpustná, že sa oddelí ako vysoko dispergovaná fáza. Príkladom sú hydrosóly síry, cholesterolu alebo kolofónie získané nalievaním alkoholových roztokov týchto látok do vody.

kondenzácia pár. Je to tiež metóda na získanie sólov fyzikálnou kondenzáciou. Keď para jednoduchej látky prechádza do kvapaliny, v dôsledku kondenzácie sa môžu vytvárať stabilné sóly. Patria sem elektrické metódy na získanie disperzií kovov rozprašovaných pod vodou alebo v organickej kvapaline vo voltaickom oblúku (Bredigova metóda) a vo vysokofrekvenčnom iskrovom výboji (Svedbergova metóda). Oxidy rovnakých kovov, ktoré sú vedľajšími produktmi procesu striekania, slúžia ako stabilizátory disperzií vznikajúcich pri kondenzácii pár. Oxidy sa adsorbujú na kovové častice a vytvárajú ochrannú vrstvu.

V prírode, keď vodná para kondenzuje v atmosfére, vzniká hmla a oblaky.

S. Z. Roginsky a A. I. Shalnikov vyvinuli účinnú metódu na získanie sólov z takzvaných molekulárnych lúčov. Podstata metódy spočíva v tom, že dispergovateľná látka a rozpúšťadlo sa spolu odparia vo vákuu. Zmiešané pary kondenzujú a mrznú na vychladenom povrchu. Zmes sa potom rozmrazí a zhromaždí v nádobe. Takto sa získali ťažko dostupné sóly mnohých látok. Spôsob poskytuje vysokú čistotu výsledných sólov.

Získavanie koloidných systémov disperznými metódami

Disperzia je jemné mletie pevných materiálov alebo kvapalín a distribúcia ich častíc v kvapalnom alebo plynnom prostredí, výsledkom čoho je tvorba disperzných systémov: prášky, suspenzie, emulzie, aerosóly.

Spôsoby mletia veľkých útvarov do koloidného stavu sú rozdelené na mechanické, fyzikálne a fyzikálno-chemické.

mechanická disperzia. Toto je jeden z hlavných spôsobov vzniku koloidných systémov v prírode: pri kolapsoch, zvetrávaní, erózii pôdy atď. Umelá mechanická disperzia sa vykonáva pomocou rôznymi spôsobmi brúsenie. Tento proces zahŕňa hrubé, stredné a jemné drvenie. Činnosť drvičov je založená na princípoch drvenia, štiepania, obrusovania, nárazu atď. Vlastnosť materiálu odolávať deštrukcii sa nazýva pevnosť. V procese brúsenia dochádza k elastickým a plastickým deformáciám pevného telesa. Elastické (reverzibilné) deformácie po odstránení záťaže takmer úplne zmiznú. V prípade plastických (nevratných) deformácií nevedie zastavenie vonkajšieho pôsobenia k obnoveniu tvaru a rozmerov pevného telesa. Pevnosť materiálu sa láme, mení sa jeho tvar.

Podľa myšlienok P. A. Rebindera brúsenie materiálu spotrebuje energiu rovnajúcu sa súčtu práce deformácie pevného telesa a práce tvorby nových povrchov:

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

kde W -- úplné brúsne práce; k -- koeficient úmernosti, rovný deformačnej práci jednotkového objemu drveného telesa; V - objem tela; y -- povrchové napätie (energia tvorby povrchovej jednotky); ?S je nový povrch vytvorený počas deštrukcie tela.

Zo vzorca vyplýva, že práca mletia sa zvyšuje úmerne s objemom drveného materiálu, ako aj s hodnotou výsledného nový povrch. To znamená, že so znížením konečnej veľkosti častíc sa spotreba energie prudko zvyšuje. Na zníženie energetických nákladov na brúsenie a dosiahnutie vyššieho rozptylu materiálu v procesoch brúsenia sa využíva Rebinderov efekt - zníženie tvrdosti v dôsledku pridávania cudzorodých látok, nazývaných tlmiče tvrdosti. Mnohé elektrolyty môžu pôsobiť ako činidlá znižujúce tvrdosť - soli a alkálie, povrchovo aktívne látky (alkalické mydlové roztoky, sulfolignové a sulfónaftenové kyseliny, tanínové extrakty).

Fenomén poklesu tvrdosti sa v praxi dlhodobo využíva napríklad pri mletí pevných látok (síra, oxid železa, sulfidy kovov) v mažiari za prítomnosti niektorých indiferentných zlúčenín: cukru, močoviny a pod. tento jav odhalili Rehbinderove práce, ktoré spočívajú v tom, že pridané látky sa adsorbujú v miestach defektov v kryštálovej mriežke pevných látok, napríklad v mikrotrhlinách. Adsorpcia prídavných látok na jednej strane spôsobuje pokles povrchovej energie, čo uľahčuje disperziu a na druhej strane vedie k vzniku síl vzájomného elektrostatického odpudzovania adsorpčných vrstiev umiestnených na protiľahlých stenách mikrotrhlín. V dôsledku toho dochádza k klinovému efektu, ktorý zvyšuje deštruktívny účinok. V dôsledku tohto efektu sa výrazne znížia externé náklady na energiu pre proces mletia. Pozitívna úloha aditív spočíva aj v tom, že ich adsorpčné vrstvy zabraňujú adhézii novovzniknutých častíc.Účinok podobný vnášaniu látok - tlmičov tvrdosti sa prejavuje aj pridávaním kvapalín. Brúsenie za mokra (kde je to možné) je vždy efektívnejšie ako brúsenie za sucha. Drvenie materiálov sa vykonáva pomocou mechanizmov, ako sú preddrviace stroje a stroje na konečné (jemné) mletie. Na predbežné brúsenie sa používajú mechanizmy rôzne dizajny rezanie, pílenie alebo štiepanie. Výber spôsobu drvenia závisí od fyzikálneho stavu surovín. Krehké materiály sa pri náraze ľahko rozdelia, pre plastové, viskózne predmety je potrebný súčasný náraz a oder atď.

Vo farmaceutickej výrobe, kde sa drvia najmä rastlinné suroviny, rezačky trávy a koreňov sa používajú stroje s kotúčovými pílami. Po sérii krokov drvenia sa získajú prášky s veľkosťou častíc približne 10 ~ 4 m.

Konečné mletie - práškovanie (jemné mletie) ~ - - sa vykonáva pomocou mlynov rôznych konštrukcií: valcové, kotúčové, kladivové, rôzne dezintegrátory, prúdové brúsky. Na mletie mnohých materiálov sú účinné guľové mlyny, ktoré kombinujú náraz a abrazívny účinok.

Jemné a ultrajemné mletie sa vykonáva vo vibračných mlynoch, koloidných mlynoch atď. Tieto mechanizmy sa tiež používajú na dispergovanie pevných materiálov a kvapalín v kvapalnom médiu na získanie suspenzií a emulzií.

Koloidný mlyn ako prvý navrhol ruský inžinier K. Plausson (1920).

Konštrukcie koloidných a iných mlynov sú založené na systéme statora a rotora otáčajúceho sa frekvenciou až 20 000 ot./min. Povrchy statora a rotora, smerujúce k sebe, sú vybavené rôznymi nárazovými prvkami - šľahačmi, výstupkami, štrbinami. V iných modeloch je medzi statorom a rotorom vytvorená veľmi úzka medzera, cez ktorú pod tlakom pôsobia častice pevnej látky alebo kvapaliny lámavou silou a sú rozptýlené, čím sa vytvorí suspenzia alebo emulzia.

Na zvýšenie disperzie emulzií sa používajú špeciálne zariadenia - homogenizátory. Činnosť homogenizátorov je založená na pretláčaní emulzií pod vysokým tlakom cez úzke kanály a štrbiny.

Príkladom použitia je ultrazvuková disperzia fyzikálne metódy brúsenie. Pomocou piezoelektrického oscilátora sa získavajú ultrazvukové vlny s frekvenciou 20 000 až 1 milión kmitov za sekundu. Dispergačný účinok ultrazvuku je spôsobený tým, že pri prechode zvukovej vlny v kvapaline dochádza k lokálnemu rýchlo sa meniacemu stlačeniu a napätiu, ktoré vytvárajú lomovú silu a vedú k rozptylu suspendovaných častíc. Rozhodujúcu úlohu však zohráva fenomén kavitácie; pri striedaní stláčania a zriedenia v kvapaline sa priebežne vytvárajú dutiny (dutiny), ktoré sa opäť zrútia (zrútia sa). Keď sa dutiny zrútia, veľmi lokálne sa vyvíjajú vysoké tlaky. To spôsobuje silné mechanické deštruktívne sily schopné rozptyľovať nielen kvapaliny, ale aj pevné častice. Týmto spôsobom sa získajú vysoko dispergované emulzie a suspenzie, vrátane tých, ktoré sú vhodné na intravenózne podanie. Okrem toho sa pôsobením ultrazvuku na koloidné roztoky, emulzie, suspenzie sterilizujú, pretože kavitácia spôsobuje deštrukciu tiel mikroorganizmov a ich spór.

Hoci sa disperzné metódy stále viac zdokonaľujú, porovnanie s kondenzačnými metódami na získanie disperzných systémov ukazuje, že na dosiahnutie maximálnej disperzie 1 * 10~7 -1 * 10~9 m sú vhodné iba kondenzačné metódy. Okrem toho, že kondenzačnými metódami sa získa viac vysoko disperzných systémov ako v prípade disperzie, kondenzačné metódy prakticky nevyžadujú náklady na energiu. Praktickejší význam však majú metódy disperzie.

Fyzikálno-chemická disperzia alebo peptizácia. Čerstvá (voľná) zrazenina sa premení na sól pôsobením peptizátorov: roztoku elektrolytu, roztoku povrchovo aktívnej látky alebo rozpúšťadla. Pojem „čerstvý“ sediment označuje sediment voľnej štruktúry, medzi časticami ktorého sú medzivrstvy disperzného média, bez ohľadu na dĺžku existencie sedimentu. Zhluknuté sedimenty s lepkavými časticami nie je možné rozptýliť peptizáciou. V skutočnosti peptizácia nie je disperzia, ale dezagregácia existujúcich častíc. Existujú tri spôsoby peptizácie: 1) adsorpčná peptizácia; 2) rozpúšťacia (alebo chemická) peptizácia; 3) premytie zrazeniny rozpúšťadlom (disperzným médiom).

Výber spôsobu peptizácie je určený podmienkami prípravy a vlastnosťami zrazeniny. Výsledkom peptizácie by vo všetkých prípadoch malo byť oddelenie častíc a ich distribúcia po celom objeme disperzného prostredia. Predstavme si, že zrazenina ťažko rozpustnej zlúčeniny hexakyanoželezitanu železitého (pruská modrá) bola získaná v priebehu chemickej reakcie so stechiometrickým pomerom činidiel.

K4 + FeCl3 \u003d KFe + 3KC1

V dôsledku reakcie sa vytvorí voľná zrazenina KFe pruskej modrej, na ktorej časticiach nie je žiadna dvojitá elektrická vrstva, pretože v systéme nie sú žiadne ióny schopné selektívnej adsorpcie na častice sedimentu a tvorby DES. Aby došlo k peptizácii, je potrebné vytvoriť na povrchu častíc sedimentu elektrostatické odpudivé sily, ktoré by prinútili častice sa od seba vzdialiť a rovnomerne sa rozložiť v celom objeme roztoku, t.j. vytvoriť sól. To sa môže uskutočniť adsorpčnou peptizáciou, t.j. spracovaním zrazeniny s roztokom elektrolytu, ktorý obsahuje peptizačný ión schopný selektívnej adsorpcie (v súlade s Panet-Fajansovým pravidlom). Ako elektrolyt s peptizačným iónom je možné použiť roztok FeCl-3 alebo K4. V roztoku FeCl3 je peptizujúci ión ión Fe3+, v roztoku K4Fe(CN)6 je ión 4. Každý z týchto iónov môže byť adsorbovaný na kryštáloch KFe, čím sa dokončí ich kryštálová mriežka a vytvorí sa vrstva iónov tvoriacich potenciál. V tomto prípade adsorpcia iónov železa udeľuje kladný náboj všetkým časticiam sedimentu a adsorpcia iónov záporný náboj. Ale v oboch prípadoch sa vytvorí sól. Štruktúru micely sólu možno znázorniť pomocou diagramov:

1. Pri peptizácii roztokom FeCI 3 sa vytvorí zelený sól KFe s kladne nabitými časticami

2. Počas peptizácie roztokom K 4 vzniká tmavomodrý sól KFe s negatívne nabitými časticami.

Rozpúšťanie alebo chemická peptizácia sa tiež aplikuje na sedimenty, ktoré nemajú na svojich časticiach DES, v prípadoch, keď elektrolyt-peptizér nie je dostupný v hotovej forme. V tomto prípade sa filtračný koláč ošetrí malým množstvom činidla, ktoré rozpúšťa povrchovú vrstvu zŕn sedimentu, čím sa vytvorí určité množstvo elektrolytu, ktorý je potrebný na peptizáciu zvyšku sedimentu. Napríklad zrazenina Fe (OH) 3 sa môže získať so stechiometrickým pomerom činidiel podľa reakcie

Peptizácia premytím rozpúšťadlom sa podrobí zrážaniu, ktoré sa získa v prítomnosti významného nadbytku jedného z činidiel. V tomto prípade majú častice sedimentu dvojitú elektrickú vrstvu, ktorá je však silne stlačená v dôsledku vysokej koncentrácie elektrolytu. V takomto stave EDL sa Coulombove odpudivé sily medzi časticami usadenín neobjavia. Na obnovenie síl elektrostatického odpudzovania častíc a normálnej štruktúry DEL je potrebné znížiť koncentráciu elektrolytu v zrazenine. Na tento účel sa filtračný koláč premyje čistým rozpúšťadlom alebo disperzným médiom. Nadmerný prebytok elektrolytu sa vymyje a cez filter začne prechádzať stabilný sól.

Náboje (3x--f~) koloidných častíc vytvárajú medzi nimi odpudivé sily a prispievajú k prechodu zrazeniny na koloidný roztok. W. Ostwald, študujúci proces peptizácie, empiricky odvodil množstvo zákonitostí, ktoré sú pomenované Ostwaldovo zrážkové pravidlo. Zistil, že na peptizáciu určitého množstva sedimentu je potrebná dobre definovaná optimálna koncentrácia. s / elekt.rollita-peptizér. Graficky je to vyjadrené krivkou závislosti podielu peptizovanej zrazeniny Q na koncentrácii stabilizátora, ktorá prechádza maximom zodpovedajúcemu optimálnemu pomeru medzi hmotnosťou odobratej zrazeniny a koncentráciou elektrolytu.

Keď je táto koncentrácia elektrolytu prekročená, proces peptizácie sa posúva smerom k opačnému procesu - koagulácii alebo agregácii častíc, pretože nadbytok elektrolytu stláča DEL na časticiach sedimentu a zhoršuje podmienky disagregácie. Treba poznamenať, že ak povrchovo aktívna látka slúži ako peptizér, potom neexistuje kritická hodnota koncentrácia a zvýšenie obsahu povrchovo aktívnych látok nepoškodzuje peptizáciu.

Na druhej strane, pri konštantnej koncentrácii elektrolytu sa podiel peptovanej zrazeniny zvyšuje na maximálnu hodnotu pri určitom hmotnostnom pomere gp" odobratého sedimentu a koncentrácie elektrolytu. Nadmerné zvýšenie hmotnosti zrazeniny zavedenej do roztoku elektrolytu zhoršuje podmienky peptizácie, v dôsledku čoho sa hodnota Q klesá. To možno vysvetliť skutočnosťou, že dostupný elektrolyt nestačí na vytvorenie účinného DEL na časticiach zrazeniny odobratých v nadbytku.

Spôsoby čistenia koloidných roztokov

Keď sa koloidné roztoky získajú jednou alebo druhou metódou, najmä pomocou chemických reakcií, je takmer nemožné presne predpovedať požadovaný kvantitatívny pomer činidiel. Z tohto dôvodu môže byť vo vytvorených sóloch prítomný nadmerný nadbytok elektrolytov, čo znižuje stabilitu koloidných roztokov. Na získanie vysoko stabilných systémov a na štúdium ich vlastností sa sóly čistia od elektrolytov aj od všetkých druhov iných nízkomolekulárnych nečistôt.

Čistenie koloidných roztokov sa môže uskutočniť buď dialýzou alebo ultrafiltráciou.

Dialýza spočíva v extrakcii nízkomolekulárnych látok zo sólov čistým rozpúšťadlom pomocou semipermeabilnej prepážky (membrány), cez ktorú neprechádzajú koloidné častice. Periodickou alebo priebežnou výmenou rozpúšťadla v zariadení na dialýzu - dialyzátor je možné takmer úplne odstrániť nečistoty elektrolytov a nízkomolekulárne neelektrolyty z koloidného roztoku.

Nevýhodou metódy je dlhé trvanie čistiaceho procesu (týždne, mesiace).

Elektrodialýza je proces dialýzy urýchlený aplikáciou elektrického prúdu. Zariadenie na jeho realizáciu sa nazýva elektrodialyzátor. Najjednoduchším elektrodialyzátorom je nádoba rozdelená dvoma membránami na tri komory. Koloidný roztok, ktorý sa má čistiť, sa naleje do strednej komory. Elektródy zo zdroja jednosmerného prúdu sa umiestnia do bočných komôr a rozpúšťadlo (voda) sa privádza a odstraňuje. Pri pôsobení elektrického poľa sa katióny prenášajú zo strednej komory do katódovej komory a anióny do anódovej komory. Roztok v strednej komore sa môže v priebehu krátkeho času (minúty, hodiny) zbaviť rozpustených solí.

Kompenzačná dialýza a vividialýza-- metódy vyvinuté na štúdium biologických tekutín, ktoré sú koloidnými systémami. Princíp metódy kompenzačnej dialýzy spočíva v tom, že v dialyzátore sa namiesto čistého rozpúšťadla používajú roztoky látok s nízkou molekulovou hmotnosťou rôznych koncentrácií, ktoré sa majú stanoviť. Napríklad na stanovenie neviazaného na proteíny, t. V tom riešení

Metóda vividialýzy (vividifúzia) je blízka tejto metóde na celoživotné stanovenie nízkomolekulárnych zložiek v krvi. Na analýzu sa do koncov prerezanej cievy vložia sklenené kanyly, ktorých rozvetvené časti sú prepojené hadičkami z polopriepustného materiálu a celý systém sa umiestni do nádoby naplnenej fyziologickým roztokom alebo vodou. Týmto spôsobom sa zistilo, že okrem voľnej glukózy sú v krvi voľné aminokyseliny.

Princíp kompenzačnej vividializácie bol použitý na vytvorenie aparátu nazývaného „umelá oblička“. Pomocou „umelej obličky“ je možné očistiť krv od produktov látkovej premeny a dočasne nahradiť funkciu chorých obličiek v takých indikáciách, ako je akútne zlyhanie obličiek v dôsledku otravy, ťažké popáleniny atď.

Ultrafiltrácia-- filtrácia koloidného roztoku cez polopriepustnú membránu, ktorá prechádza disperzným prostredím s nečistotami s nízkou molekulovou hmotnosťou a zadržiava častice dispergovanej fázy alebo makromolekúl. Na urýchlenie procesu ultrafiltrácie sa vykonáva s poklesom tlaku na oboch stranách membrány: vo vákuu (vákuum) alebo pod vysokým tlakom. Vákuum vzniká čerpaním vzduchu z nádoby umiestnenej pod filtrom, vysoký krvný tlak- vháňaním vzduchu do nádoby umiestnenej nad filtrom. Aby sa zabránilo pretrhnutiu membrány, je umiestnená na tvrdej poréznej doske. Ultrafiltrácia umožňuje rýchle oddelenie elektrolytov a iných nečistôt (organické zlúčeniny s nízkou molekulovou hmotnosťou) z koloidného roztoku ako dialýza. Počas ultrafiltrácie sa dosiahne vysoký stupeň čistenia sólu, pričom sa sól periodicky riedi vodou. V konečnom štádiu sa môže koloidný roztok koncentrovať odsatím disperzného média. Ultrafiltráciu je možné použiť v kombinácii s elektrodialýzou (elektroultrafiltráciou), ktorá výrazne urýchľuje odstraňovanie solí z koloidného roztoku.

Keďže póry bežného filtračného papiera ľahko prechádzajú koloidnými časticami, ako membrány sa pri ultrafiltrácii používajú špeciálne filtre (celofán, pergamen, azbest, keramické filtre atď.). Použitie membrány s určitou veľkosťou pórov umožňuje separovať koloidné častice do frakcií podľa veľkosti a zhruba určiť tieto veľkosti. Takže sa našli veľkosti niektorých vírusov a bakteriofágov. To všetko naznačuje, že ultrafiltrácia nie je len metódou na čistenie koloidných roztokov, ale možno ju použiť aj na účely disperznej analýzy a preparatívnej separácie disperzných systémov.

Niektoré vlastnosti membrán na dialýzu a ultrafiltráciu

Porézne polopriepustné membrány používané na dialýzu, elektrodialýzu, ultrafiltráciu a osmometriu spravidla nie sú inertné čisto mechanické "sitá" pre rozpustené alebo suspendované častice. Úloha membrán je oveľa komplikovanejšia a je určená množstvom ich vlastností. Priepustnosť membrány teda nemôže byť spôsobená ani tak prítomnosťou pórov a kapilár v nej, ale rozpúšťaním látok prenášaných cez ňu v látke samotnej membrány. Takýto mechanizmus priepustnosti je tzv fáza alebo homogénne. Tento mechanizmus priepustnosti je obzvlášť výrazný v jemne poréznych pomaly filtrujúcich materiáloch.

Ďalšou vlastnosťou membrán je ich schopnosť nabíjania pri kontakte s kvapalinami. Náboj membrány vzniká rovnakým spôsobom ako náboj akéhokoľvek pevného povrchu: buď v dôsledku disociácie membránovej látky, alebo v dôsledku adsorpcie iónov z roztoku. V závislosti od povahy materiálu môže mať membrána kladný alebo záporný náboj. Záporne nabité membrány sú oveľa bežnejšie ako pozitívne nabité. Medzi látky, ktoré tvoria negatívne nabité membrány, patrí celulóza, pergamen, keramické materiály a azbest. Pozitívne nabité membrány možno získať z vyčinenej želatíny, kože a špeciálne upraveného papiera. Treba mať na pamäti, že náboj proteínových membrán závisí od pH média: pri koncentrácii iónov H + vyššej ako v izoelektrickom bode proteínu je membrána nabitá kladne, v alkalickejšom prostredí je negatívne nabitý. Náboj membrán výrazne ovplyvňuje rýchlosť difúzie iónov cez ne. Pozitívne nabité membrány sú vysoko permeabilné pre anióny a mierne permeabilné pre katióny; a naopak, membrány s negatívnym nábojom sú lepšie priepustné pre katióny. Preto je vhodné použiť membrány rôzne materiály pre katódovú a anódovú komoru elektrodialyzátora: katódová membrána by mala byť vyrobená zo záporne nabitých materiálov, anódová membrána z kladne nabitých materiálov. V takýchto membránach sa menia čísla transportu iónov, preto sa nazývajú elektrochemicky aktívne. Tkanivá živých organizmov, ktoré sú v podstate polopriepustné membrány, majú elektrochemickú aktivitu. Na tejto vlastnosti tkanív je založená taká metóda liečby ako ionoforéza - zavedenie liečivých látok do tela pacienta cez kožu. Membrány, ktoré neovplyvňujú čísla transportu iónov, sa nazývajú elektrochemicky neaktívne. V priemyselných podmienkach sú najpoužívanejšie.

Bibliografia:

Laitinen G. A., Harris V. E. Chemická analýza. -- M.: Chémia, 1979.

Petere D., Hayes J., Khiftje G. Chemická separácia a meranie. Teória a prax analytickej chémie. -- M.: Chémia, 1978. zväzok 1, 2.

Vasiliev VP Termodynamické vlastnosti roztokov elektrolytov. -- M.: Vyššia škola, 1982.

Podobné dokumenty

Klasifikácia disperzných systémov. Hlavné faktory stability koloidných roztokov. Spôsoby ich výroby (disperzia, kondenzácia) a čistenia (dialýza, ultrafiltrácia). Micelárna teória štruktúry koloidných častíc. Koagulácia so zmesami elektrolytov.

prezentácia, pridané 28.11.2013


Koloidná chémia ako veda, ktorá študuje fyzikálno-chemické vlastnosti heterogénnych, vysoko disperzných systémov a vysokomolekulárnych zlúčenín. Výroba a spôsoby čistenia koloidných roztokov. Použitie gélov v potravinárskom priemysle, kozmetike a medicíne.

prezentácia, pridané 26.01.2015


Podstata a definujúce znaky koloidných systémov. Hlavné vlastnosti a štruktúra riešení tohto typu. Charakteristika Tyndallovho efektu. Rozdiely medzi hydrosólmi a organosólmi. Metódy vzniku koloidných systémov, špecifické vlastnosti, rozsah.

prezentácia, pridané 22.05.2014


Spôsoby získavania koloidných systémov; faktory ovplyvňujúce rýchlosť jednotlivých fáz procesu, pravidlá koagulácie. Stabilizačný účinok nízkomolekulových nečistôt v koloidných roztokoch, spôsoby ich odstraňovania: dialýza, elektrodialýza a ultrafiltrácia.

prezentácia, pridané 17.09.2013


Vlastnosti získavania koloidných systémov. Teoretická analýza procesov tvorby kremenných skiel metódou sol-gel. Príprava sól-koloidných systémov "hybridnou" metódou. Charakterizácia vlastností kvantových skiel aktivovaných iónmi európia.

ročníková práca, pridaná 14.02.2010


Prvé praktické informácie o koloidoch. Vlastnosti heterogénnych zmesí. Pomer medzi povrchom koloidnej častice a objemom koloidnej častice. Zvláštnosti rozptýlených systémov. Vlastnosti koloidných roztokov. Klasifikácia disperzných systémov.

prezentácia, pridané 17.08.2015


Koloidné roztoky (soly), ako vysoko disperzné koloidné systémy v kvapalnom alebo plynnom disperznom médiu. Gély alebo želé. Štruktúra a vlastnosti koloidných miciel. Tyndallov efekt. koagulačný proces. Parametre stability koloidných roztokov.

prezentácia, pridané 15.09.2013


Interakcia elektrických dvojvrstiev a koloidných systémov. Poisson-Boltzmannova rovnica. Kontaktná veta a osmotický tlak. Pridanie soli a "slabá aproximácia prekrytia". Van der Waalsove interakcie a Hamakerova konštanta.

test, pridané 09.06.2009


Získavanie lyofóbnych koloidných systémov, ich optické vlastnosti. Stanovenie povrchového napätia roztokov povrchovo aktívnych látok a medzipovrchového napätia na hranici dvoch nemiešateľných kvapalín stalagometrickou metódou. Koloidná ochrana sólov s HMS roztokmi.

abstrakt, pridaný 15.02.2016


Výskum metód elektromembránovej techniky: elektrodialýza a elektrolýza. Analýza uvoľňovania koloidných roztokov zo zlúčenín s nízkou molekulovou hmotnosťou v nich rozpustených pomocou semipermeabilnej membrány. Prehľad morfológie a klasifikácie membrán.

V zásade sa používajú 2 spôsoby:

1. Disperzná metóda - využívajú drvenie pevnej látky na častice veľkosti zodpovedajúcej koloidom. Brúsenie sa vykonáva:

• mechanicky použitím guľových mlynov, homogenizátorov alebo ultrazvukových dezintegrátorov;
• používaním fyzikálne a chemické metódy ako je peptizácia, pridávanie povrchovo aktívnych látok.

1. kondenzačná metóda- Zväčšenie častíc agregáciou molekúl alebo iónov až do veľkosti zodpovedajúcej koloidom. To možno vykonať nasledujúcimi spôsobmi:

• odparovanie rozpúšťadla;
• náhrada rozpúšťadla;
• realizácia reakcií, ktorých výsledkom je vznik slabo rozpustných alebo nerozpustných látok - rozklad, hydrolýza a pod.

Metódy čistenia koloidných systémov

Koloidné roztoky môžu obsahovať nečistoty, ktoré znižujú ich stabilitu, v dôsledku čoho dochádza k ich čisteniu. Na to sa používajú metódy ako dialýza, elektrodialýza, filtrácia a ultrafiltrácia.

Koloidný roztok sa naleje do nádoby, v ktorej spodnej časti je membrána a vloží sa do nádoby s vodou. Do rozpúšťadla prenikajú iba ióny a molekuly nečistôt s nízkou molekulovou hmotnosťou.

Proces dialýzy je pomalý a na jeho urýchlenie sa používa elektrické pole.

Kategórie

Všeobecné predstavy o disperzných systémoch

Chemická interakcia pri homogénnych reakciách nastáva pri efektívnych zrážkach aktívnych častíc a pri heterogénnych reakciách na rozhraní medzi fázami, kedy sa reaktanty dostanú do kontaktu, navyše rýchlosť a mechanizmus reakcie závisí od plochy povrchu, ktorá je väčšia , čím je povrch rozvinutejší. Z tohto hľadiska sú obzvlášť zaujímavé disperzné systémy s vysokým špecifickým povrchom.

Dispergovaný systém je zmes pozostávajúca z najmenej dvoch látok, ktoré spolu chemicky nereagujú a majú takmer úplnú vzájomnú nerozpustnosť. Disperzný systém - Ide o systém, v ktorom sú veľmi jemné častice jednej látky rovnomerne rozložené v objeme druhej.

Z hľadiska disperzných systémov sa rozlišujú dva pojmy: disperzná fáza a disperzné médium (obr. 10.1).

Dispergovaná fáza - Ide o súbor častíc látky rozptýlených na malé veľkosti, rovnomerne rozložených v objeme inej látky. Príznakmi dispergovanej fázy sú fragmentácia a diskontinuita.

Disperzné médiumje látka, v ktorej sú častice dispergovanej fázy rovnomerne rozložené. Znakom disperzného média je jeho spojitosť.

Dispergovaná fáza môže byť oddelená od disperzného média fyzikálnou metódou (centrifugácia, separácia, usadzovanie atď.).

Obrázok 10.1 - Dispergovaný systém: častice dispergovanej fázy s (vo forme malých pevných častíc, kryštálov, kvapiek kvapaliny, bubliniek plynu, asociátov molekúl alebo iónov), ktoré majú adsorpčnú vrstvu d, sú rozložené v homogénnom kontinuálnom disperznom prostredí f.

Disperzné systémy sa klasifikujú podľa rôznych rozlišovacích znakov: disperzia, stav agregácie dispergovanej fázy a disperzného prostredia, intenzita interakcie medzi nimi, neprítomnosť alebo tvorba štruktúr v disperzných systémoch.

Klasifikácia podľa stupňa disperzie

V závislosti od veľkosti častíc dispergovanej fázy sú všetky disperzné systémy podmienene rozdelené do troch skupín (obr. 10.2).

Obrázok 10.2 - Klasifikácia disperzných systémov podľa veľkosti častíc (pre porovnanie sú uvedené veľkosti častíc v skutočných roztokoch)

1. Hrubo rozptýlené systémy , v ktorom je veľkosť častíc väčšia ako 1 µm (10 –5 m). Táto skupina disperzných systémov sa vyznačuje týmito znakmi: častice dispergovanej fázy sa usadzujú (alebo plávajú) v poli gravitačných síl, neprechádzajú cez papierové filtre; je možné ich pozorovať bežným mikroskopom. Hrubé systémy zahŕňajú suspenzie, emulzie, prach, penu, aerosóly atď.

pozastavenie - je disperzný systém, v ktorom sa dispergfáza je pevný a disperzným médiom je kvapalina.

Príkladom suspenzie môže byť systém vytvorený trepaním hliny alebo kriedy vo vode, farbe, paste.

Emulzia - ide o dispergovaný systém, v ktorom je kvapalná dispergovaná fáza rovnomerne rozložená v objeme kvapalného disperzného média, t.j. Emulzia pozostáva z dvoch vzájomne nerozpustných kvapalín.

Príklady emulzií zahŕňajú mlieko (kvapky tekutého tuku pôsobia ako dispergovaná fáza a voda je disperzným médiom), smotana, majonéza, margarín, zmrzlina.

Pri usadzovaní sa suspenzie a emulzie separujú (separujú) na svoje zložky: dispergovanú fázu a disperzné médium. Ak sa teda benzén energicky pretrepe s vodou, vytvorí sa emulzia, ktorá sa po chvíli rozdelí na dve vrstvy: vrchný benzén a spodnú vodu. Aby sa zabránilo separácii emulzií, pridávajú sa emulgátory- látky, ktoré dodávajú emulziám stabilitu agregátov.

Pena - hrubo rozptýlený bunkový systém, v ktorom je dispergovanou fázou sústava bublín plynu (alebo pár) a disperzným prostredím je kvapalina.

V penách môže byť celkový objem plynu v bublinách stokrát väčší ako objem kvapalného disperzného média obsiahnutého v medzivrstvách medzi bublinami plynu.

2. Mikroheterogénne (alebojemne rozptýlené ) medzisystémy, v ktorých sa veľkosť častíc pohybuje od 10 – 5 –10 –7 Patria sem jemné suspenzie, výpary, porézne pevné látky.

3. Ultramikroheterogénne (alebokoloidne dispergované ) systémy, v ktorých častice s veľkosťou 1–100 nm (10–9 –10 –7 m) pozostávajú z 10 3_ 10 9 atómov a sú oddelené od rozpúšťadla rozhraním. Koloidné roztoky sa vyznačujú limitujúcim vysoko disperzným stavom, zvyčajne sa nazývajú popol, alebo často lyosolyzdôrazniť, že disperzným prostredím je kvapalina. Ak sa ako disperzné médium použije voda, potom sa takéto sóly nazývajúhydrosolya ak organická kvapalina -organosoly.

Pre väčšinu jemne rozptýlených systémov sú vlastné určité vlastnosti:

nízka rýchlosť difúzie;

častice dispergovanej fázy (t. j. koloidné častice) možno skúmať len pomocou ultramikroskopu alebo elektrónového mikroskopu;

rozptyl svetla koloidnými časticami, v dôsledku čoho nadobúdajú v ultramikroskope podobu svetelných škvŕn - Tyndallov jav (obr. 10.3);

Obrázok 10.3 - Ultramikroheterogénny (jemne rozptýlený) systém: a) koloidný roztok; b) schéma vychýlenia úzkeho lúča svetla pri prechode koloidným roztokom; c) rozptyl svetla koloidným roztokom (Tyndallov efekt)

• na fázovom rozhraní v prítomnosti stabilizátorov (ióny elektrolytov) sa vytvára iónová vrstva alebo solvátový obal, ktorý prispieva k existencii častíc v suspendovanej forme;
• dispergovaná fáza je buď úplne nerozpustná alebo slabo rozpustná v disperznom médiu.

Príklady koloidných častíc zahŕňajú škrob, proteíny, polyméry, kaučuk, mydlá, hydroxidy hliníka a trojmocného železa.

Klasifikácia disperzných systémov podľa pomeru agregovaných stavov dispergovanej fázy a disperzného média

Túto klasifikáciu navrhol Ostavld (tabuľka 10.1). Pri schematickom zaznamenávaní agregovaného stavu dispergovaných systémov sa agregovaný stav dispergovanej fázy najskôr označí písmenami G (plyn), F (kvapalina) alebo T (tuhá látka) a potom sa vloží pomlčka (alebo znak zlomku). a zaznamená sa súhrnný stav disperzného média.

Tabuľka 10.1 - Klasifikácia rozptýlených systémov

Klasifikácia disperzných systémov podľa intenzity molekulovej interakcie

Túto klasifikáciu navrhol G. Freindlich a používa sa výlučne pre systémy s kvapalným disperzným médiom.

1. Lyofilné systémy , v ktorých dispergovaná fáza interaguje s disperzným prostredím a za určitých podmienok je schopná sa v ňom rozpúšťať - ide o roztoky koloidných tenzidov (tenzidov), roztoky makromolekulárnych zlúčenín (HMC). Spomedzi rôznych lyofilných systémov sú z praktického hľadiska najdôležitejšie povrchovo aktívne látky, ktoré môžu byť ako v molekulárne rozpustenom stave, tak aj vo forme agregátov (micel) pozostávajúcich z desiatok, stoviek alebo viacerých molekúl.
2. Lyofóbne systémy , v ktorom dispergovaná fáza nie je schopná interagovať s disperzným prostredím a rozpúšťať sa v ňom. V lyofóbnych systémoch je interakcia medzi molekulami rôznych fáz oveľa slabšia ako v prípade lyofilných systémov; medzifázové povrchové napätie je vysoké, v dôsledku čoho má systém tendenciu k samovoľnému zhrubnutiu častíc dispergovanej fázy.

Klasifikácia disperzných systémov podľa fyzikálneho stavu

Autorom klasifikácie je P. Rebinder. Podľa tejto klasifikácie sa disperzný systém označuje zlomkom, v ktorom je dispergovaná fáza umiestnená v čitateli a disperzné médium je v menovateli. Napríklad: T1/W2 označuje dispergovaný systém s pevnou fázou (index 1) a kvapalným disperzným médiom (index 2). Rehbinderova klasifikácia rozdeľuje disperzné systémy do dvoch tried:

1. Voľne rozptýlené systémy – sóly, v ktorých dispergovaná fáza netvorí súvislé tuhé štruktúry (mriežky, nosníky alebo rámy), má tekutosť a častice dispergovanej fázy sa navzájom nedotýkajú, zúčastňujú sa na náhodnom tepelnom pohybe a voľne sa pohybujú pôsobením gravitácie . Patria sem aerosóly, lyosóly, zriedené suspenzie a emulzie.

Príklady voľne rozptýlených systémov:

• Dispergované systémy v plynoch s koloidnou disperziou (T 1 /G 2 - prach v horných vrstvách atmosféry, aerosóly), s hrubou disperziou (T 1 /G 2 - dym a Zh 1 /G 2 - hmly);
• Dispergované systémy v kvapalinách s koloidnou disperziou (T 1 / W 2 - lyosoly, disperzné farbivá vo vode, latexy syntetických polymérov), s hrubou disperziou (T 1 / W 2 - suspenzie; W 1 / W 2 - kvapalné emulzie; G 1 / Zh 2 - plynové emulzie);
• Dispergované systémy v pevných látkach: T 1 /T 2 - pevné sóly, napríklad sól žltého kovu v skle, pigmentované vlákna, plnené polyméry.

2. Kohézne disperzné (alebo spojité) systémy . V spojitých (koherentne rozptýlených) systémoch tvoria častice dispergovanej fázy tuhé priestorové štruktúry. Takéto systémy odolávajú šmykovej deformácii. Kohézne disperzné systémy sú pevné; vznikajú, keď sa častice dispergovanej fázy dostanú do kontaktu, čo vedie k vytvoreniu štruktúry vo forme skeletu alebo siete, ktorá obmedzuje tekutosť dispergovaného systému a dáva mu schopnosť zachovať si svoj tvar. Takéto štruktúrované koloidné systémy sa nazývajú gély.

Príklady prepojených rozptýlených systémov:

• Dispergované systémy s kvapalným rozhraním (G 1 / Zh 2 - pena; Zh1 / Zh 2 - penové emulzie);
• Disperzné systémy s rozhraním tuhej fázy (G 1 /T 2 - porézne telesá, prírodné vlákna, pemza, huba, drevené uhlie; W 1 /T 2 - vlhkosť v žule; T 1 /T 2 - vzájomne sa prenikajúce siete polymérov).

Príprava a čistenie koloidných roztokov

Získanie koloidných roztokov

Je možné získať koloidné roztokydisperzný alebo k kondenzácia metódy.

1. Disperzné metódy- sú to metódy na získanie lyofóbnych sólov rozdrvením veľkých kusov na agregáty koloidnej veľkosti.

mechanický drvenie hrubodisperzných systémov sa uskutočňuje: drvením, nárazom, obrusovaním, štiepaním. Mletie častíc na veľkosti niekoľkých desiatok mikrónov sa vykonáva pomocou guľové mlyny.Veľmi jemné drvenie (do 0,1-1 mikrónu) sa dosiahne na špeciálnomkoloidné mlynys úzkou medzerou medzi rýchlo rotujúcim rotorom (10-20 tisíc ot./min.) a pevným telesom a častice sa v medzere trhajú alebo obrusujú.Práce P. A. Rebindera preukázali fenomén zníženia odolnosti pevných látok voči elastickým a plastickým deformáciám, ako aj mechanickej deštrukcii pod vplyvom adsorpcie povrchovo aktívnych látok. Povrchovo aktívne látky uľahčujú disperziu a prispievajú k výraznému zvýšeniu stupňa disperzie.

2. Kondenzačné metódy- sú to spôsoby získavania koloidných roztokov spájaním (kondenzáciou) molekúl a iónov do agregátov koloidných veľkostí. Systém sa transformuje z homogénneho na heterogénny, t.j. vzniká nová fáza (dispergovaná fáza). Predpokladom je presýtenie pôvodný systém.

Kondenzačné metódy sa klasifikujú podľa povahy síl spôsobujúcich kondenzáciu na fyzikálnu kondenzáciu a chemickú kondenzáciu.

fyzická kondenzácia sa môže uskutočniť z pár alebo výmenou rozpúšťadla.

kondenzácia pár. Východiskový materiál je v pároch. Keď teplota klesá, para sa presýti a čiastočne kondenzuje, čím sa vytvorí dispergovaná fáza. Týmto spôsobom sa získavajú hydrosóly ortuti a niektorých ďalších kovov.

Metóda výmeny rozpúšťadla. Metóda je založená na zmene zloženia a vlastností disperzného média. Napríklad alkoholový roztok síry, fosforu alebo kolofónie sa naleje do vody, v dôsledku zníženia rozpustnosti látky v novom rozpúšťadle sa roztok presýti a časť látky kondenzuje a vytvára častice dispergovanej fázy.

Chemická kondenzácia spočíva v tom, že látka, ktorá tvorí dispergovanú fázu, sa získa ako výsledok chemickej reakcie. Aby reakcia vytvorila koloidný roztok a nie skutočný roztok alebo zrazeninu, musia byť splnené aspoň tri podmienky:

1. látka dispergovanej fázy je nerozpustná v disperznom prostredí;
2. rýchlosť tvorby zárodkov kryštálov dispergovanej fázy je oveľa väčšia ako rýchlosť rastu kryštálov; táto podmienka je zvyčajne splnená, keď sa koncentrovaný roztok jednej zložky za intenzívneho miešania naleje do veľmi zriedeného roztoku inej zložky;
3. jedna z východiskových látok sa odoberie v nadbytku, je to práve stabilizátor.

Spôsoby čistenia koloidných roztokov.

Koloidné roztoky získané tak či onak sú zvyčajne čistené od nízkomolekulárnych nečistôt (molekúl a iónov). Odstránenie týchto nečistôt sa uskutočňuje metódami dialýzy, (elektrodialýzy), ultrafiltrácie.

Dialýza– metóda čistenia pomocou polopriepustnej membrány, ktorá oddeľuje koloidný roztok od čistého disperzného média. Ako semipermeabilné (t.j. priepustné pre molekuly a ióny, ale nepriepustné pre častice dispergovanej fázy) sa používajú membrány, pergamen, celofán, kolódiové, keramické filtre a iné jemne porézne materiály. V dôsledku difúzie prechádzajú nízkomolekulárne nečistoty do vonkajšieho roztoku.

Ultrafiltrácia nazývaná dialýza, vykonávaná pod tlakom vo vnútornej komore. Ultrafiltrácia v podstate nie je spôsob čistenia sólov, ale iba spôsob ich koncentrácie.

Optické vlastnosti koloidných roztokov

Keď svetlo dopadá na disperzný systém, možno pozorovať nasledujúce javy:

• prechod svetla cez systém;
• lom svetla časticami dispergovanej fázy (ak sú tieto častice priehľadné);
• odraz svetla časticami dispergovanej fázy (ak sú častice nepriehľadné);
• rozptyl svetla;
• absorpcia ( absorpcia) svetla rozptýlenou fázou.

Rozptyl svetla pozorované pre systémy, v ktorých sú častice dispergovanej fázy menšie alebo úmerné vlnovej dĺžke dopadajúceho svetla. Pripomeňme, že veľkosť častíc dispergovanej fázy v koloidných roztokoch je 10 -7 -10 -9 m) V dôsledku toho je rozptyl svetla charakteristickým javom pre koloidné systémy, ktoré študujeme.

Rayleigh vytvoril teóriu rozptylu svetla. Odvodil rovnicu, ktorá dáva do súvislosti intenzitu rozptýleného svetla I s intenzitou dopadajúceho svetla I 0 . spravodlivé za predpokladu, že:

• častice sú sférické;
• častice nevedú elektriny(t. j. sú nekovové);
• častice neabsorbujú svetlo, to znamená, že sú bezfarebné;
• koloidný roztok je zriedený do takej miery, že vzdialenosť medzi časticami je väčšia ako vlnová dĺžka dopadajúceho svetla.

Rayleighova rovnica:

• kde V je objem jednej častice,
• λ - vlnová dĺžka;
• n 1 je index lomu častice;
• n o je index lomu média.

Z Rayleighovej rovnice vyplývajú tieto závery:

1. Intenzita rozptýleného svetla je tým väčšia, čím viac sa indexy lomu častice a média líšia (n 1 - P 0 ).
2. Ak indexy lomu P 1 a n 0 sú rovnaké, potom v nehomogénnom médiu nebude rozptyl svetla chýbať.
3. Intenzita rozptýleného svetla je tým väčšia, čím väčšia je čiastočná koncentrácia v. Hromadná koncentrácia c, g / dm 3, ktorý sa zvyčajne používa pri príprave roztokov, sa spája s čiastočnou koncentráciou výrazom:

kde ρ je hustota častíc.

Treba poznamenať, že táto závislosť je zachovaná len v oblasti malých veľkostí častíc. Pre viditeľnú časť spektra táto podmienka zodpovedá hodnotám 2 10 -6 cm< r < 4 10 -6 см. С увеличением r рост ja spomaľuje a pre r > λ, rozptyl je nahradený odrazom. Intenzita rozptýleného svetla je priamo úmerná koncentrácii.

4. Intenzita rozptýleného svetla je nepriamo úmerná vlnovej dĺžke k štvrtej mocnine.

To znamená, že keď lúč bieleho svetla prechádza cez koloidný roztok, krátke vlny - modrá a fialová časť spektra - sú prevažne rozptýlené. Preto má bezfarebný sól v rozptýlenom svetle modrastú farbu a v prechádzajúcom svetle červenkastú farbu. Modrá farba oblohy je spôsobená aj rozptylom svetla drobnými kvapôčkami vody v atmosfére. Oranžová alebo červená farba oblohy pri východe alebo západe slnka je spôsobená tým, že ráno alebo večer je hlavne svetlo, ktoré prešlo atmosférou.

absorpcia svetla. Rayleighova rovnica bola odvodená pre nesfarbené sóly, t.j. neabsorbujúce svetlo. Mnohé koloidné roztoky však majú určitú farbu, t.j. absorbovať svetlo v zodpovedajúcej oblasti spektra - sól je vždy zafarbený v komplementárnej farbe k absorbovanej farbe. Takže absorbovaním modrej časti spektra (435-480 nm) sa sól zmení na žltý; po absorpcii modrozelenej časti (490-500 nm) získava červenú farbu.Ak lúče celého viditeľného spektra prechádzajú cez priehľadné teleso alebo sa odrážajú od nepriehľadného telesa, potom sa priehľadné teleso javí ako bezfarebné a nepriehľadné sa javí ako biele. Ak teleso absorbuje žiarenie z celého viditeľného spektra, javí sa ako čierne.Optické vlastnosti koloidných roztokov schopných absorbovať svetlo možno charakterizovať zmenou intenzity svetla pri prechode systémom. Na tento účel použite zákon Bouguer-Lambert-Beer:

kde ja 0 je intenzita dopadajúceho svetla ; ja atď je intenzita svetla prenášaného cez sól; k - absorpčný koeficient; l- hrúbka vrstvy sólu; s- koncentrácia sólu.

Ak vezmeme logaritmus výrazu, dostaneme:

Hodnota sa volá optická hustota Riešenie . Pri práci s monochromatickým svetlom vždy udávajú, pri akej vlnovej dĺžke bola stanovená optická hustota, označujúc ju D λ .

Micelárna teória štruktúry koloidných systémov

Uvažujme štruktúru hydrofóbnej koloidnej častice na príklade tvorby AgI sólu výmennou reakciou

AgNO 3 + KI → AgI + KNO 3.

Ak sa látky odoberú v ekvivalentných množstvách, potom sa vyzráža kryštalická zrazenina AgI. Ak je však jedna z počiatočných látok v nadbytku, napríklad KI, proces kryštalizácie AgI vedie k vytvoreniu koloidného roztoku - miciel AgI.

Štruktúrny diagram AgI hydrosolových miciel je znázornený na obr. 10.4.

Obrázok 10.4 - Schéma AgI hydrosólovej micely vytvorenej s prebytkom KI

Agregát molekúl [ mAgI ] 100-1000 (mikrokryštály) - jadro, je zárodkom novej fázy, na povrchu ktorej prebieha adsorpcia iónov elektrolytu v disperznom prostredí. Podľa Panet-Fajansovho pravidla sa ióny lepšie adsorbujú, rovnako ako ióny, ktoré vstupujú do kryštálovej mriežky jadra a dotvárajú túto mriežku. Ióny, ktoré sa adsorbujú priamo do jadra, sa nazývajú potenciálne určujúce, keďže určujú veľkosť potenciálu a znamienko povrchového náboja, ako aj znamienko náboja celej častice. Potenciálne určujúce ióny v tomto systéme sú I - ióny, ktorých je nadbytok, sú súčasťou kryštálovej mriežky jadra AgI, pôsobia ako stabilizátory a tvoria vnútorný obal v tvrdej časti dvojitej elektrickej vrstvy (EDL) micela. Agregát s adsorbovanými iónmi I - tvorí jadro micely.

K negatívne nabitému povrchu častíc AgI vo vzdialenosti blízko polomeru hydratovaného iónu sú z roztoku priťahované ióny opačného znamienka (protiióny) - kladne nabité ióny K +. Vrstva protiiónov - vonkajší obal dvojitej elektrickej vrstvy (EDL), je držaná ako elektrostatickými silami, tak silami adsorpčnej príťažlivosti. Agregát molekúl spolu s pevnou dvojvrstvou sa nazýva koloidná častica – granula.

Časť protiiónov v dôsledku tepelného pohybu je umiestnená difúzne okolo granuly a sú s ňou spojené iba v dôsledku elektrostatických síl. Koloidné častice spolu s difúznou vrstvou, ktorá ich obklopuje, sa nazývajú micely. Micela je elektricky neutrálna, pretože náboj jadra sa rovná náboju všetkých protiiónov a granula má zvyčajne náboj, ktorý sa nazýva elektrokinetický alebo ξ - zeta - potenciál. V skrátenej forme môže byť schéma štruktúry miciel pre tento príklad napísaná takto:

Jedným z hlavných ustanovení teórie štruktúry koloidných častíc je koncept štruktúry dvojitej elektrickej vrstvy (EDL). Podľa moderných predstáv, dvojitá elektrická vrstva DELpozostáva z adsorpčnej a difúznej vrstvy. Adsorpčná vrstva pozostáva z:

• nabitý povrch jadra micely v dôsledku adsorpcie iónov určujúcich potenciál na ňom, ktoré určujú veľkosť povrchového potenciálu a jeho znamienko;
• vrstva iónov opačného znamienka - protiióny, ktoré sú priťahované z roztoku k nabitému povrchu. Adsorpčná vrstva protiiónov umiestnené vo vzdialenosti molekulárneho polomeru od nabitého povrchu. Medzi týmto povrchom a protiiónmi adsorpčnej vrstvy existujú tak elektrostatické, ako aj adsorpčné sily, a preto sú tieto protiióny obzvlášť silne viazané na jadro. Adsorpčná vrstva je veľmi hustá, jej hrúbka je konštantná a nezávisí od zmien vonkajších podmienok (koncentrácia elektrolytu, teplota).

V dôsledku tepelného pohybu časť protiiónov preniká hlboko do disperzného média a ich priťahovanie k nabitému povrchu granule sa uskutočňuje iba v dôsledku elektrostatických síl. Tieto protiióny tvoria difúznu vrstvu, ktorá je menej pevne spojená s povrchom. Difúzna vrstva má premenlivú hrúbku, ktorá závisí od koncentrácie elektrolytov v disperznom prostredí.

Pri vzájomnom pohybe tuhej a kvapalnej fázy dochádza v difúznej časti k prerušeniu DEL a na fázovom rozhraní nastáva potenciálny skok, ktorý je tzv. elektrokinetický ξ - potenciál(zeta – potenciál). Jeho hodnota je určená rozdielom medzi celkovým počtom nábojov (φ) potenciál určujúcich iónov a počtom nábojov protiiónu (ε) obsiahnutých v adsorpčnej vrstve, t.j. ξ = φ - ε. Pokles medzifázového potenciálu so vzdialenosťou od pevnej fázy hlboko do roztoku je znázornený na obr. 10.5.

Obrázok 10.5 Štruktúra DPP

Prítomnosť potenciálneho rozdielu okolo častíc hydrofóbneho sólu bráni ich zlepeniu počas kolízie, to znamená, že sú faktorom agregovanej stability sólu. Ak počet difúznych iónov klesá alebo má tendenciu k nule, potom sa granula stáva elektricky neutrálnou (izoelektrický stav) a má najmenšiu stabilitu.

Veľkosť elektrokinetického potenciálu teda určuje odpudivé sily, a teda agregovanú stabilitu koloidného roztoku. Pri hodnote elektrokinetického potenciálu ξ = 0,07 V je zabezpečená dostatočná stabilita koloidného roztoku, pri hodnotách menších ako ξ = 0,03 V sú odpudivé sily príliš slabé na to, aby odolali agregácii, a preto dochádza ku koagulácii, ktorá nevyhnutne končí sedimentácia.

Veľkosť elektrokinetického potenciálu možno určiť pomocou zariadenia na elektroforézu podľa vzorca (10.5):

kde η je viskozita; ϑ - rýchlosť pohybu častíc; l je vzdialenosť medzi elektródami pozdĺž roztoku; E - elektromotorická sila, D - dielektrická konštanta.

Faktory ovplyvňujúce ξ - potenciál:

1. Prítomnosť indiferentného elektrolytu v roztoku - elektrolytu, ktorý neobsahuje ión určujúci potenciál.

• Indiferentný elektrolyt obsahuje protiión. V tomto prípade je difúzna vrstva stlačená a ξ klesá a v dôsledku toho dochádza ku koagulácii.
• Indiferentný elektrolyt obsahuje ión rovnakého znamienka ako protiión, ale nie samotný protiión. V tomto prípade dochádza k výmene iónov: protiión je nahradený iónmi indiferentného elektrolytu. Pozoruje sa pokles ξ, ale stupeň poklesu bude závisieť od povahy substitučného iónu, jeho mocenstva a stupňa hydratácie. Lyotropný rad katiónov a aniónov - rad, v ktorom sú ióny usporiadané podľa ich schopnosti stlačiť difúznu vrstvu a spôsobiť pokles ξ potenciálu.

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. Pridanie roztoku stabilizačný elektrolyt- elektrolyt obsahujúci potenciálne determinovaný ión spôsobuje zvýšenie ξ - potenciálu, a preto prispieva k stabilite koloidného systému, avšak do určitej hranice.

Stabilita a koagulácia koloidných systémov

Modernú teóriu stability a koagulácie koloidných systémov vytvorili viacerí známi vedci: Deryagina, Landau, Verwey, Overbeck, a preto sa označuje skratkou ako DLVO teória . Podľa tejto teórie je stabilita disperzného systému určená rovnováhou príťažlivých a odpudivých síl, ktoré vznikajú medzi časticami, keď sa k sebe približujú v dôsledku Brownovho pohybu. Existuje kinetická a agregátna stabilita koloidných systémov.

1. Kinetická (sedimentačná) stabilita- schopnosť dispergovaných častíc byť v suspenzii a neusadzovať sa (nie sedimentovať). V rozptýlených systémoch, rovnako ako v prírodných roztokoch, existuje Brownov pohyb. Brownov pohyb závisí od veľkosti častíc, viskozity disperzného média, teploty atď. Jemne rozptýlené systémy (soly), ktorých častice sa pôsobením gravitácie prakticky neusadzujú, sú kineticky (sedimentácia) stabilné. Patria sem aj hydrofilné sóly - roztoky polymérov, proteínov atď. Hydrofóbne sóly, hrubé systémy (suspenzie, emulzie) sú kineticky nestabilné. V nich prebieha oddelenie fázy a média pomerne rýchlo.
2. Agregátna stabilita- schopnosť častíc dispergovanej fázy udržať určitý stupeň disperzie nezmenený. V agregátoch stabilných systémoch sa častice dispergovanej fázy počas kolízií nezlepujú a netvoria agregáty. Ak je však narušená stabilita agregátu, koloidné častice tvoria veľké agregáty, po ktorých nasleduje precipitácia dispergovanej fázy. Takýto proces sa nazýva koagulácia a prebieha spontánne, pretože voľná energia systému klesá (Δ G<0) .

Faktory, ktoré ovplyvňujú stabilitu koloidných systémov, zahŕňajú:

1. Prítomnosť elektrického náboja rozptýlených častíc. Dispergované častice lyofóbnych sólov majú rovnaký náboj, a preto sa pri zrážke budú navzájom odpudzovať, čím silnejšie, čím vyšší je zeta potenciál. Elektrický faktor však nie je vždy rozhodujúci.
2. Schopnosť solvatovať (hydratovať) stabilizujúce ióny. Čím viac hydratovaných (solvátovaných) protiiónov v difúznej vrstve, tým väčší je celkový hydratovaný (solvátovaný) obal okolo granúl a tým stabilnejší je dispergovaný systém.

Podľa teórie sa počas Brownovho pohybu koloidné častice voľne približujú k sebe na vzdialenosť až 10 -5 Povaha zmeny van der Waalsových príťažlivých síl (1) a elektrostatických odpudivých síl (2) medzi koloidnými časticami je znázornená na obr. 10.6. Výsledná krivka (3) bola získaná geometrickým sčítaním zodpovedajúcich ordinát. Pri minimálnych a veľkých vzdialenostiach medzi časticami prevláda príťažlivá energia (energetické minimá I a II). V druhom energetickom minime je energia súdržnosti častíc nedostatočná na to, aby ich udržala v agregovanom stave. Pri stredných vzdialenostiach zodpovedajúcich hrúbke elektrickej dvojvrstvy prevláda odpudivá energia s potenciálnou bariérou AB, ktorá zabraňuje zlepeniu častíc. Prax ukazuje, že pri zeta potenciáli ξ = 70 mV sa koloidné systémy vyznačujú vysokou potenciálovou bariérou a vysokou agregačnou stabilitou. Na destabilizáciu koloidného systému, t.j. implementáciu koagulačného procesu, je potrebné znížiť -potenciál do hodnôt 0 - 3 mV.

Obrázok 10.6. Potenciálne krivky interakcie koloidných častíc

Koagulácia disperzných systémov

Koagulácia - proces adhézie koloidných častíc. Tento proces prebieha pomerne ľahko pod vplyvom rôznych faktorov: zavádzanie elektrolytov, neelektrolytov, mrazenie, varenie, miešanie, vystavenie slnečnému žiareniu atď. elektrolytická koagulácia (pod vplyvom elektrolytov)Často sa pozoruje iónomeničová adsorpcia: koagulačné ióny s vyššou valenciou alebo vyšším adsorpčným potenciálom vytláčajú protiióny najskôr z difúznej vrstvy a potom z adsorpčnej vrstvy. Výmena prebieha v ekvivalentnom množstve, ale nahradenie protiiónov vedie k tomu, že pri dostatočnej koncentrácii elektrolytov v dispergovanom médiu častice strácajú svoju stabilitu a pri zrážke sa zlepujú.

Pre elektrolytickú koaguláciu sa stanovilo niekoľko všeobecných experimentálnych pravidiel:

1. Zrážanie lyofóbnych sólov je spôsobené akýmikoľvek elektrolytmi, ale pozoruje sa značnou rýchlosťou, keď sa dosiahne určitá koncentrácia elektrolytu. Koagulačný prah(C až) je minimálna koncentrácia elektrolytu potrebná na spustenie koagulácie sólu. V tomto prípade sa pozorujú vonkajšie zmeny, ako je zakalenie roztoku, zmena jeho farby atď.

• kde Sal je molárna koncentrácia elektrolytu, mmol/l;
• Vel - objem roztoku elektrolytu, l;
• Vz je objem solu, l.

Prevrátená hodnota koagulačného prahu sa nazýva koagulačná schopnosť () elektrolytu:

kde Ck je koagulačný prah.

2. Schultz-Hurdyho pravidlo:

• koagulačný účinok vykazuje ten ión, ktorého náboj je v znamienku opačný ako náboj na povrchu koloidných častíc (náboj granule), pričom tento účinok sa zvyšuje so zvyšujúcou sa mocnosťou iónu;
• koagulačný účinok iónov sa mnohonásobne zvyšuje so zvýšením valencie iónov. Pre jedno-dvojmocné a trojmocné ióny je koagulačný účinok približne 1: 50: 500.

To je vysvetlené skutočnosťou, že multivalentné vysoko nabité ióny koagulantov sú oveľa silnejšie priťahované nabitým povrchom koloidnej častice ako monovalentné a oveľa ľahšie vytesňujú protiióny z difúznej a dokonca aj adsorpčnej vrstvy.

3. Koagulačný účinok organických iónov je oveľa vyšší ako u anorganických. Je to spôsobené ich vysokou adsorpčnou kapacitou, schopnosťou adsorbovať sa v superekvivalentnom množstve a tiež spôsobiť opätovné nabitie povrchu koloidných častíc.

4. U viacerých anorganických iónov s rovnakým nábojom závisí koagulačná schopnosť od polomeru iónu - koagulantu: čím väčší je polomer, tým väčšia je koagulačná schopnosť (viď. lyotropná séria). Vysvetľuje sa to tým, že stupeň hydratácie iónov klesá napríklad z L+ na Cs+, čo uľahčuje jeho zabudovanie do dvojitej iónovej vrstvy.

5. Elektricky neutrálne častice lyofóbnych koloidných sólov koagulujú s najvyššou rýchlosťou.

6. Fenomén závislosti na soli. Ak sa k sólu rýchlo pridá koagulant, potom dôjde ku koagulácii, ak pomaly, k zrážaniu nedochádza. To možno vysvetliť skutočnosťou, že medzi elektrolytom a sólom dochádza k reakcii, v dôsledku ktorej sa vytvárajú peptizéry, ktoré stabilizujú dispergovaný systém:

Fe (OH)3 + HCl → FeOCl + 2H20,

FeOCl → FeO + + Cl -,

kde FeO + je peptizér pre Fe (OH) 3 sól.

Koagulačný účinok zmesi elektrolytov sa prejavuje rôzne v závislosti od charakteru iónu – koagulátora. V zmesi elektrolytov sa účinok môže pridať ku koagulačnému účinku každého elektrolytu. Tento jav sa nazýva aditívnosť ióny (NaCl, KCl). Ak koagulačný účinok iónov elektrolytu klesá so zavedením iónov iného elektrolytu, antagonizmus iónov (LiCl, MgCl 2 ). V prípade, keď sa koagulačný účinok iónov elektrolytu zvyšuje so zavedením iónov iného elektrolytu, tento jav sa nazýva spolupráca ióny.

Zavedenie napríklad 10 ml 10 % roztoku NaCl do 10 ml sólu Fe(OH)3 vedie ku koagulácii tohto sólu. Tomu sa však dá vyhnúť, ak sa do roztoku sólu pridá jedna z ochranných látok: 5 ml želatíny, 15 ml vaječného albumínu, 20 ml dextrínu.

Ochrana koloidných častíc

Koloidná ochrana- zvýšenie agregovanej stability sólu zavedením makromolekulovej zlúčeniny (HMC) do sólu. Pre hydrofóbne sóly sa ako IUD zvyčajne používajú proteíny, sacharidy, pektíny; pre nevodné sóly - kaučuky.

Ochranný účinok IUD je spojený s tvorbou určitej adsorpčnej vrstvy na povrchu koloidných častíc (obrázok 10.7). Opačná strana koagulácie sa nazýva peptizácia.

Obrázok 10.7 Mechanizmus peptizácie

Na charakterizáciu ochranného účinku rôznych námorných síl navrhol Zsigmondy použiť zlaté číslo.zlaté čísloje počet miligramov IUD, ktoré sa majú pridať do 10 cm 3 0,0006% sól červeného zlata, aby sa zabránilo jeho zmodraniu (koagulácii), keď sa k nemu pridá 1 cm 3 10 % roztok NaCl. Niekedy sa namiesto zlatého sólu na charakterizáciu ochranného účinku IUD používajú koloidné roztoky striebra (strieborné číslo), hydroxid železitý (číslo železa) atď.Tabuľka 10.2 ukazuje význam týchto čísel pre niektoré IUD.

Tabuľka 10.2 Ochranné pôsobenie IUD

Po získaní koloidných roztokov sú takmer vždy kontaminované nečistotami – nadbytkom pôvodného elektrolytu alebo stabilizátora. Aby sa získali stabilné koloidné roztoky schopné dlhodobého skladovania, vakcíny a séra vhodné na lekárske použitie, sú purifikované. Na tento účel sa používa filtrácia, dialýza, elektrodialýza a ultrafiltrácia.

Filtrácia cez papierové filtre - ide o čistenie od hrubých nečistôt.

Dialýza- ide o proces čistenia sólu od nečistôt s nízkou molekulovou hmotnosťou, ktoré ľahko prechádzajú cez polopriepustnú membránu do čistého rozpúšťadla, pričom väčšie koloidné častice neprechádzajú a zostávajú v dialyzačnom vaku (obr. 2.3a). Membrány sú prírodné a umelé - z celofánu, hovädzieho alebo rybieho mechúra, kolódia atď. Proces dialýzy je dlhý, preto sa urýchľuje, využíva sa elektrodialýza.

Elektrodialýza- dialýza pomocou elektrického prúdu, ktorá vytvára usmernený pohyb iónov s nízkou molekulovou hmotnosťou cez semipermeabilnú membránu, čo urýchľuje čistenie od nízkomolekulárnych elektrolytov a nečistôt (obr. 2.3b).

Ultrafiltrácia(oddelenie dispergovanej fázy od média) je filtrácia cez polopriepustnú membránu pod tlakom alebo pomocou vákua, v dôsledku čoho vzniká na oboch stranách membrány tlakový rozdiel, ktorý urýchľuje dialýzu. V prístroji "umelá oblička" sa používa ultrafiltrácia a elektrodialýza. V organizme podľa princípu ultrafiltrácie v obličkových nefrónoch dochádza k neustálemu čisteniu krvi od nízkomolekulárnych produktov metabolizmu (amoniak, fosfáty, chloridy, xenobiotiká).

Ryža. 2.3 Čistenie koloidných roztokov

1 - rozpúšťadlo (voda)

2 - koloidný roztok

3 - membrána

a. Dialýza b. Elektrodialýza 4 - elektródy

2.4. Štruktúrou koloidných častíc sú micely.

Jednotlivé častice koloidných roztokov sú tzv micely. Micely majú zložitú štruktúru. Micelárna teória je založená na prítomnosti dvojitej elektrickej vrstvy v micelách. Môže tvoriť:

– buď v dôsledku selektívnej adsorpcie iónov na povrchu;

– alebo v dôsledku ionizácie molekúl pevnej fázy.

Uvažujme tvorbu miciel v koloidnom roztoku jodidu strieborného získaného metódou chemickej kondenzácie podľa výmennej reakcie: AgNO 3 + KJ = AgJ↓ + KNO 3

V závislosti od pomeru východiskových látok môžu nastať tri prípady:

a) s ekvivalentným pomeromčinidiel, nemôže vzniknúť koloidný roztok, dochádza k stabilizácii systému v dôsledku zmenšenia plochy povrchu, t.j. Rast a zrážanie kryštálov AgJ.

b) zvážiť vytvorenie micely s miernym prebytkom KJ. V tomto prípade môže byť pokles povrchovej energie spôsobený adsorpciou iónov z roztoku. Podľa Panet-Fajansovho pravidla sa z roztoku elektrolytu na povrchu mikrokryštálov adsorbuje ión, ktorý je súčasťou pevnej látky a je schopný doplniť svoju kryštálovú mriežku. V našom prípade roztok obsahuje ióny K + a J -. Dobudovanie kryštálovej mriežky agregátu je spôsobené iónmi J -, ktoré sú súčasťou kryštálu. Na povrchu mikrokryštálov (agregát micel) sa adsorbujú jodidové ióny v množstve "n" a povrch získava záporný náboj: m nJ -, preto sú tzv. potenciálotvorné. Sformovaný jadro micely. Zvyšné častice sú priťahované k povrchu jadra z roztoku. protiióny draslík, K + (ale nie všetky, ale v množstve "n - x").

Okolo jadra sa tvoria potenciálne ióny J - a súvisiace protiióny K + hustá adsorpčná vrstva. Má náboj. Jeho potenciál sa nazýva zeta potenciál. Jednotkou s adsorpčnou vrstvou je granule: ( m nJ - (n-x) K + ) x-

Pretože v adsorpčnej vrstve je viac iónov tvoriacich potenciál ako protiiónov, má granula náboj, ktorý sa zhoduje v znamienku s nábojom iónov tvoriacich potenciál.

Adsorpčná vrstva granúl nezahŕňa všetky protiióny K +, ale iba časť (n-x) a zvyšné protiióny K + (x) sú ďalej - vo voľnej difúznej vrstve. prečo? Protiióny zažívajú pôsobenie dvoch opačných síl:

1. príťažlivosť k nabitému povrchu jadra;

2. tepelný pohyb, snažiaci sa ich rovnomerne rozložiť v objeme.

Preto hustota protiiónovej vrstvy klesá so vzdialenosťou od nabitého povrchu granule.

elektrická dvojvrstva, DES

{ m nJ - (n-x) K+ } x- xK + ∙ l H20

jadro potenciálne protiióny voľne hydratované

tvoriaci difúzny plášť

Vrstva iónov

hustá adsorpčná vrstva

Vznikne granula s difúznou vrstvou micela. Micela je elektricky neutrálna. V závislosti od počiatočných koncentrácií roztokov, podmienok a iných faktorov sa čísla m, n a x môžu meniť. Vonku je micela obklopená hydratovanou škrupinou. Prebytok KJ sa adsorboval na povrchu mikrokryštálov nerozpustného jodidu strieborného a vytvoril sa elektrická dvojvrstva (DES). Táto ochranná vrstva zabraňuje rastu kryštálov a zrážaniu. Preto je stabilizátorom nadbytok elektrolytu, z ktorého sa vytvorí dvojitá elektrická vrstva.

c) ak je mierny nadbytok iného elektrolytu, AgNO 3 , tak zloženie koloidnej micely bude iné. Agregát bude stále zložený z molekúl jodidu strieborného, ​​AgJ. Ale po vytvorení malých kryštálikov zrazeniny AgJ - jadier zostali v roztoku iba ióny Ag + a NO 3 -. Podľa Panet-Fajansovho pravidla sa na povrchu môžu adsorbovať iba ióny Ag +, čím sa dotvorí jeho kryštálová mriežka.

Ag + - potenciálotvorné ióny. Vznikne jadro - mnAg + . To znamená, že ióny NO 3 - budú protiiónmi. Spolu s iónmi Ag+ tvoria adsorpčnú vrstvu a spolu s agregátom tvoria kladne nabitú granulu:

(mnAg + (n-x) N03-) x +

Zvyšných x iónov NO 3 - je obsiahnutých v difúznej vrstve miciel. Sú vyriešené

( m nAg + (n-x) NO 3 - ) x + xNO 3 - l H20

2.4 Schéma štruktúry koloidnej micely sólu jodidu strieborného Obr.

a) získaná s nadbytkom KJ

b) získané s nadbytkom AgNO 3

2.5. Elektrokinetické javy v sóloch - elektroforéza a elektroosmóza

Micela síce nie je nabitá, ale ak je umiestnená v elektrickom poli, potom sa ióny voľnej difúznej vrstvy odlomia a presunú k elektróde s opačným znamienkom a nabitá granula k druhej elektróde.

Pohyb tuhej disperznej fázy voči stacionárnemu disperznému prostrediu v elektrickom poli sa nazýva elektroforéza.

Počas elektroforézy sólu jodidu strieborného stabilizovaného pomocou KJ sa teda katióny voľnej difúznej vrstvy odlomia a migrujú ku katóde („–“ elektróda) ​​a záporne nabitá granula sa presunie k anóde („+“ elektróda).

Pohyb kvapalného média vo vzťahu k tuhej disperznej fáze pri pôsobení elektrického poľa sa nazýva elektroosmóza. Prvýkrát tieto javy pozoroval v roku 1808 F.F. Let.

Tieto elektrokinetické javy by nebolo možné pozorovať, ak by v micele nebola žiadna elektrická dvojvrstva.

Ak všetky ióny difúznej vrstvy prejdú do adsorpčnej vrstvy, potom sa náboj protiiónov v hustej adsorpčnej vrstve bude rovnať náboju iónov tvoriacich potenciál a granula nebude mať žiadny náboj. Tento stav koloidného roztoku sa nazýva izoelektrický- IES. Tento stav koloidného systému je najmenej stabilný.

Elektroforéza a elektroosmóza sa v praxi široko používajú na:

– separácia bielkovín, α-aminokyselín, nukleových kyselín, antibiotík;

– nanášanie koloidných častíc gumy alebo farieb na kovové povrchy;

– dehydratácia poréznych materiálov;

- diagnostika mnohých chorôb;

Keď sa koloidné roztoky získajú jednou alebo druhou metódou, najmä pomocou chemických reakcií, je takmer nemožné presne predpovedať požadovaný kvantitatívny pomer činidiel. Z tohto dôvodu môže byť vo výsledných sóloch prítomný nadmerný nadbytok elektrolytov, čo znižuje stabilitu koloidných roztokov. Na získanie vysoko stabilných systémov a na štúdium ich vlastností sa sóly čistia od elektrolytov aj od všetkých druhov iných nízkomolekulárnych nečistôt.

Čistenie koloidných roztokov sa môže uskutočniť buď dialýzou alebo ultrafiltráciou.

Dialýza spočíva v extrakcii nízkomolekulárnych látok zo sólov čistým rozpúšťadlom pomocou polopriepustnej prepážky (membrány), cez ktorú neprechádzajú koloidné častice. Periodickou alebo priebežnou výmenou rozpúšťadla v zariadení na dialýzu - dialyzátor je možné takmer úplne odstrániť nečistoty elektrolytov a nízkomolekulárne neelektrolyty z koloidného roztoku.

Nevýhodou metódy je dlhé trvanie čistiaceho procesu (týždne, mesiace).

Elektrodialýza je proces dialýzy urýchlený aplikáciou elektrického prúdu. Zariadenie na jeho realizáciu sa nazýva elektrodialyzátor. Najjednoduchším elektrodialyzátorom je nádoba rozdelená dvoma membránami na tri komory. Koloidný roztok, ktorý sa má čistiť, sa naleje do strednej komory. Elektródy zo zdroja jednosmerného prúdu sa umiestnia do bočných komôr a rozpúšťadlo (voda) sa privádza a odstraňuje. Pod pôsobením elektrického poľa sa katióny prenášajú zo strednej komory do katódovej komory a anióny - do anódovej komory. Roztok v strednej komore sa môže v priebehu krátkeho času (minúty, hodiny) zbaviť rozpustených solí.

Kompenzačná dialýza a vividialýza- metódy vyvinuté na štúdium biologických tekutín, ktoré sú koloidnými systémami. Princíp metódy kompenzačnej dialýzy spočíva v tom, že v dialyzátore sa namiesto čistého rozpúšťadla používajú roztoky látok s nízkou molekulovou hmotnosťou rôznych koncentrácií, ktoré sa majú stanoviť. Napríklad na stanovenie neviazaného na proteíny, t. V tom riešení

Táto metóda je blízka metóde vividialýzy (vividifúzie) na stanovenie nízkomolekulárnych zložiek v krvi in ​​vivo. Na analýzu sa do koncov prerezanej cievy vložia sklenené kanyly, ktorých rozvetvené časti sú prepojené hadičkami z polopriepustného materiálu a celý systém sa umiestni do nádoby naplnenej fyziologickým roztokom alebo vodou. Týmto spôsobom sa zistilo, že okrem voľnej glukózy sú v krvi voľné aminokyseliny.

Princíp kompenzačnej vividializácie bol použitý na vytvorenie aparátu nazývaného „umelá oblička“. Pomocou „umelej obličky“ je možné očistiť krv od produktov látkovej premeny a dočasne nahradiť funkciu chorých obličiek v takých indikáciách, ako je akútne zlyhanie obličiek v dôsledku otravy, ťažké popáleniny atď.

Ultrafiltrácia- filtrácia koloidného roztoku cez polopriepustnú membránu, ktorá prechádza disperzným prostredím s nečistotami s nízkou molekulovou hmotnosťou a zadržiava častice dispergovanej fázy alebo makromolekúl. Na urýchlenie procesu ultrafiltrácie sa vykonáva s poklesom tlaku na oboch stranách membrány: vo vákuu (vákuum) alebo pod vysokým tlakom. Vákuum vzniká odsávaním vzduchu z nádoby umiestnenej pod filtrom, zvýšený tlak vzniká tlačením vzduchu do nádoby umiestnenej nad filtrom. Aby sa zabránilo pretrhnutiu membrány, je umiestnená na tvrdej poréznej doske. Ultrafiltrácia umožňuje rýchle oddelenie elektrolytov a iných nečistôt (organické zlúčeniny s nízkou molekulovou hmotnosťou) z koloidného roztoku ako dialýza. Počas ultrafiltrácie sa dosiahne vysoký stupeň čistenia sólu, pričom sa sól periodicky riedi vodou. V poslednom kroku je možné koloidný roztok zahustiť odsatím disperzného média. Ultrafiltráciu možno použiť v kombinácii s elektrodialýzou (elektroultrafiltráciou), ktorá výrazne urýchľuje odstraňovanie solí z koloidného roztoku.

Keďže póry bežného filtračného papiera ľahko prechádzajú koloidnými časticami, ako membrány pri ultrafiltrácii sa používajú špeciálne filtre (celofán, pergamen, azbest, keramické filtre atď.). Použitie membrány s určitou veľkosťou pórov umožňuje separovať koloidné častice do frakcií podľa veľkosti a približne určiť tieto veľkosti. Takže sa našli veľkosti niektorých vírusov a bakteriofágov. To všetko naznačuje, že ultrafiltrácia nie je len metódou na čistenie koloidných roztokov, ale možno ju použiť aj na účely disperznej analýzy a preparatívnej separácie disperzných systémov.