Навигация
2.2 Коллоидные системы
Коллоиды занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами.
На основании таблицы вы можете убедиться, что дисперсные системы чрезвычайно многообразны. Можно сказать, что они составляют основу всего живого мира. Распространенность их в быту, в технике, в промышленности также очень велика.
Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. В состав любого живого организма входят твердые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в сложнейших взаимоотношениях друг с другом и окружающей средой. Цитоплазма клеток обладает свойствами, характерными как для жидких, так и студнеобразных веществ. С химической точки зрения организм в целом - это сложная совокупность многих коллоидных систем, включающих в себя и жидкие коллоиды, и гели.
Если частицы дисперсной фазы достаточно малы, коллоидная система напоминает истинный раствор, отсюда и происходит название - коллоидный раствор. Такая систем образуется, например, при растворении небольшого количества яичного белка в воде.
Коллоидные растворы, как правило, опалесцируют, т.е. рассеивают падающий свет за счет частиц дисперсной фазы, размеры которых сравнимы с длиной волны излучения. При этом коллоидный раствор при освещении как бы светится сам. Характерным проявлением опалесценции является эффект Тиндаля. Он заключается в появлении в коллоидном растворе светящейся дорожки при пропускании через него луча света. Такой эффект можно наблюдать, выпустив на луч лазерной указки немного аэрозоля.
Существует несколько основных способов получения коллоидных растворов. Первый из них - дисперсионный, а проще говоря, дробление вещества на мелкие частицы в дисперсионной среде или вне ее. Такое дробление можно осуществлять механически с помощью специальных машин - коллоидных мельниц. Так получают, например, тушь, жидкие акварельные, водоэмульсионные и вододисперсионные краски. Дробление можно производить при помощи электрического тока (коллоидные растворы серебра, золота, платины) или ультразвука (коллоидные растворы гипса, графита, смол).
Второй способ получения коллоидов - химический, он основан на проведении различных реакций, приводящих к образованию нерастворимых в жидкости веществ.
При сливании очень разбавленных растворов нитрата серебра и хлорида натрия удается получить коллоидный раствор хлорида серебра:
AgNO3 + NaCl =AgCl + NaNO3.
С помощью реакции взаимодействия растворов тиосульфата натрия и кислоты можно получить коллоидный раствор серы:
Na2S2O3 + 2НС1 = 2NaCl + Н2О + SO2 + S
Восстановлением соли золота формальдегидом можно получить коллоидный раствор этого металла:
2NaAuO2 + ЗНСНО + Na2CO3 = = 2Au| + 3HCOONa + NaHCO3 + H2O.
Важнейшими типами коллоидных систем являются золи и гели.
2.2.1 Золи
Золи - это коллоидные системы, в которых дисперсионной средой является жидкость, а дисперсной фазой - твердое вещество. Отдельные частицы золя изолированы друг от друга дисперсионной средой. С течением времени они могут укрупняться, сталкиваясь друг с другом. Такое явление получило название коагуляция. В результате действия силы тяжести такие частицы выпадают в осадок, происходит их седиментация.
2.2.2 Гели
Кроме коагуляции, при длительном хранении гидрофильные золи могут превращаться в гели - особое студнеобразное коллоидное состояние. При этом отдельные частицы золя связываются друг с другом, образуя сплошную пространствен ную сетку. Внутрь ячеек сетки попадают частицы растворителя. Получается, что дисперсная фаза и дисперсионная среда меняются ролями! Твердая фаза становится непрерывной, а частички жидкости - изолированными. Дисперсная система теряет свою текучесть, приобретая новые механические свойства. При нагревании гель может вновь превратиться в золь.
Гели широко распространены в нашей повседневной жизни. Любому известны пищевые гели (зефир, мармелад, холодец), косметические (гель для душа, кремы), медицин ские (мази, пасты). Однако немногие знают, что хрящи, сухожилия, волосы представляют собой органические гели, а опал, жемчуг, сердолик, хальцедон - минеральные.
Для некоторых гелей характерно явление синерезиса (или расслоения) - самопроизвольного выделения жидкости. При этом пространственная сетка геля уплотняется, ее объем уменьшается, образуется так называемый твердый коллош). Схематично описанные процессы представлены на рисунке.
Чаще всего с явлением синерезиса приходится бороться, поскольку именно оно определяет сроки годности пищевых, косметических, медицинских гелей. Например, при дли тельном хранении мармелад или торт «Птичье молоко» выделят жидкость, становятся непригодными к употреблению. Однако в некоторых случаях синерезис - великое благо.
Благодаря биологическому синерезису мы наблюдаем такое явлении, как свертывание крови, суть которого состоит в превращении растворимого белка фибриногена в нерастворимый - фибрин.
Процессы, изображенные на рисунке, являются обратимыми. Из твердого коллоида желатина (продукта белкового происхождения) при набухании в теплой воде образуется студнеобразный гель - желе. Но в кулинарных рецептах всегда предупреждают: нельзя доводить желе до кипения, иначе гель превратится в золь, и дисперсная система вновь приобретет текучесть.
Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов нередко не оседают даже при длительном хранении. Почему так происходит? Первая причина заключается в том, что мельчайшие коллоидные частицы за счет теплового движения постоянно сталкиваются с молекулами дисперсионной среды, изменяя направление движения, т. е. оседания не наблюдается. Но почему при столкновении частиц дисперсной фазы не происходит их коагуляция, укрупнение, что неизбежно привело бы к расслоению коллоида? Слипанию препятствует электрический заряд на поверхности коллоидных частиц, все они оказываются одноименно заряженными, что приводит к их взаимному отталкиванию. Остается выяснить, как же образуется этот заряд? Для этого рассмотрим строение коллоидной частицы.
2.2.3 Мицеллы
Частицы дисперсной фазы золей называют мицеллами. Если исключить влияние растворителя, в котором образуется коллоидная система, то упрощенную схему строения мицеллы золя хлорида серебра (при избытке хлорид-анионов) можно представить следующим образом. Предположим, что золь хлорида серебра получен сливанием сильно разбавленных растворов хлорида калия и нитрата серебра, причем хлорид калия взят в избытке.
При взаимодействии катионов серебра с хлорид-анионами образуются частицы нерастворимого в воде хлорида серебра. Поскольку растворы сильно разбавлены, микрокристаллы получаются коллоидных размеров, очень мелкие. Такой микрокристалл образует ядро мицеллы.
Рост кристалла прекращается, когда в растворе практически до нуля падает концентрация ионов серебра. Но хлорид-анионы присутствуют в избытке. Часть из них адсорбируется на поверхности ядра, достраивая его кристаллическую решетку. Хлорид-анионы в данном случае называют потенциалопределяющими ионами. Именно они обусловливают наличие отрицательного заряда агрегата ядра с избытком ионов С1-. Если бы в растворе присутствовал избыток нитрата серебра, потенциалопределяющими ионами были бы катионы Ag+.
Естественно, после возникновения заряда образовавшаяся частица начинает притягивать из раствора ионы с противоположным знаком - катионы калия (противоионы), образуется так называемый двойной электрический слой. Некоторая часть противоионов очень прочно притягивается к агрегату, образуя адсорбционный слой. Часть мицеллы, включающую ядро, потенциал определяющие ионы и адсорбционный слой, называют гранулой. Ионы К+, которые не входят в адсорбционный слой, слабее связаны с гранулой и могут диссоциировать в раствор. Они составляют диффузный слой противоионов.
В целом мицелла представляет собой электронейтральную частицу, но за счет перехода части ионов диффузного слоя в раствор гранулы имеют на поверхности избыточный отрицательный заряд, который и препятствует их коагуляции в более крупные частицы.
Строение мицеллы можно изобразить с помощью формулы. Последовательные шаги в составлении формулы мицеллы таковы.
1) Ядро мицеллы состоит из т частиц AgCl, образующих микрокристалл: m[AgCl].
2) Потенциалопределяющие ионы адсорбируются на поверхности ядра; предположим, что для нашего примера их число равно п: m[AgCl] • nСl-.
3) Затем следует слой противоионов. Их общее число так же равно п, однако часть (допустим, х) из них образуют диффузный слой, остальные (п - х) вместе с ядром и потенциалопределяющими ионами составляют гранулу. Часть формулы, относящуюся к грануле мицеллы, заключают в фигурные скобки. Заряд гранулы в данной мицелле равен х~. Таким образом, формула мицеллы золя хлорида серебра в избытке хлорид-анионов такова:
{m[AgCl] • TiCl" • (п - х)К+}х- хК+
Зная строение мицеллы, можно управлять процессом коагуляции. Каким образом можно «заставить» коллоидные частицы коагулировать? Очевидно, необходимо лишить их поверхностного заряда. Этого можно добиться с помощью растворов электролитов. Действительно, если к золю хлорида серебра добавить, например, раствор сульфата алюминия, катионы А13+ нейтрализуют отрицательный заряд гранулы, мицеллы укрупняются и оседают под действием силы тяжести. Очевидно, что при равных концентрациях трехзарядный ион алюминия обладает большей коагулирующей способностью, чем, например, однозарядный ион лития Li+.
В некоторых случаях, напротив, необходимо поддерживать устойчивость коллоидной системы или преобразовать коагулят в золь. Вспомните, например, принцип действия поверхностно-активного вещества, например мыла, при удавлении жира с загрязненной поверхности. Гидрофобный углердородный радикал растворяется в частицах жира, а гидрофильный карбоксилат-анион оказывается на поверхности. Мельчайшие (коллоидные) капельки жира с «одуванчиком» анионов -СОО- на поверхности переходят в раствор и не слипаются вновь из-за наличия отрицательного заряда.
Список используемой литературы
1. Калоус В. Биофизическая химия. /Калоус В., Павличек З. – М., 1985 г.
2. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учеб. для вузов/Ю.А. Ершов, В.А. Попков, А.С. Берлянд и др.; Под. Ред. Ю.А. Ершова. – 2-е изд., испр. и доп.- М.: Высш. шк., 2000м – 560 с.: ил.
3. Маршелл Э. Биофизическая химия. – М.: Мир, 1981.
Похожие работы
... одновременно, даже в пределах одной страны. [2] Важно понимать, что для выполнения работ по присвоению препаратам АТС-кодов в рамках внедрения ATC/DDD-классификации лекарственных средств необходимо задействовать определенные ресурсы и иметь соответствующую компетенцию. Эту работу следует по возможности проводить на национальном уровне для обеспечения последовательного применения методологии в ...
... · туман (Ж/Г), 10-7 <d< 10-5 м; · дым (Т/Г), 10-9 < d < 10-5 м; · пыль Т/Г, d > 10-5 м. 3. По методам получения: · конденсационные; · диспергационные. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ Как и другие микрогетерогенные системы, аэрозоли могут быть получены двумя разными путями: из грубо-дисперсных систем (диспергационные методы), из истинных растворов (конденсационные ...
... моноклональных антител, даже если их получают на основе человеческих гибридом. Эта проблема не нова для медицины и не является непреодолимой. 02.09.10-15.09.10 18 Тема №18. Технология лекарственных форм в экстремальных условиях. По причинам возникновения чрезвычайные ситуации могут быть техногенного, природного, биологического, экологического и социального характера. Внутренними ...
... и природы вещества, участвующего в электрохимической реакции. Электрохимические параметры при этом служат аналитическими сигналами, при условии, что они измерены достаточно точно. Электрохимические методы анализа в практику химического анализа вошли сравнительно давно и занимают в ней важную роль. Впервые потенциометрическое титрование было проведено в 1893 г. в институте Оствальда в Лейпциге, а ...
0 комментариев