ОМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ КАФЕДРА ОБЩЕЙ И

ОМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ КАФЕДРА ОБЩЕЙ И БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ ОБЩАЯ ХИМИЯ Лекция 12. Коллоидные растворы (часть 1) 1. Основные понятия. Классификация дисперсных систем. 2. Методы получения коллоидных растворов. 3. Методы очистки коллоидных растворов. 4. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов. 5. Оптические свойства коллоидных растворов. Лектор: Степанова Ирина Петровна зав. кафедрой общей и биоорганической химии, доктор биологических наук

Основные понятия. Классификация дисперсных систем Коллоидная химия – наука, изучающая физико-химические свойства гетерогенных высокодисперсных систем и ВМС в твердом состоянии и в растворах. Дисперсной системой называется система, в которой одно вещество в раздробленном (дисперсном) состоянии равномерно распределено в массе другого вещества.

Раздробленное вещество в этом случае называют дисперсной фазой (ДФ), а среду, в которой оно распределено – дисперсионной средой (ДС). Пример: дисперсная система глина в воде. ДС – вода ДФ - глина

Основные понятия. Классификация дисперсных систем •

2. Коллоидно-дисперсные (диаметр: 10 -5 – 10 -7 см) – проходят через бумажные фильтры, но задерживаются в ультрафильтрах, видимы в ультрамикроскоп. • Структурной единицей является коллоидная частица - мицелла

3. Молекулярно-дисперсные (истинные растворы) – дисперсными единицами в них являются молекулы или ионы. Образуются самопроизвольно.

• По агрегатному состоянию среды различают коллоидные системы • Газовые - аэрозоли • Жидкие - лиозоли • Твердые - солидозоли

Основные понятия. Классификация дисперсных систем Классификация коллоидных систем 1. По агрегатному состоянию ДС - ДФ: г –ж туман, аэрозоль; г – тв пыль, дым, аэрозоль; ж–г пена; ж–ж эмульсия; ж–т суспензия, золь; т – г твердая пена; т –ж (нет названия); т –т твердый золь.

2. По степени связи ДС и ДФ различают: • системы со слабым взаимодействием между ДФ и ДС называют лиофобными системами. • Системы с сильным взаимодействием между ДФ и ДС– лиофильными системами. Если ДС является вода, то системы соответственно называются гидрофобными и гидрофильными

Основные понятия. Классификация дисперсных систем • Лиофильные системы образуются самопроизвольно, следовательно, термодинамически устойчивы. • Как правило, они представляют собой растворы полимерных органических соединений (белки, полисахариды). • Лиофобные системы являются термодинамически неустойчивыми. • Они образуются из неорганических соединений (солей, оснований).

Основные понятия. Классификация дисперсных систем 3. По степени взаимодействия частиц ДФ между собой различают золи и гели. • Золь – бесструктурный коллоидный раствор, в котором частицы ДФ слабо взаимодействуют между собой и свободно передвигаются друг относительно друга (например, золь серебра – колларгол). • По внешнему виду золи напоминают истинные растворы.

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

Методы получения коллоидных растворов По способу достижения коллоидной степени дисперсности различают диспергационные и конденсационные методы получения. • Методы диспергирования (от лат. – измельчать) – получение частиц ДФ путем дробления крупных частиц на более мелкие.

Применяют: • механическое дробление (с помощью шаровых или коллоидных мельниц) • ультразвуковое (под действием ультразвука) • электрическое (при использовании электродов) • химическое диспергирование – пептизация (заключается в химическом воздействии на осадок).

Методы получения коллоидных растворов • Конденсационные методы (от лат. – укрупнять) – получение частиц ДФ путем объединения атомов, молекул, ионов. • Различают физическую и химическую конденсацию. • Физическая конденсация – это метод замены растворителя. • Сначала готовят истинный раствор вещества в летучем растворителе (например, канифоль в спирте) и добавляют к жидкости, в которой вещество нерастворимо (вода).

В результате происходит резкое понижение растворимости и молекулы вещества конденсируются в частицы коллоидных размеров. • Химическая конденсация – для получения коллоидных растворов используют любые реакции, в результате которых образуются малорастворимые соединения (реакции обмена, гидролиза, восстановления и др. ).

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

• Диализ проводят с помощью прибора - диализатора. Он состоит из 2 сосудов, отделенных полупроницаемой мембраной, способной пропускать молекулы и ионы низкомолекулярных веществ. • Во внутренний сосуд наливается раствор золя, во внешнем – циркулирует вода. Примеси удаляются через мембрану из раствора золя в растворитель. • Для ускорения процесса применяют электродиализ.

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

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

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

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов • Молекулярно-кинетические свойства обусловлены хаотическим тепловым движением частиц. К ним относят: • броуновское движение частиц • диффузия • осмос • седиментация

• Броуновское движение – беспрерывное, хаотичное движение частиц. Его интенсивность зависит от размера частиц, вязкости среды, температуры. • Диффузия – процесс самопроизвольного выравнивания концентрации диспергированного вещества под влиянием теплового хаотичного движения частиц.

• Скорость диффузии коллоидных частиц (из-за больших размеров) во много раз меньше скорости диффузии молекул и ионов низкомолекулярных веществ. • Поэтому по скорости диффузии можно определить радиус и степень дисперсности коллоидных частиц.

Осмотическое давление определяется законом Вант-Гоффа: π = К Б · Сν · Т π – осмотическое давление [Па] КБ - константа Больцмана, КБ = 1, 38 · 10 -23 [Дж· К-1] Сν - частичная концентрация частиц золя [м-3]; Т - абсолютная температура [К].

• Осмотическое давление коллоидных растворов имеет особенности: - является низким (из-за больших размеров частиц и низкой концентрации); - меняется во времени (из-за агрегации коллоидных частиц).

•

n 0 – общее число коллоидных частиц; nh - число коллоидных частиц на высоте h; NA=6, 02 · 1023 моль-1; постоянная Авогадро m – масса частиц [кг]; g – ускорение свободного падения. g = 9, 8 м · c-2; h – высота [м]; R – универсальная газовая постоянная T - абсолютная температура [К].

• Из уравнения следует, что с увеличением высоты концентрация коллоидных частиц уменьшается(более выражена эта зависимость для тяжелых частиц). • Способность дисперсной системы сохранять равномерное распределение частиц по всему объему называется седиментационной или кинетической устойчивостью.

Оптические свойства коллоидных растворов • Для коллоидных растворов диаметр частиц примерно равен длине волны падающего света. • В этом случае преобладает дифракционное рассеяние света, так как каждая коллоидная частица становится вторичным источником света. • При боковом освещении коллоидного раствора образуется светящийся конус, получивший название конуса Тиндаля-Фарадея.

Математически рассеяние света выражают уравнением Рэлея: I = I 0 k Сν V 2 / λ 4 I - интенсивность рассеяного света; I 0 - интенсивность падающего света; Сν - частичная концентрация коллоидных частиц [м-3]; V – объем одной коллоидной частицы [м 3]; λ – длина волны падающего света [м]; k – константа, зависящая от показателей преломления ДС и ДФ.

• Из уравнения Рэлея следует, что интенсивность светорассеяния обратно пропорционально длине волны. • Таким образом, лучше рассеивается коротковолновая часть спектра (синяя и фиолетовая), хуже – длинноволновая (оранжево-красная). • Визуально наблюдают опалесценцию, т. е. окраска коллоидных растворов в рассеянном свете (при рассмотрении сбоку) и в проходящем свете неодинакова.

• Конус Тиндаля при рассмотрении сбоку имеет голубой оттенок, на просвет – красный. • Оптические явления лежат в основе методов изучения дисперсных систем – нефелометрии и ультрамикроскопии. • Нефелометрия – метод, используемый для изучения дисперсных систем по интенсивности рассеянного света, которая прямо пропорциональна частичной концентрации коллоидных частиц.

Оптические свойства коллоидных растворов • Метод ультрамикроскопии основан на том, что коллоидные частицы видны только в ультрамикроскоп- прибор, позволяющий наблюдать отсветы частиц на темном фоне при боковом освещении. • С помощью этого прибора были экспериментально подтверждены броуновское движение, определено число Авогадро.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ !