Поверхностные явления. Способы получения и свойства коллоидных растворов

Коллоидно-дисперсные системы

Коллоидная химия – наука, изучающая физико-химические свойства гетерогенных высокодисперсных систем в твердом состоянии и в растворах.

Дисперсной системой называется система, в которой одно вещество в более или менее 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).

Степень дисперсности определяется величиной, обратной диаметру частиц.

По степени дисперсности дисперсные системы классифицируют на:

1. Грубодисперсные (диаметр частиц больше 10^-7 см) – не проходят через тонкие бумажные фильтры, быстро оседают, видимы в обычный микроскоп.

1. Коллоидно-дисперсные (диаметр частиц 10^-5 – 10^-7 см) – проходят через бумажные фильтры, но задерживаются в ультрафильтрах, видимы в ультрамикроскоп. Структурной единицей является коллоидная частица – мицелла
2. Молекулярно-дисперсные,истинные растворы (диаметр частиц меньше10^-7 см) – дискретными единицами в них являются молекулы или ионы. Образуются самопроизвольно.

Классификация коллоидно - дисперсных систем

1. По степени взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной средыразличают:

а) Лиофобные коллоиды - системы со слабым взаимодействием между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

б) Лиофильные коллоиды – системы с сильным взаимодействием между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Если ДС является вода, то системы соответственно называются гидрофобными и гидрофильными.

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).

1. По степени взаимодействия частиц дисперсной фазы между собой различают:

а) Золи – бесструктурные коллоидные растворы, в которых частицы ДФ слабо взаимодействуют между собой и свободно передвигаются друг относительно друга. По внешнему виду золи напоминают истинные растворы.

б) Гели – структурированные коллоидные растворы, в которых частицы ДФ связаны между собой с образованием пространственной структуры типа каркасов. В них коллоидные частицы малоподвижны и способны совершать только колебательные движения. По внешнему виду гели желеобразны.

Строение коллоидных частиц

В коллоидных системах структурной единицей является коллоидная частица или мицелла.

Строение коллоидных частиц и возникновение на них заряда объясняет мицеллярная теория коллоидных систем в соответствии с которой заряд на коллоидных частицах возникает либо за счет ионизации молекул, находящихся на поверхности твердой фазы, либо в результате избирательной адсорбции на твердой фазе.

Рассмотрим второй случай. Получим мицеллу СuS в K₂S в результате реакции обмена

СuС1₂ + K₂S (избыток) = СuS + 2KС1

Нерастворимый продукт реакции СuS является агрегатом мицеллы и находится в избытке раствора K₂S, выполняющего роль стабилизатора. На твердой кристаллической поверхности осадка в соответствии с правилом Панета-Фаянса будут адсорбироваться ионы стабилизатора S^2–, достраивая кристаллическую решетку и сообщая частицам отрицательный заряд.Ионы S^2– называются потенциалопределяющими ионами. Агрегат и потенциалопределяющие ионы составляют ядро мицеллы. К отрицательному заряду будут притягиваться противоионы K⁺, образуя плотный слой противоионов. Потенциалопределяющие ионы и противоионы плотного слоя вместе образуют адсорбционный слой. Адсорбционный слой вместе с агрегатом составляют гранулу (или частицу). Гранула заряжена, её заряд определятся знаком и величиной заряда потенциалопределяющих ионов. Часть противоионов, не вошедших в адсорбционный слой, образуют диффузный слой. Гранула и диффузный слой составляют мицеллу. Мицелла таким образом электронейтральна.

Составим формулу мицеллы СuS в K₂S:

Устойчивость коллоидных растворов

Устойчивость дисперсных систем характеризует способность дисперсной фазы сохранять состояние равномерного распределения частиц дисперсной фазы во всем объеме дисперсионной среды.

В дисперсных системах различают седиментационную (кинетическую) и агрегативную устойчивость.

Седиментационная устойчивость характеризует способность частиц дисперсной фазы находиться во взвешенном состоянии и не оседать под действием силы тяжести.

Агрегативная устойчивость характеризует способность частиц дисперсной фазы противодействовать их слипанию между собой за счет адсорбционных сил.

Коллоидные растворы седиментационно устойчивые системы, что обусловлено малыми размерами частиц, но агрегативно неустойчивы. В них самопроизвольно идут процессы слипания частиц, поэтому такие системы не могут существовать без стабилизаторов.

Биологические жидкости – кровь, плазма, лимфа, моча – представляют коллоидные растворы. О состоянии организма можно судить по многим показателям этих жидкостей, и прежде всего, крови. Наличие патологических процессов сопровождается изменением количества форменных элементов крови (эритроцитов, лейкоцитов и др.), скорости оседания эритроцитов (СОЭ), свертываемости крови. Все эти свойства связаны с устойчивостью биологических жидкостей, поэтому изучение устойчивости коллоидных растворов очень важно в медицинской практике.

Контрольные вопросы

1. Межфазные явления, их термодинамическая характеристика. Сорбция. Адсорбция. Абсорбция. Физическая и химическая сорбция.

2. Понятие ПАВ, их свойства и применение в медицине.

3. Электролитная адсорбция, ее закономерности. Правила электролитной адсорбции.

4. Ионообменная адсорбция, ее закономерности. Иониты, их классификация. Ионообменная емкость, способы ее выражения. Применение ионитов в медицине

5. Определение коллоидных растворов. Сущность понятий «дисперсная фаза» и «дисперсионная среда».

6. Классификация коллоидных систем на золи и гели, лиофобные и лиофильные.

7. Общие и специфические свойства коллоидных растворов в сравнении с истинными растворами.

8. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем.

9. Оптические свойства коллоидных систем.

10. Электрокинетические явления. Электрофорез и электроосмос и их значение для медицины.

11. Двойной электрический слой коллоидных систем. Способы образования двойного электрического слоя.

12. Мицелла и ее строение.

13. Электрокинетический или дзета-потенциал и его свойства. Зависимость агрегативной устойчивости мицеллы от величины дзета-потенциала и концентрации электролита. Изоэлектрические состояние мицеллы.

14. Устойчивость и коагуляция коллоидных систем. Правила электролитной коагуляции.