Классификация по отсутствию или наличию взаимодействия

между частицами дисперсной фазы

Класс дисперсных систем	Характеристика	Примеры
Свободнодисперсные	Частицы дисперсной фазы не связаны между собой и могут свободно перемещаться	Лиозоли, аэрозоли (туманы, дымы, пыли), суспензии, эмульсии, кровь
Связнодисперсноые	Одна из фаз структурно закреплена и не может перемещаться свободно	Лиогели, студни, волокнистые и пористые капиллярные системы (костная ткань), биомембраны, пены, твердые растворы

Таблица 1.4

Классификация по степени взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой

Системы
Лиофобные (гидрофобные, если растворитель вода)	Лиофильные (гидрофильные, если растворитель – вода)
Слабое взаимодействие м/у дисперсной фазой и дисперсионной средой	Сильное взаимодействие м/у дисперсной фазой и дисперсионной средой
Образуется за счет затраты энергии извне	Образуются самопроизвольно

Продолжение табл. 1.4

Эндэргонический процесс	Экзэргонический процесс
Термодинамически неустойчивы	Термодинамически устойчивы
Необходим стабилизатор	Стабилизатор не требуется
Примеры
Коллоидные растворы со стабилизатором (золи), суспензии, эмульсии, пены, аэрозоли.	Коллоидные растворы ПАВ (поверхностно-активные вещества) и ВМС (высокомолекулярные вещества).

Лиофобные коллоидные растворы также называют золями или лиозолями

Условия образования и существования лиофобных коллоидных растворов

Любое вещество может быть получено в коллоидном состоянии, но только необходимо создать следующие соответствующие условия:

• малая растворимость дисперсной фазы, то есть плохое сродство ее к дисперсионной среде;

• определенный размер частиц ( м);

• присутствие стабилизатора электролита.

Ионы стабилизатора адсорбируются на частицах дисперсной фазы, образуя на их поверхности двойной электрический слой (ДЭС), и тем самым обеспечивают устойчивость дисперсной системы. Образовавшиеся при этом микроструктуры представляют собой мицеллы золя (см. задачу №1).

Задача №1. Напишите строение мицеллы йодида серебра и определите заряд гранулы, который образовался при смешивании растворов и в случаях, когда: а) находится в избытке; б) находится в избытке.

Решение.

Согласно общепринятой миццелярной теории строения коллоидных растворов, золь состоит из 2-х частей (рис. 1.2): мицелл и интермицеллярной (т.е. межмициллярной) жидкости. Мицелла – это структурная коллоидная единица, т.е. частица дисперсной фазы, окруженная двойным электрическим слоем.

1. Необходимыми условиями образования мицеллы являются:

1) Образование в результате реакции труднорастворимого вещества, m молекул которого образуют агрегат коллоидной частицы.

В нашем примере при смешивании растворов и протекает реакция: .

2 ) Наличие стабилизатора – электролита, предоставляющего ионы, адсорбируемые поверхностью труднорастворимого соединения. Согласно правилу Панетта–Фаянса, лучше всего адсорбируется тот ион, который входит в состав кристаллической решетки адсорбента. Абсорбируемые ионы, достраивающие кристаллическую решетку труднорастроримого соединения, называют потенциалопределяющими ионами (ПОИ) коллоидной частицы, поскольку заряд частицы совпадает по знаку с зарядом этих ионов. Адсорбция потенциалопределяющих ионов происходит самопроизвольно, сопровождаясь уменьшением свободной энергии поверхности ядра (∆Gs). Стабилизатором, как правило, является исходное вещество, взятое в избытке.

а) Если в рассматриваемой реакции в избытке берется соль , то она будет стабилизатором. И тогда адсорбируемым ионом будет ион .

б) При избытке соли , стабилизатор предоставляет ионы серебра , избирательно адсорбируемые поверхностью:

ядро а)

ядро б)

• Агрегат с потенциал определяющими ионами образуют ядро мицеллы.

• Другие ионы стабилизатора (противоионы) образуют около твердой поверхности два слоя: адсорбционный (неподвижный), прочно связанный с ядром, и диффузионный (подвижный), расположенный на определенном расстоянии от ядра в дисперсионной среде. Количества ПОИ и противоионов должны соответствовать их стехиометрии в молекуле стабилизатора.

• Ядро совместно с адсорбционным слоем противоионов называется коллоидной частицей (гранулой). Коллоидная частица (гранула), окруженная противоионами электролита, называется мицеллой.

• Мицелла – нейтральная частица, а коллоидная частица, как правило, имеет заряд, знак и величина которого определяются электрокинетическим потенциалом , возникающим на границе между адсорбционным и диффузным слоем.

3. Строение мицеллы удобно представлять в виде формулы.

а) Если стабилизатором будет , то для золя коллоидная частица (гранула) будет заряжена отрицательно и формула мицеллы запишется так:

ядро жидкая фаза твердая фаза диф-фузный слой коллоидная частица (гранула) мицелла

б) Если стабилизатор , то для золя коллоидная частица (гранула) будет заряжена положительно и формула мицеллы запишется так:

ядро твердая фаза жидкая фаза диф-фузный слой коллоидная частица (гранула) мицелла

Ответ. 1) Строение мицеллы (а и б) см. выше. 2) гранула золя заряжена: а)"-", б) "+".

Задача на устойчивость и коагуляция коллоидных систем

Краткое теоретическое обоснование

Лиофобные коллоидные растворы, как термодинамически неустойчивые системы, могут разрушаться самопроизвольно или под влиянием внешних воздействий, и разрушение этих растворов начинается с их коагуляции.

Коагуляция – процесс объединения коллоидных частиц с образованием более крупных агрегатов из-за потери коллоидным раствором агрегативной устойчивости.

Коагуляцию можно вызвать различными внешними агентами:

• действием небольших количеств электролита (наиболее важный фактор);

• изменением температуры (сильное нагревание или охлаждение);

• концентрированием коллоидного раствора;

• действием ультразвука, электромагнитного поля и др.

Согласно правилу Шульце – Гарди: коагулирующим действием обладает тот ион электролита, который имеет заряд, противоположный заряду гранулы. Коагулирующее действие ионов тем сильнее, чем выше заряд иона – коагулятора (правило значимости).

Однако от правила Шульце – Гарди встречаются отклонения, поскольку на порог коагуляции кроме заряда иона- коагулянта влияет радиус этого иона и природа иона, сопутствующего иону-коагулянту.

Поэтому влияние электролитов на коагуляцию коллоидных растворов необходимо учитывать при введении растворов солей в живые организмы. При этом важно помнить, что имеет значение не только концентрация электролита, но и заряд иона. Так, изотонический раствор нельзя заменить изотоническим раствором , так как двухзарядные ионы обладают более высоким коагулирующим действием, чем однозарядные.

Кроме того, коагуляция в ряде случаев зависит и от способа прибавления электролита–коагулятора. Экспериментально доказано, что если электролит добавлять к золю небольшими порциями, то в итоге коагуляция наступает при более высокой концентрации электролита, чем при внесении сразу большого его количества и такое явление называют привыканием золей. Причиной привыкание золей может быть образование петизатора или адсорбция ионов, заряженных одноименно с частицей, что приводит к повышению первоначального заряда частиц.

В целом, принимая во внимание эти данные, следует заметить, что растворы электролитов необходимо водить внутривенно или внутримышечно очень медленно, чтобы не вызвать коагуляцию. При быстром введении из-за медленной скорости диффузии может произойти локальное накопление электролита, превышающее пороговую концентрацию, что приведет к коагуляции биосубстратов. При медленном введении электролит уносится с током крови, диффундирует в соседние ткани. Пороговая концентрация при этом не достигается и коагуляция не наступает.

Задача №2. Золь бромида серебра, получаемой по реакции:

при некотором избытке , коагулируют растворами сульфата калия / / и ацетата кальция / /. Какого электролита коагулирующее действие сильнее?

Решение.

1. Строение мицеллы золя следующее:

2. Согласно правиле Шульце – Гарди, коагуляция золя с отрицательно заряженными гранулами (потенциалопределяющий ион – анион ) происходит за счет действия положительно заряженных ионов. Так как заряд иона выше заряда иона , то наилучшим коагулирующим действием будет обладать раствор .

Ответ. Раствор .

Задача на порог коагуляции

Краткое теоретическое обоснование

Порогом коагуляции называется минимальное количество электролита, которое надо прибавить к золю, чтобы вызвать явную коагуляцию (т.е. различимой глазом) – помутнение раствора или изменение его окраски.

Порог коагуляции / / можно рассчитать по формуле: , где – исходная концентрация электролита; – объем раствора электролита, добавленного к золю; – объем исходного золя. Величину, обратную порогу коагуляции, называют коагулирующим действием и определяют по формуле:

Отношение порогов концентрационной коагуляции для ионов разных зарядов найдено теоретически Б.В. Дерягиным и Л.Д. Ландау и названо законом 6-й степени. Они показали, что энергетический барьер между коллоидными частицами исчезает ( ) при достижении критической концентрации / /, которая обратно пропорциональна шестой степени заряда иона- коагулянта: , где С — константа, зависящая от числа зарядов катиона и аниона; ( ) — диэлектрическая проницаемость раствора; А — константа сил притяжения; е — заряд электрона (т.е. валентность иона– коагулятора).

Согласно , соотношение порогов коагуляции одно-, двух- и трехзарядных ионов имеет вид. .

/где – первоначальное число частиц; i – порядок (одиночные, двойные, тройные и т.д.), t- время от начала коагуляции; – время половинной коагуляции, в течение которого число частиц уменьшается вдвое против начального/,

Правило Щульце –Гардии на основании опытных данных дает для тех же ионов соотношение: .

Как видно, в первом приближении эти ряды согласуются между собой. Некоторое расхождение результатов можно объяснить увеличением роли специфической адсорбции у многозарядных ионов, что не учитывается «Теорией устойчивости гидрофобных дисперсных систем ДЛФО» (ДЛФО– это в соответствии с первыми буквами фамилий авторов Дерягина, Ландау, Фервейа, Овербега).

Таким образом, эмпирическое правило Шульце—Гарди получило теоретическое обоснование. В то же время следует отметить, что сложные органические катионы (алкалоиды, красители) проявляют высокую коагулирующую способность вне связи с валентностью, т. е. такие ионы не укладываются в рамки правила Шульце—Гарди.

Необходимо иметь в виду, что величина порога коагуляции зависит от ряда условий:

• от момента его фиксирования после внесения электролита;

• от метода наблюдения;

• от концентрации исследуемого золя и др.

Наиболее распространенные методы определения порога коагуляция состоят в наблюдениях за изменением светорассеяния (через определенное время после смешивания золя с электролитом).

Задача №3. Как изменится порог коагуляции золя , если для коагуляции золя потребуется раствора с концентрацией 0,5 ? Определите порог коагуляции под действием раствора концентрацией 0,036 , которого потребуется на золя и раствора концентрацией 0,01 , которого потребуется на золя. Проверьте выполнение условия:

.

Решение.

1. И з формулы расчета порога коагуляции /формула справедлива при /, следует:

а) .

б) .

в) .

Как видно, согласно правилу Шульце – Гарди, с увеличением заряда иона –коагулятора порог коагуляции уменьшается, а коагулирующая способность при этом возрастает.

2. Из полученных результатов следует:

, что условие коагуляции разноименно заряженными ионами удовлетворительно выполняется.

Ответ. Согласно правилу Шульце – Гарди, с увеличением заряда иона –коагулятора порог коагуляции уменьшается и условие коагуляции разноименно заряженными ионами выполняется.

Задача на явление электрофореза

Краткое теоретическое обоснование

Явление перемещения частиц золя в электрическом поле к электроду, знак которого противоположен знаку заряда частиц, называется электрофорезом. Гранулы с положительным зарядом перемещаются к катоду, а с отрицательным – к аноду. Перемещение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля называют электроосмосом.

Наблюдая электрофоретическое движение частиц, можно установить знак заряда частиц, а также определить электрокинетический / / -потенциал, от которого зависит устойчивость золя. Расчет -потенциала производят по формуле (для частиц цилиндрической формы): , где ( )– вязкость сред; u –электрофоретическая скорость частицы; ( ) – диэлектрическая проницаемость; H – градиент потенциала и его вычисляют по формуле: , где э. д. с.(электродвижущая сила), – расстояние между электродами. Для частиц сферической формы используют формулу: .

Величина электрокинетического потенциала зависит от концентрации ионов электролитов в растворе и от их заряда. Чем больше концентрация электролита, тем меньше толщина диффузной части двойного электрического слоя и тем меньше -потенциал. Когда все ионы диффузного слоя перейдут в адсорбционный, то = 0.

Задача №4. Электрокинетический потенциал частиц гидрозоля 50 мВ. Приложенная внешняя э. д. с. 240 В, а расстояние между электродами 40 см. Вычислить электрофоретическую скорость частиц золя, если форма их цилиндрическая. Вязкость воды 0,001 , а диэлектрическая проницаемость среды 81.

Решение.

1. Из формулы расчета -потенциала , вытекает: .

2. С учетом того: = В/м, то окончательно получаем: м/с.

Примечание: – коэффициент, выражающий диэлектрическю проницаемость в единицах системы СИ, Ф/м.

Ответ. м/с.

1.2. Ситуационные задачи №№ с 4 по 13 для закрепления материала (выполнить в протокольной тетради).

Задача №5. В слюне золь получен реакцией обмена между и . Какой электролит явился стабилизатором данного золя, если его гранулы при электрофорезе движутся к аноду? Напишите схему строения мицеллы данного золя.

Задача №6. Свинец / / –это остетропный элемент, заменяющий в кристаллах гидроксиаппатита . При поступлении с пищей и водой распределяется в организме человека и животных по скелетному типу и наиболее высокая концентрация её в зубах. В этой связи при умеренном избытке и для профилактики сатурнизма (отравление свинцом) в медицине используются сульфатные / /минеральные воды.

Напишите строение мицеллы сульфата свинца, который образовался при смешивании растворов: и . Определите, каков заряд золя и к какому электроду (к катоду или к аноду) будет двигаться коллоидная частица?

Задача №7. При добавлении к 0,02 литрам хлорида калия в концентрации =0,01 моль/л 0,028 литра раствора нитрата серебра в концентрации =0,005 моль/л получен золь хлорида серебра . Определите заряд частиц полученного золя и напишите формулу его мицеллы.

Задача №.8. Напишите строение мицеллы золя, определите, к какому электроду (к катоду или к аноду) будет двигаться коллоидная частица:

1. , стабилизированный .

2. , стабилизированный .

3. , стабилизированный .

4. , стабилизированный .

5. , стабилизированный .

6. , стабилизированный .

7. , стабилизированный .

8. , стабилизированный ?

Задача №9. Какой ион является потенциалопределяющим ионом в коллоидной частице, если к водному раствору медленно прилили ? Составьте схему мицеллы и укажите ионы, которые при добавлении в раствор могут вызвать коагуляцию.

Задача №10. Одним из метаболитов при отравлении этиленгликолем является щавелевая кислота / /, которая при связывании с кальцием / / в почках формирует золь оксалата кальция / /, затрудняющие функционирование почечных канальцев и служат причиной развития гипокальциемии. Определите, каков заряд золя? Какие из ионов будут обладать коагулирующим действием для частиц этого золя:

Задача №11. Коагуляция 20 мл золя гидроксида железа (III) наступила при добавлении к нему 4 мл 0,0025 М раствора Вычислить порог этого электролита.

Задача №12. Пороги коагуляции берлинской лазури (осадок интенсивного синего цвета) электролитами и одинаковы. Какой вывод можно сделать о знаке заряда коллоидных частиц золя? Составьте схему мицеллы.

Задача №13. Препараты золота применяется в медицине при лечении некоторых опухолей и в первую очередь рака легких, а также оно оказывают антисептическое действие на бактерии и вирусы и вводят как внутрь, так и парентерально в виде коллоидных растворов (хризотерапия, т.е. лечение солями золото), вне зависимости, что коллоидное золото всасывается значительно меньше.

Вычислите электрофоретическую скорость частиц золя золота, если градиент потенциала равен 1000 В/м, а -потенциал составляет 58 мВ. Вязкость среды , а диэлектрическая проницаемость 81. Частицы имеют цилиндрическую форму.