1.Диспе́рсная систе́ма— гетерогенная система, в которой одна из фаз представлена мелкими частицами, равномерно распределенными в объеме другой однородной фазы.

Всякая дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Дисперсную фазу составляют мелкораздробленные частицы, равномерно распределенные в дисперсной системе.

Дисперсионную среду составляет однородная непрерывная фаза, в которой распределены частицы дисперсной фазы.

Классификация дисперсных систем:

- по размеру частиц дисперсной фазы(микрогетерогенные:суспензии, эмульсии,пены, аэрозоли ; ультрамикрогетерогенные : коллоидные растворы; молекулярно-дисперсные: истинные растворы низкомолекулярных веществ)

-по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

-по характеру взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой

-по структурно-механическим свойствам

2.

В биологических жидкостях (кровь человека) содержатся малорастворимые соли магния, кальция, а также холестерин и др. малорастворимые вещества, существующие в виде лиофобных коллоидных растворов( золи или лиозоли).

Лиофобные коллоидные растворы могут образовываться и существовать при соблюдении следующих условий:

-малая растворимость дисперсной фазы, т.е. плохое сродство ее к дисперсионной среде

-определенные размеры частиц дисперсной фазы

-присутсвие в системе стабилизатора

Мицелла лиофобной системы-это гетерогенная микросистема, которая состоит из микрокристалла дисперной фазы, окруженного сольватированными ионами стабилизатора.

Рассмотрим строение коллоидной мицеллы на примере гидрозоля иодида серебра, получаемого взаимодействием разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия:

AgNO₃ + KI  ––>   AgI + KNO₃

{[AgI]_m · nAg⁺ · (n-x)NO₃^–}^x+ · x NO₃^–

 

Межфазный потенциал-потенциал ДЭС на границе раздела между твердой и жидкой фазами в мицелле. Значение этого потенциала зависит от природы твердой фазы, от заряда и концентрации потенциалопрделяющих ионов, адсорбированных на твердой фазе.

Электрокинетический потенциал- потенциал на границе скольжения между адсорбционной и диффузной частями ДЭС мицеллы. Значение данного потенциала определяется толщиной диффузного слоя: чем она меньше, тем меньше потенциал. Толщина диффузного слоя зависит от концентрации в систеие противоионов и их заряда.

3.

Методы получения коллоидных растворов также можно разделить на две группы: методы конденсации и диспергирования .

1)Дисперсионные методы основаны на раздроблении твердых тел до частиц коллоидного размера и образовании таким образом коллоидных растворов. Процесс диспергирования осуществляется различными методами: механическим размалыванием вещества в т.н. коллоидных мельницах, электродуговым распылением металлов, дроблением вещества при помощи ультразвука.

2)Коллоидные растворы можно получать также и методом химической  конденсации, основанном на проведении химических реакций, сопровождающихся образованием нерастворимых или малорастворимых веществ. Для этой цели используются различные типы реакций – разложения, гидролиза, окислительно-восстановительные и т.д

Так, красный золь золота получают восстановлением натриевой соли золотой кислоты формальдегидом:

NaAuO₂ + HCOH + Na₂CO₃  ––>  Au + HCOONa + H₂O

Строение мицеллы данного золя можно представить следующей схемой

{[Au]_m· n AuO₂^–· (n-x) Na⁺}^x– · xNa⁺

Золь серы может быть получен окислением сероводорода кислородом в водном растворе, действием на сероводород сернистого газа либо разложением тиосерной кислоты:

H₂S + O₂  ––>  S + H₂O

H₂S + SO₂  ––>  S + H₂O

H₂S₂O₃  ––>  H₂O + SO₂ + S

Строение золя серы можно представить схемой:

{[S]_m · n HS^– · (n-x) H⁺}^x– · x H⁺

4.

Золи и растворы ВМС могут содержать в виде примесей низкомолекулярные соединения. Их удаляют следующими методами:

1) диализом(Очищаемый золь, или раствор ВМС, заливают в сосуд, дном которого служит мембрана, задерживающая коллоидные частицы или макромолекулы и пропускающая молекулы растворителя и низкомолекулярные примеси. Внешней средой, контактирующей с мембраной, является растворитель. Низкомолекулярные примеси, концентрация которых в золе или макромолекулярном растворе выше, переходят сквозь мембрану во внешнюю среду (диализат). Очистка идет до тех пор, пока концентрации примесей в золе и диализате не станут близкими по величине)

2) электродиализом (Очистку от электролитов можно значительно ускорить действием приложенной разности потенциалов (электромиграцией).

По принципу диализа работает АИП ( аппарат «искусственная почка»), применяемы при острой почечной недостаточности Ж АИП подключается к системе кровообращения больного, и кровь протекает через систему, снабженную мембранами с избирательной проницаемостью, которые снаружи омываются физ.раствором. В результате кровь очищается от примесей и поступает обратно в организм.

5.

Молекулярно-кинетическая устойчивость - это устойчивость дисперсной системы по отношению к действию силы тяжести. Она препятствует седиментации и определяется наличием броуновского движения, зависит от степени дисперсности частиц, вязкости среды, температур.

Эти свойства зависят от размеров и массы частиц дисперсной фазы( броуновской движение и диффузия),а также от числа частиц в единице объема системы (осмотическое давление).

Оптические свойства основаны на способности рассеивать свет. Это обусловлено гетерогенностью коллоидных систем и размерами коллоидных частиц. Согласно закону Раэля интенсивность рассеянного света зависит от интенсивности и длины волн падающего света, объема частиц и их концентрации:

Из этого следует, что чем меньше длина волны падающего излучения, тем больше будет рассеяние.

На способности золей рассеивать свет основаны такие методы анализа, как нефелометрия и ультрамикроскопия, которые используются для определения концентрации частиц и их размеров в гетерогенных биологических средах.

6.

7.

Агрегативная устойчивость золей обусловлена, таким образом, рядом факторов:

во-первых, снижением поверхностной энергии дисперсной фазы (т.е. уменьшения

движущей силы коагуляции) в результате образования двойного электрического слоя и, во-вторых,

наличием кинетических препятствий для коагуляции в виде электростатического

отталкивания имеющих одноименный заряд коллоидных частиц и противоионов.

Еще одна причина устойчивости коллоидов связана с процессом гидратации

(сольватации) ионов. Противоионы диффузного слоя сольватированы; эта оболочка

из сольватированных противоионов также препятствует слипанию частиц.

Факторы седиментационной устойчивости : относительно небольшие размеры

8.

На практике чаще всего производится коагуляция смесями

электролитов. При этом между ними могут возникнуть три

взаимодействия:

9

10.

Коагуляция смесями электролитов и гетерокоагуляция см. Вопрос 8

#11. В процессе коагуляции, связанной с потерей агрегативной устойчивости, происходит разрушение коллоидного раствора, сопровождающееся выпадением осадка – коагулянта. Возвращение коагулянту агрегативной устойчивости – пептизация.

Пептизация – процесс, обратный коагуляции – превращение осадка, образовавшегося в результате коагуляции, в устойчивый коллоидный раствор.

Проводится двумя путями:

1. Промыванием коагулянта чистым растворителем

2. Добавлением специального электролита – пептизатора

Процесс пептизации лежит в основе лечения ряда патологических изменений в организме человека: рассасывания атеросклеротических бляшек, почечных и печеночных камней.

Коллоидная защита – повышение агрегативной устойчивости лиофобных золей при добавлении к ним ВМС.

Механизм: вокруг мицелл образуются адсорбционные оболочки из гибких макромолекул ВМС. В водных коллоидных растворах дифильные молекулы ВМС, адсорбируясь на поверхности коллоидных частиц, ориентируются таким образом, что их гидрофобные участки (углеводородные радикалы) обращены к частицам дисперсной фазы, а гидрофильные фрагменты (полярные и ионогенные группы) обращены наружу, к воде. При этом система лиофилизируется, мицеллы приобретают дополнительный фактор агрегативной устойчивости за счет собственных гидратных оболочек макромолекул ВМС.

Основными условиями защитного действия являются:

1. Хорошая растворимость ВМС в дисперсионной среде коллоидного раствора

2. Хорошая адсорбируемость молекул ВМС на коллоидных частицах.

3. Достаточно большая концентрация, которая обеспечивает образование мономолекулярного адсорбционного слоя из макромолекул ВМС, полностью покрывающего всю поверхность мицелл.

По отношению к водным коллоидным растворам защитным действием обладают хорошо растворимые в воде белки, полисахариды, пектины. Белки крови препятствуют выпадению в осадок и выделению на стенках кровеносных сосудов малорастворимого холестерина и солей кальция.Один из методов очистки природных и питьевых вод основан на явлении флокуляции.

Флокуляцией называется агрегирование частиц дисперсной фазы в лиофобных золях и суспензиях под действием небольших количеств ВМС.

Флокулянтами могут служить хорошо растворимые в дисперсионной среде ВМС, имеющие гибкие макромолекулы с большой молекулярной массой. Макромолекулы взаимодействуют одновременно с несколькими мицеллами коллоидного раствора или частицами суспензии, связывают их, образуя рыхлые флоккулы (хлопья). Флокуляция приводит к уменьшению седиментационной устойчивости лиофобной системы, в результате чего крупные флоккулы оседают или всплывают – в зависимости от их плотности.

#12. Лиофильные коллоиды: ПАВ и ВМС

Характеризуются сильным взаимодействием между дисперсионной фазой и дисперсионной средой, образуются самопроизвольно. Процесс экзэргонический, термохимически устойчивы, стабилизатор не требуется.

Характерной особенностью строения ПАВ, а также некоторых ВМС является дифильность их молекул, т.е наличие гидрофильного и гидрофобного конца.

Увеличение концентрации значения ПАВ до определенного значения называют критической концентрацией мицелообразования (ККМ)

При концентрации, равной ККМ и выше, молекулы ПАВ и ВМС, взаимодействуя между собой, объединяются в крупные стойкие ассоциаты – мицеллы.

Мицеллами лиофильных коллоидных растворов называются ассоциаты из молекул ПАВ и ВМС, возникающие самопроизвольно при концентрации, равной или большей ККМ, и образующие в растворе новую фазу.

Способностью к мицеллообразованию обладают только те ПАВ, которые имеют оптимальную величину гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ) для данного растворителя.

При концентрациях, значительно превышающих ККМ, могут формироваться пластинчатые мицеллы, имеющие бислойную структуру из молекул ПАВ.

При концентрациях ПАВ превышающих ККМ в 10-100 раз, формируется объемная упорядоченная многослойная структура, называемая ламеллярной фазой.

При встряхивании или перемешивании таких коллоидных растворов, особенно под действием ультразвука, в них возникают замкнутые бислойные микрокапсулы (полости), содержащие воду – липосомы.

Липосомы представляют собой микрокапсулы диаметром 10^-7-10^-5 м, содержащие внутри воду, окруженную одним или несколькими бислоями из молекул фосфолипидов или сфинголипидов (гидрофобный конец которых состоит из двух углеводородных радикалов).

Липосомы по размерам и структуре подобны клеткам живых тканей. Липосомы используются в качестве моделей для изучения физико-химических свойств клеточных мембран. Липосомы могут адсорбироваться на поверхности клеточной мембраны, при этом либо сливаться с клеточной мембраной, либо проникать внутрь клетки.

#13 ВМС - неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями.

В строении полимера можно выделить мономерное звено — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, например поливинилхлорид (—СН₂—CHCl—)_n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетерополимерами.

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества.

По химическому составу все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.

• Органические полимеры.

• Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель — кремнийорганические соединения.

По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвлённые (частный случай — звездообразные), ленточные, плоские, гребнеобразные, полимерные сетки и так далее.

Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых в значительной степени состоят тела растений и животных и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле.

#14 Проникновение молекул растворителя в объем биополимера сопровождается процессом набухания.

Набухание – самопроизвольный процесс поглощения полимером растворителя, сопровождаемый увеличением объема и массы взятого образца ВМС.

Количественной мерой набухания является степень набухания α=(V- V₀) V₀ или (m-m₀)m₀

Степень набухания прежде всего зависит от природы полимера, лиофильности его макромолекул. В зависимости от этих факторов и температуры набухание может быть ограниченным или неограниченным. Степень набухания зависит от природы растворителя, от присутствия в воде электролитов и значения pH среды.

На процесс набухания также влияет возраст биополимера – чем он моложе, тем больше его степень набухания, т. е тем больше он удерживает воды.

ПО зависимости степени набухания от pH можно определить изоэлектрическую точку белка.

Постепенное старение организма сопровождается замедлением процессов обмена, происходит буквальное усыхание человека, сопровождающееся появлением морщин, вследствие утраты способности клеток мышц и кожи к набуханию.

15

Ячейки пространственных сеток гелей или студней заполнены растворителем. Т.о. застудневание (желатинирование) можно определить как процесс образования и упрочнения пространственной сетки.

Процесс застудневания зависит от следующих факторов: размера, формы и природы макромолекул, концентрации ВМС, температуры, времени, наличия электролитов, рН раствора и т.д. Лучше застудневают ВМС, макромолекулы которых имеют удлиненную палочкообразную форму. Чем концентрированнее растворы, тем более вероятны взаимодействия между макромолекулами; застудневание лучше идет при пониженной температуре и рН соответствующих ИЭТ; застудневание требует продолжительного времени.

Студни (гели) - структурированные гомогенные системы, заполненные жидкостью, каркас которых образован молекулами высокомолекулярных соединений. В настоящее время термин «Студни» вытесняется более общим понятием «Гели». Студни похожи по свойствам на коллоидные гели, в частности характеризуются отсутствием текучести, способностью сохранять форму, прочностью и упругостью. Эти свойства обусловлены наличием пронизывающей весь объём студня пространственной сетки макромолекул.

Студнеобразование и студни находят широкое применение в производстве вискозного, ацетатного и медноаммиачного шелка, различных типов искусственной кожи, резиновых изделий из синтетических латексов и растворов каучука, плащевых материалов из пластифицированных полимеризационных пластиков (поливинилхлорида, поливинилацетата и др.), в изготовлении и применении растительных и животных клеев, в отделке кожи, тканей и т. д.

Не менее важны студни в производстве продовольственных товаров. Хлеб, мясо, различные сорта сыра, творог, простокваша, мармелад, джем, желе, студень, кисель - типичные студни.

Протоплазма клеток, хрусталик глаза представляют собой студни. Даже кости имеют некоторую упругость и эластичность благодаря входящему в них студню - оссеину. Кости становятся к старости более хрупкими из-за того, что в них увеличивается содержание твердых минеральных веществ. Маленькие дети часто падают, не причиняя себе особого вреда, потому что кости их представляют собой студни, не успевшие достаточно отвердеть от отложения минеральных солей; падение же в пожилом возрасте часто приводит к перелому костей.

16