Работа 26. Сравнительная устойчивость и методы осаждения различных дисперсных систем

Дисперсные системы имеют различную устойчивость. Известно два вида устойчивости: агрегативная и кинетическая. Агрегативная устойчивость – это устойчивость дисперсной системы к укрупнению частиц дисперсной фазы под действием адсорбционных сил. Адсорбция идет на поверхности раздела фаз, т.е. характерно для гетерогенных систем. КДС и ГДС – гетерогенные системы, следовательно, являются агрегативно неустойчивыми. Они существуют только при наличии стабилизаторов, роль которых могут выполнять электролиты, ПАВ, ВМС. Растворы НМС и ВМС – гомогенные системы, не имеют поверхности раздела фаз, значит являются агрегативно устойчивыми.

Кинетическая устойчивость – это устойчивость дисперсных систем к осаждению частиц дисперсной фазы под действием собственной силы тяжести. Масса частицы дисперсной фазы зависит от ее размера. Дисперсные системы с дисперсной фазой меньше 10^-7 м являются кинетически устойчивыми. К ним относятся растворы низко- и высокомолекулярных соединений, коллоидно-дисперсные системы. ГДС – кинетически неустойчивые системы, т.к.размер частиц дисперсной фазы больше 10^-7 м.

Для устойчивости КДС и ГДС огромное биологическое значение имеет «коллоидная защита». Например, эмульгаторами жиров являются белки крови: альбумин, лецитин. При нарушении защитных свойств стабилизаторов (при злоупотреблениях алкоголем, воспалительных процессах, нарушениях КЩР) капельки жира оседают на стенках сосудов, что приводит к развитию атеросклероза. Образование желчных и мочевых камней в организме при патологических состояниях связано с нарушением стабилизирующего действия холатов, урохрома, муцина и др. по отношению к билирубину, холестерину, уратам и др. Количественную характеристику защитного действия – «золотое» число – используют для диагностических целей, например, при диагностике менингита, т.к. его значения различны для нормального и патологического состояний.

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ:

1. Овладеть методами осаждения различных дисперсных систем.

2. Научиться определять порог коагуляции электролита.

3. Научиться делать вывод об устойчивости системы и факторах этой устойчивости.

ЗАДАНИЕ:

Выполните восемь лабораторных опытов и оформите отчет.

Методические указания к выполнению работы:

ОПЫТ 1. Осаждение НМС. Метод замены растворителя (демонстрационный)

К спиртовому раствору йода прилейте воды до выпадения кристаллов йода.

Выводы:

1. Покажите строение структурной единицы спиртового раствора йода.

2. Объясните механизм осаждения йода.

3. Какая дисперсная система образовалась? Покажите строение частицы этой системы.

ОПЫТ 2. Осаждение ВМС (демонстрационный)

В три пробирки налейте по 2-3 мл раствора белка. В первую пробирку прилейте разбавленный раствор NaCl. Осаждение не происходит. В эту же пробирку прилейте сухой (абсолютный) спирт или ацетон. Наблюдайте выпадение белка. Во вторую пробирку добавьте сухой спирт, затем разбавленный раствор хлорида натрия. В третью пробирку добавьте кристаллы или концентрированный раствор хлорида натрия. Опишите наблюдения.

Выводы:

1. Каковы факторы устойчивости раствора ВМС? Назовите основной фактор.

2. Зарисуйте схему Кройта и объясните механизм высаливания белков.

ОПЫТ 3. Фракционное высаливание белков

Органические растворители вызывают обратимое осаждение белков – высаливание, которое ускоряется в присутствии электролитов. Для фракционного высаливания применяют растворы электролитов различной концентрации.

К 1 мл яичного белка для высаливания добавьте концентрированный раствор (NH₄)₂SO₄ до появления в растворе осадка глобулина в виде отдельных тонких нитей. В эту же пробирку добавьте сухой кристаллический (NH₄)₂SO₄ до насыщения. наблюдайте помутнение раствора за счет выпадения мелкодисперсного осадка альбумина.

Выводы:

1. На чем основано фракционное высаливание?

2. Объясните порядок осаждения белков.

ОПЫТ 4. Осаждение белков кислотами (денатурация). Действие минеральных кислот (азотной)

Реакция осаждения белков азотной кислотой распространена при клинических исследованиях мочи (проба Геллера). Эта качественная реакция также лежит в основе количественного определения белка в моче.

К 5 каплям концентрированной HNO₃ прилейте 3 капли раствора белка осторожно, по стенкам пробирки, чтобы жидкости не смешивались. На границе двух жидкостей образуется осадок белков в виде небольшого белого кольца.

Выводы:

1. Каков механизм денатурирующего действия азотной кислоты?

2. Является ли процесс обратимым?

ОПЫТ 5. Осаждение белков солями тяжелых металлов. Адсорбционная пептизация

Соли тяжелых металлов (меди, свинца, ртути, серебра и др.) вызывают осаждение и частичную денатурацию белков. образующиеся осадки внутрикомплексных соединений растворяются в избытке раствора соли данного металла, образуя КДС (адсорбционная пептизация).

К 10 каплям раствора яичного белка добавьте 2 капли 10 % раствора CuSO₄. Наблюдайте образование осадка. Добавьте к осадку еще 10 капель раствора CuSO₄. Что происходит?

ВЫВОДЫ:

1. Каков механизм денатурации при действии соли CuSO₄?

2. Напишите уравнение реакции.

3. В чем сущность явления адсорбционной пептизации?

4. Напишите формулу мицеллы полученной КДС.

ОПЫТ 6. Осаждение КДС и ВМС электролитами

В одну пробирку налейте 5 мл золя Fe(OH)₃, полученного по реакции гидролиза FeCl₃, а в другую – 5 мл раствора желатина. В каждую пробирку добавьте 3-4 капли разбавленного раствора (NH₄)₂SO₄. В первой пробирке наблюдайте помутнение.

ВЫВОДЫ:

1. Объясните, почему при добавлении раствора электролита происходит коагуляция золя и не оседает желатин.

2. Постройте мицеллу золя Fe(OH)₃, полученного по реакции гидролиза.

3. Объясните механизм коагуляции золя Fe(OH)₃ при добавлении электролита.

4. Сделайте вывод об устойчивости КДС и раствора ВМС.

ОПЫТ 7. Осаждение ГДС (эмульсии)

В пробирку налейте 2-3 мл молока. Затем добавьте 2-3 капли раствора СаС1₂, отметьте, что изменений не произошло. пробирку с молоком нагрейте на водяной бане до выпадения осадка.

ВЫВОДЫ:

1. Покажите строение эмульсии. Укажите тип эмульсии и эмульгатора.

2. Объясните, почему не наблюдается коалесценция при добавлении раствора электролита.

3. Опишите механизм «коллоидной защиты».

4. Почему при нагревании выпадает осадок?

ОПЫТ 8. Определение порога коагуляции электролита для золя Fe(OH)₃, полученного по реакции гидролиза

В 5 пробирок налейте по 9 мл раствора NaCl различной концентрации, в другие 5 пробирок налейте по 9 мл растворов MgSO₄ таких же концентраций. В каждую пробирку добавьте по 1 мл золя Fe(OH)₃ и перемешайте. Коагуляцию наблюдайте по появлению помутнения раствора в пробирке. Смотрите в пробирку сверху: если раствор остался прозрачным – коагуляции нет (-), если помутнел – коагуляция есть (+). Результаты наблюдений занесите в табл. 29. Для каждого электролита отметьте пороговую концентрацию.

Рассчитайте для каждого электролита порог коагуляции (С_к) и коагулирующее действие.

Таблица 29

Электролит	Концентрация электролита, моль/л	Пороговая концентрация, моль/л	Cк, моль/л	D	Ион, вызывающий коагуляцию
	10-6 10-5 10-4 10-3 10-2

ВЫВОДЫ:

1. Покажите строение мицеллы золя Fe(OH)₃, полученного по реакции гидролиза.

2. Сравните коагулирующее действие NaCl и MgSO₄. Какие ионы вызывают коагуляцию?

3. Объясните различия в коагулирующем действии этих электролитов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Факторы устойчивости различных ДС.

2. Агрегативная и кинетическая устойчивости.

3. Методы осаждения НМС, их механизм.

4. Высаливание ВМС из растворов. Механизм. Схема Кройта. Лиотропные ряды.

5. Денатурация белков. Виды денатурации. Механизм.

6. Коагуляция КДС. Механизм. Коагулирующее действие электролитов. Порог коагуляции. Правило Шульце-Гарди.

7. Осаждение ГДС. Разрушение эмульсий.

8. Сущность явления «коллоидной защиты».

9. Сравнительная характеристика устойчивости ДС,

ОБРАЗЕЦ ОТВЕТА НА ВОПРОС:

ВОПРОС: к 10 мл отрицательного золя СаСО₃ для его коагуляции необходимо добавить 10 мл 10^-4 М раствора КС1 или 10 мл 10^-6 М раствора А1С1₃. Определите порог коагуляции и коагулирующее действие каждого электролита. Поясните механизм коагулирующего действия.

ОТВЕТ:

Запишем мицеллу золя СаСО₃, взяв в качестве стабилизатора Na₂CO₃. Т.к. гранула имеет отрицательный заряд, коагуляцию вызывают К⁺ или А1³⁺. Ион А1³⁺ имеет меньший порог коагуляции, чем ион К⁺, что соответствует правилу Шульце-Гарди (С_к = А/Z⁶). Связано это с механизмом коагуляции. При добавлении электролита коагулирующие ионы (К⁺ или А1³⁺) адсорбируются на грануле и нейтрализуют заряд. Ионы А1³⁺ нейтрализуют частицу лучше, т.к. величина его заряда больше. Следовательно, для нейтрализации заряда гранулы достаточно меньшего количества ионов А1³⁺, чем К⁺. При нейтрализации заряда гранулы происходит также сжатие диффузионного слоя, уменьшение ζ. Мицелла теряет свойство удерживать воду. Частицы коллоида теряют заряд (ζ → 0) и сольватную оболочку. Происходит осаждение золя.

ЛИТЕРАТУРА:

1. С. 510-523, 543-545; 3. С. 179-192; 5. С. 118-121, 126-127; 6. С. 718-727.