1. Сжатие диффузионного слоя.

Чем больше заряд коагулирующих ионов, тем сильнее они сжимают диффузный слой противоионов.

2. Адсорбция ионов на коллоидной частице.

На коллоидной частице протекает избирательная адсорбция тех ионов добавленного электролита, которые имеют заряд, противоположный грануле.

Чем выше заряд ионов, тем интенсивнее они адсорбируются. Происходящее в адсорбированном слое накопление ионов, заряженных противоположно частице, сопровождается соответственным уменьшением ζ-потенциала и, следовательно,диффузного слоя. А это, в свою очередь, повышает скорость коагуляции.

3. Процесс ионообменной адсорбции.

Помимо сжатия диффузного слоя и адсорбции ионов, при коагуляции золей электролитами происходит процесс ионообменной адсорбции, при которомпротивоионы адсорбционного слоя обмениваются на одноимённо заряженные ионы добавленного электролита.

Если заряд последнего выше, чем у противоионов, то такая замена приводит к значительному понижению ζ-потенциала.

Таким образом, все три процесса, уменьшающие заряд гранулы и влияющие на коагуляцию, протекают тем эффективнее, чем выше заряд коагулирующего иона.

Это частично позволяет объяснить разницу в коагулирующем действии ионов с различными величинами зарядов.

Основная причина коагуляции частиц заключается в понижении расклинивающего давления до такого уровня, что оно перестаёт препятствовать объединению частиц.

Смена полярности коллоидных частиц

При значительном увеличении концентрации добавленных многозарядных ионов они могут адсорбироваться на коллоидных частицах в таком большом количестве, что гранулы могут не только стать электронейтральными, но и, вообще, поменять свою полярность.

При этом гранулы приобретают знак заряда избыточно адсорбированных ионов добавленного электролита и снова становятся устойчивыми коллоидными частицами.

Так, например, при добавлении к золю платины небольшого количества хлорного железаFeCl₃ наблюдается понижение отрицательного заряда коллоидных частиц платины и их коагуляция.

Увеличение количества этого электролита приводит к смене полярности частиц платины, которые приобретают положительный заряд.

Ещё большие количества FeCl₃ будут вновь оказывать коагулирующее действие.

Такое чередование состояний электронейтральности и заряженности частиц называют чередованием зон коагуляции или явлением неправильных рядов. Оно наблюдается не у всех золей и не со всеми электролитами.

Зоны коагуляции золя платины хлорным железом
Концентрация  FeCl3	Коагуляция	Движение частиц платины при электрофорезе
0,0208	-	К аноду
0,0577	-	К аноду
0,0833	Полная	Отсутствует
0,2222	Полная	Отсутствует
0,3333	-	К катоду
6,667	-	К катоду
6,33	Полная	Отсутствует

Кинетика коагуляции. Скрытая и явная коагуляция.

Если в коллоидный раствор медленно добавлять электролит, то первые его порции не влияют на золь.

При увеличении концентрации электролита начинается образование частиц низших порядков (II, III и т.д.), которое протекает незаметно для невооружённого глаза и поэтому называется скрытой коагуляцией.

Дальнейшее увеличение концентрации электролита ведёт к прогрессивному развитию процесса коагуляции, повышению её скорости и сопровождается появлением частиц более высоких порядков.

Золь претерпевает видимые изменения: он мутнеет или изменяется его окраска. При этом величина ζ-потенциала частиц уменьшается.

Эта стадия процесса называется явной коагуляцией. Переход скрытой коагуляции в явную называется порогом коагуляции: ему соответсвует пороговая концентрация электролита, т.е. минимальная концентрация электролита, вызывающая явную коагуляцию. (Измеряется эта величина миллимолях на литр золя.)

В это время ζ-потенциал ещё сохраняется, но он обычно не превышает 30 мв и называется критическим ζ-потенциалом.

Однако изменение величины ζ-потенциала не всегда соответствует процессу коагуляции частиц. Нередко коагуляция начинается при высоких значениях ζ-потенциала, а иногда с понижением этого потенциала некоторые золи даже увеличивают свою устойчивость.

Это подтверждпет, что ζ-потенциал является важным, но не единственным определяющим фактором устойчивости коллоидных частиц.

Явная коагуляция, в свою очередь, делится на два периода:

1. Период медленной коагуляции. В этот период всякое увеличение концентрации электролита ускоряет коагуляцию.

2. Период быстрой коагуляции. Во время быстрой коагуляции дальнейшее повышение концентрации электролита уже не влияет на её скорость, т.е. коагуляция протекает с максимальной быстротой.

При медленной коагуляции не все столкновения коллоидных частиц в золе оказываются эффективными, т.е. не все оканчиваются объединением частиц, а при быстрой коагуляции все столкновения приводят к их объединению.

Наименьшая концентрация электролита, вызывающая быструю коагуляцию, называетсяконцентрацией коагуляции или порогом быстрой коагуляции.

При коагуляции вместе с уменьшением числа частиц и их укрупнением происходит изменение ряда свойств растворов: понижается скорость диффузии и фильтрации частиц, увеличивается скорость седиментации, меняется интенсивность рассеянного света, а вместе с тем и окраска растворов и т.п.

Коагуляция смесями электролитов

Возможны три случая совместного действия смеси из двух или более электролитов на коллоидный раствор:

1. Аддитивность - суммирование коагулирующего действия электролитов,

2. Антагонизм – один электролит ослабляет действие другого,

3. Синергизм – один электролит усиливает действие другого.

Если рассматривать каждый электролит в одельности от остальных, то существует такая его концентрация, которая будет вызывать быструю коагуляцию золя. Примем это количество электролита, вызывающее быструю коагуляцию, за 100% и рассмотрим теперь совместную работу двух различных электролитов.

Аддитивность

В случае аддитивности, попытка добиться коагуляции золя одним из электролитов при концентрации меньше чем 100% потребует добавления соответствующего количества второго.

Например, если одного взято 70% от концентрации коагуляции, то второго потребуется добавить 30% (в сумме 100%).

Антагонизм

При антагонизме, в действии электролитов оказывается, что на 70% концентрации одного из них нужно уже не 30% концентрации коагуляции другого, а больше, например, 55%.

Таким образом, сумма их концентраций станет больше 100%.

Синергизм

При синергизме, для того чтобы получить быструю коагуляцию золя на 70% от концентрации коагуляции одного электролита достаточно добавить, например, 15% от концентрации коагуляции второго электролита.

Сумма концентраций, в результате, будет меньше 100%.

При коагуляции золей смесями электролитов обычно наблюдается синергизм или антагонизм. Адитивность же представляет собой редкое явление.

Явление синергизма может быть обусловлено образованием из добавленных электролитов многозарядных комплексных ионов, обладающих сильным коагулирующим действием.

Антагонизм объясняется, в частности, образованием из этих электролитов или комплексных соединений – пептизаторов, или слабодиссоциированных частиц, не влияющих на коллоидный раствор.

Пептизация — расщепление агрегатов, возникших при коагуляции дисперсных систем, на первичные частицы под действием жидкой среды (например, воды) или специальных веществ — пептизаторов.

В случае образования пептизаторов непрореагировавшие ионы электролитов действуют в направлении коагуляции золя, а образовавшийся из прореагировавших ионов пептизатор вновь переводит в золь скоагулировавшие частицы.

Иногда пептизаторы образуются в результате взаимодействия коллоидных частиц с добавляемым электролитом. Так, добавлении HCl к золю Fe(OH)2 происходит его коагуляция, а при медленном добавлении HCl коагуляция отсутствует.

Как было выяснено, при медленном добавлении соляной кислоты успевает образоваться пептизатор:

Fe(OH)2 + HCl → FeOCl + 2H2O

FeOCl → FeO⁺ + Cl^-

Такое явление назывется привыканием золя.

Взаимная коагуляция

Если к золю с отрицательно заряженными частицами добавить золь с положительно заряженными частицами, то произойдёт их взаимная коагуляция.

На многих водоочистительных станциях к воде, содержащей отрицательно заряженные органические смеси, добавляют положительно заряженные золи гидроокиси алюминия или железа.

После взаимной коагуляции образовавшиеся хлопья легко отфильтровать на песчаных фильтрах.

Биологическое значение коагуляции

Процессы коагуляции и пептизации имеют большое значение для жизнедеятельности организмов, так как колоиды клеток и биологических жидкостей также подвержены коагуляции и постоянно испытывают воздействие со стороны электролитов.

Для сохранения постоянства физико-химических условий в организме необходимо соблюдать постоянство не только концентрации электролитов, но и их качественного состава.

Действительно, если приготовить изотонический раствор не из NaCl, а из равной концентрации многозарядных ионов, например, MgSO₄, то двухзарядные ионы будут обладать значительно более сильным коагулирующим действием на коллоиды, чем NaCl.

Явления антагонизма и синергизма электролитов отражаются и на биологических объектах. Известно, что рост корней пшеницы подавляется 0,12 М растворами NaCl иCaCl₂, но при определённом соотношений этих растворов отрицательное влияние смеси электролитов устраняется.

Стабилизация коллоидных растворов.

Неустойчивость дисперсных систем

Дисперсные системы принципиально термодинамически не устойчивы.

На границе раздела фаз дисперсных систем происходят процессы, направленные на уменьшение свободной поверхностной энергии, приводящие к уменьшению дисперсности, т.е. к укрупнению частиц.

Поэтому происходит слияние мелких капель в туманах, дождевых облаках и эмульсиях, агрегация высокодисперсных частиц в более крупные образования.

Всё это приводит к разрушению дисперсных систем: туманы и облака проливаются дождями, эмульсии расслаиваются, коллоидные растворы коагулируют, т.е. разделяются на осадок дисперсной фазы (коагулят) и дисперсионную среду или, в случае вытянутых частиц превращаются в гель.

Способность раздробленных систем сохранять присущую им степень дисперсности называется агрегативной устойчивостью.

Способы стабилизации дисперсных систем

Предотвращение агрегации (объединения) первичных дисперсных частиц возможно в результате трёх факторов, влияющих на устойчивость дисперсных систем:

1. Кинетического,

2. Электрического и

3. Структурно-механического.

Кинетический фактор устойчивости

Необходимым условием слипания двух частиц дисперсной фазы является их сближение, достаточное для проявления сил притяжения.

Если частота столкновения коллоидных частиц мала, то дисперсная система может быть устойчивой. Это может иметь место при очень малой концентрации дисперсных частиц (например, в некоторых аэрозолях) или при очень большой вязкости дисперсионной среды, например в системах, где и дисперсная фаза, и дисперсионная среда – твёрдые вещества.

Мы подробнее рассмотри второй и третий факторы (электрический и структурно-механический), влияющие на устойчивость, именно потому что на основе их разработаны методы стабилизации дисперсных систем.

Большинство устойчивых дисперсных систем кроме дисперсной фазы и дисперсионной среды, содержат ещё третий компонент, являющийсястабилизатором дисперсности.

Стабилизатором могут быть как ионы, так и молекулы, в связи с чем различают два механизма стабилизации дисперсных систем: электрический и молекулярно-адсорбционный (структурно-механический).

В основе обоих механизмов лежит адсорбция, но в случае электрического механизма на поверхности коллоидных частиц происходит адсорбция ионов, а в случае молекулярно-адсорбционного механизма - адсорбция молекул.

Электрическая стабилизация дисперсных систем

Электрическая стабилизация дисперсных систем связана с возникновением двойного электрического слоя на границе раздела фаз. (Подробнее об этом см. раздел: Коллоидные частицы. Строение коллоидной мицеллы.).

Такая стабилизация имеет основное значение для получения устойчивых лизолей и суспензий в полярной среде, например, в воде.

В любом гидрозоле все коллоидные частицы имеют одинаковый знак заряда. Однако коллоидная мицелла в целом электронейтральна в результате образования двойного электрического слоя.

Поэтому электростатическое отталкивание между коллоидными частицами (электрический фактор устойчивости) возникает только при достаточном их сближении, когда происходит перекрывание их ионных атмосфер.

Потенциальная энергия электростатического отталкивания тем больше, чем больше перекрывание диффузных частей двойного электрического слоя двойного электрического слоя коллоидных частиц, т.е. чем меньше расстояние между ними и чем больше величина двойного электрического слоя.

Кроме электростатического отталкивания, между коллоидными частицами, как и между молекулами любого вещества, действуют межмолекулярные силы притяжения, среди которых наибольшую роль играют дисперсионные силы.

Потенциальная энергия взаимодействия (U) между коллоидными частицами представляет собой алгебраическую сумму потенциальной энергии электростатического отталкивания (Uэ) и потенциальной энергии дисперсионного притяжения (Uд) между ними:

U = Uэ + Uд

Если силы отталкивания преобладают над силами притяжения, то дисперсионная система устойчива.

И наобортот, если силы притяжения оказываются выше, то происходит слипание сталкивающихся при броуновском движении коллоидных частиц в более крупные агрегаты и их дальнейшая седиментация (оседание). Коллоидный раствор коагулирует, т.е. разделяется на коагулят (осадок) и дисперсионную среду.

Таким образом, при стабилизации дисперсных систем добиваются того, чтобы силы отталкивания между коллоидными частицами преобладали над силами межмолекулярного притяжения.

В случае электрической стабилизации это осуществляется поддержанием относительно высокого электрического потенциала гранулы коллоидной частицы (так называемого ζ-потенциала).

Коллоидные частицы, которые не имеют электрического заряда или имеют малый заряд легко и быстро коагулируют.

Электрическая стабилизация частиц может быть достигнута добавлением в зольэлектролита. При этом очень важное значение будет иметь количество добавленного электролита, поскольку электролит, с одной стороны, может стабилизировать золь, а с другой – их избыточное добавление ведёт к коагуляции золей.

Молекулярно-адсорбционная стабилизация дисперсных систем. Структурно-механический фактор

Молекулярно-адсорбционная стабилизация дисперсных систем играет большую роль в устойчивости дисперсий как в водной, так и в неводных средах.

Дисперсные системы в неводных средах в принципе менее устойчивы, чем в водной среде. В неполярной и не содержащей воды дисперсионной среде частицы дисперсной фазы лишены электрического заряда. Электрический фактор стабилизации отсутствует.

Между дисперсными частицами существуют только силы взаимного притяжения. Ослабление этих сил, приводящее к стабилизации дисперсных систем, может происходить в результате образования вокруг коллоидных частиц адсорбционных слоёв из молекул дисперсионной среды и растворённых в ней веществ.

Такие слои ослабляют взаимное притяжение частиц дисперсной фазы и создаютструктурно-механический барер, препятствующий их сближению.

Стабилизация дисперсных систем за счёт сольватации дисперсной фазы молекулами дисперсионной среды возможна как в полярных, так и в неполярных средах.

Так, гидратация частиц глины и кремневой кислоты имеет существенное значение для устойчивости суспензий глин и золя кремневой кислоты в водной среде.

Однако, стабилизация дисперсных систем значительно более эффективна при добавлении к ним поверхностно-активных веществ (ПАВ) и высокомолекулярных соединений, адсорбирующихся на границе раздела фаз.

Адсорбционные слои ПАВ и высокомолекулярных соединений, обладая упругостью и механической прочностью, надёжно предотвращают слипание дисперсных частиц.

Образование таких молекулярно-адсорбционных твёрдообразных поверхностных слоёв советский физик П.А. Ребиндер назвал структурно-механическим фактором стабилизации дисперсных систем.

Этот механизм играет основную роль при получении предельно устойчивых высококонцентрированных пен, эмульсий, коллоидных растворов и суспензий не только в неводных, но и в водных средах.

Для структурно-механической стабилизации дисперсий в водной среде применяют мыла щелочных металлов, белки, крахмал, а в неводных средах – мыла щелочноземельных металлов, смолы каучуки. Такие вещества называют защитными коллоидами.

Эмульсии и эмульгаторы.

Грубодисперсные системы

Эмульсии это один из видов грубодисперсных систем. Помимо эмульсий к грубодисперсным системам относятся суспензии, пены, порошки и пр.

Грубодисперсные системы отличаются от коллоидных систем более крупным размером частиц дисперсной фазы. Верхний предел размеров коллоидных частиц составляет ~10^-7м, грубодисперсные системы имеют размер частиц от 10^-7 м и выше.

Эмульсии

Эмульсиями называют дисперсные системы из несмешивающихся жидкостей. В таких системах, состоящих, например, из двух жидкостей, одна из них (дисперсная фаза) взвешена в другой (дисперсной среде) в виде капелек.

Размеры капелек различны и могут достигать 5 · 10^-6 м и выше.

Ряд свойств эмульсий сходен со свойствами коллоидов: они также имеют выраженную поверхность раздела, неустойчивы и нуждаются в стабилизаторах (эмульгаторах).

Эмульсии могут образовывать только взаимно нерастворимые жидкости. Чаще всего эмульсии состоят из воды и жидкости, которые принято называть «маслом». Молекулы масла менее полярны, чем молекулы воды и в этом кроется секрет взаимной нерастворимости этих веществ.

Возможны два типа эмульсий: масло в воде (м/в) и вода в масле (в/м).

При энергичном взбалтывании смесей, состоящих из воды и масла, компонент, содержащийся в меньшем количестве, дробиться на мельчайшие капельки, распределяющиеся по всему объёму.

Если дисперсной фазой является масло, то образуется эмульсия, в которой капельки жидкости по свойствам очень схожи с частицами гидрофобного коллоида.

Главным фактором их устойчивости также является заряд, возникающий за счёт адсорбции некоторых ионов, обладающих этим зарядом. Таким образом капельки эмульсии имеют некоторый ζ-потенциал.

Обычно концентрация дисперсной фазы в эмульсиях чистых жидкостей (без стабилизаторов) не превышает 2%.

Устойчивость таких эмульсий невысока, легко происходит самопроизвольное слияние капелек дисперсной фазы (так называемая коалесценция) и последующее расслоение жидкости. Чем меньше размер капелек, тем устойчевее эмульсия.

Коалесценция и коагуляция – два родственных процесса. Оба связаны с потребностью дисперсных систем уменьшить свою свободную энергию.  Термин коалесценция используют по отношению к слиянию капель жидкости или газовых пузырьков. Коагуляция – это процесс слипания твердых частиц в дисперсных системах с образованием более крупных частиц. Коагуляция ведёт к выпадению из коллоидного раствора осадка или к застудневанию.

Эмульгаторы

Достаточно устойчивую и концентрированную эмульсию можно приготовить лишь при добавлении стабилизатора (эмульгатора).

Эмульгаторы не только сообщают капелькам эмульгируемой жидкости заряд, но, главным образом, создают вокруг них своеобразную оболочку, препятствующую коалесценции.

Гидрофильные и гидрофобные эмульгаторы.

В наиболее важном с практической точки зрения случае эмульгаторы представляют собойдифильные вещества, молекулы которых имеют в своём составе, как полярную(гидрофильную) группу, так и неполярную (гидрофобную) часть.

В качестве примера дифильных веществ можно привести лецитин:

Именно благодаря наличию такой двойственной структуры становится возможной стабилизация, поскольку дифильные вещества имеют возможность одновременно взаимодействовать, как с водой и водорастворимыми веществами, так и с маслами или веществами жирной природы.

Эмульгаторы, молекулы которых имеют относительно длинную гидрофобную часть, обладают преимущественно гидрофобными свойствами. Такие эмульгаторы называютгидрофобными.

И, наоборот, эмульгаторы с относительно короткой гидрофобной частью, имеют большее сродство с водой и их, поэтому называют гидрофильными.

Стабилизация эмульсий типа «масло в воде». Гидрофильные эмульгаторы.

Гидрофильные эмульгаторы необходимы для стабилизации эмульсий типа «масло в воде». При добавлении гидрофильного эмульгатора в такую эмульсию вокруг капельки масла образуется сплошной слой эмульгатора, сообщающий ей некоторую гидрофильность и повышающий её устойчивость (Рис. а).

Добавление в такую же смесь гидрофобного эмульгатора, большая часть молекулы которого погружается в капельку масла, не обеспечивает устойчивости эмульсии, поскольку часть поверхности капельки остаётся «открытой» и легко может происходить слияние с другими капельками (рис. б).

Стабилизация эмульсий типа «вода в масле». Гидрофобные эмульгаторы.

Гидрофобные эмульгаторы стабилизируют эмульсии типа «вода в масле». Их молекула, находящаяся большей своей частью в дисперсионной среде (масле), удерживается на поверхности капелек воды своей гидрофильной группировкой (Рис. а).

В результате вокруг каждой капельки воды образуется плотная оболочка из молекул эмульгатора, препятствующая слиянию дисперсной фазы (воды).

Попытка получить эмульсию такого же типа с гидрофильным эмульгатором оказалась бы безуспешной, так как молекулы эмульгатора разместились бы в основном внутри капелек воды (Рис. б).

Вместо сплошной оболочки вокруг капелек имелись бы лишь выступающие над их поверхностью отдельные гидрофобные группы эмульгатора, не препятствующие коалесценции капелек.

Таким образом, эмульгатор должен обладать сродством к дисперсионной среде.

В зависимости от типа желаемой эмульсии следует брать гидрофильные или гидрофобные эмульгаторы той или иной степени диссоциации.

Классификация эмульгаторов
Дисперсность эмульгаторов	Эмульгаторы для эмульсий типа м/в	Эмульгаторы для эмульсий типа в/м
Грубая	CaCO3, CaSO4, Fe2O3, Fe(OH)3, SiO2, глина и др.	HgI2, PbO, сажа и др.
Коллоидная	Желатин, казеин, альбумин, крахмал, декстрин, гуммиарабик, лецитин, желчные кислоты и др.	Смолы, каучук, холестерин и др.
Молекулярная	Мыла щелочных металлов, красители	Мыла многовалентных металов

Эмульгатором можно задать тип эмульсии

Добавляя в дисперсную систему тот или иной тип стабилизатора (эмульгатора), можно задать тип эмульсии.

Если к смеси равных объёмов воды и бензола добавить гидрофильный эмульгатор, то образуется эмульсия типа «масло в воде».

Добавление гидрофобного эмульгатора приводит к возникновению эмульсии типа «вода в масле».

Применение соответствующих эмульгаторов позволяет получать эмульсии, в которых объём дисперсной фазы гораздо больше объёма дисперсионной среды.

Так, Кремнев получил эмульсию из 150 частей бензола в 1 части воды.

Моющее действие эмульгаторов

Образование эмульсии происходит при отмывании жирных пятен мылом.Пептизированные, а затем стабилизированные солями жирных кислот частички жира легко уносятся водой.

Пептизация — расщепление агрегатов, возникших при коагуляции дисперсных систем, на первичные частицы под действием жидкой среды (например, воды) или специальных веществ — пептизаторов. Пептизированные частицы – частицы, отщеплённые от основной массы коагулята, а в данном случае - от жирового загрязнения.

Моющие средства должны быть сильными поверхностно-активными гидрофильными эмульгаторами. Поверхностное натяжение моющего раствора должны быть почти вдвое ниже, чем у воды.

Моющее действие этих растворов возрастает с повышением их концентрации и увеличением гидрофобной части молекулы применяемого эмульгатора.

Биологическое значение эмульсий

Пищевые продукты

Примером эмульсий является молоко, которое представляет собой взвешенные в воде частички жира, эмульгированные белком (казеиногеном).

При стоянии молока образуется слой концентрированной эмульсии (сливки).

Сбивание сливок приводит к разрушению белковой оболочки, жир коалесцирует в крупные комочки сливочного масла, которое тоже представляет собой эмульсию, но уже типа «вода в масле».

Аналогичными этому типу эмульсиями являются:

• Маргарин,

• Майонез,

• Мороженное и пр.

Маргарин – эмульсия из мелкораздробленных гидрогенезированных растительных жиров.

Эмульсии в физиолгии человека

Эмульсии нередко встречаются в организме человека:

1. Жиры в крови и лимфе находятся в эмульгированном состоянии (эмульгатор – белки крови).

2. При пищеварении в кишечнике также образуется жировая эмульсия, но здесь стабилизатором служат соли желчных и жирных кислот. Опыты показали, что растворы солей желчных кислот могут обладать поверхностным натяжением менее 1 эрг/см2, т.е. настолько низким, что может идти самопроизвольное раздробление жира (без его механического измельчения). Таким образом, желчь имеет важное значение для переваривания и всасывания жиров в жилудочно-кишечном тракте.

3. Эритроциты в крови можно по ряду свойств рассматривать так же, как частички гидрофобной эмульсии.

На их поверхности отсорбированы молекулы белков, аминокислот и ионы электролитов. Все они сообщают эритроцитам определённый отрицательный заряд, а противоионы создают некоторый диффузный слой.

При паталогических процессах в организме, когда в крови увеличивается содержание некоторых видов белков (либо особого глюкопротеида, относящегося к альфа-глобулинам, либо при инфекционных заболеваниях гамма-глобулинов) происходит процесс, очень напоминающий ионообменную адсорбцию: место ионов электролитов на поверхности эритроцитов занимают белки, заряд которых ниже, чем у суммы замещённых ими ионов.

В результате заряд эритроцитов понижается, они быстрее объединяются и оседают (ускоряется реакция оседания эритроцитов – РОЭ).

Этот процесс зависит ещё от ряда факторов: содержания других белковых фракция и мукополисахаридов, концентрации эритроцитов в кровии, от наличия в крови микробов, наконец, расположения сосуда, в котором наблюдается РОЭ (в частности, скорость её ниже в наклонно расположенном капиляре).

Оседание эритроцитов происходит сходно с процессом седиментации гидрофобного коллоида.

Взаимодействие "воды" и "масла".

Бытовые примеры

Силы межатомного притяжения. Ковалентная связь.

Полярные и неполярные ковалентные связи.

     Неполярные ковалентные связи

     Полярные ковалентные связи.

     Электроотрицательность

     Молекула воды

     Молекулы углеводородов

     Молекулы дифильных веществ

Межмолекулярные силы. Силы Вандер Ваальса.

     Ориентационные силы. Вода - полярный растворитель.

     Дисперсионные силы. Масла – неполярные растворители.

Расслоение воды и масла.

Гидрофобность и гидрофильность.

Дифильность.

Поверхностно-активные вещества.

     Моющие средства.

     Эмульгаторы.

Взаимодействие жидкости и твёрдых поверхностей. Смачивание.

Бытовые примеры

В обычной бытовой жизни каждый из нас мог быть свидетелем некоторой «антипатии» между водой и маслянистыми жидкостями.

Например, каждый знает, как трудно отмыть жирные руки водой. Без использования мыла это сделать почти невозможно.

Известный факт: если в одной ёмкости смешать воду и масло, то через некоторое время произойдёт их расслоение. Вода, как более тяжёлая жидкость, соберётся в нижней части сосуда, а над ней появится плёнка масла.

Покрытые жиром перья птиц так хорошо отталкивают воду, что даже если птица полностью погрузиться в неё, то вынырнув, ей достаточно будет встряхнуться, чтобы вновь оказаться сухой.

Капли росы на листьях растений – ещё один пример взаимного отталкивания воды и жирной поверхности.

Листья растений покрыты тонкой плёнкой выделяемого ими воска. А воск – жироподобное вещество. Также как и масло, воск не смачивается водой.

Все растворители в химии делят на:

• неорганические (вода, растворы неорганических кислот и их солей) и

• органические (имеющие жирную природу).

А растворяемые вещества делят на:

• водорастворимые и

• жирорастворимые.

Таким образом, мы имеем дело с системным отличием в свойствах двух больших классов соединений, как растворителей, так и растворимых веществ.

Разберёмся, с чем объясняются эти отличия.

Силы межатомного притяжения. Ковалентная связь.

Забегая вперёд, сразу скажем, что причина антипатии воды и масла кроется в принципиально разных силах, действующих между образующими их молекулами.

Но прежде, чем рассматривать межмолекулярные силы, необходимо рассмотреть силы межатомного притяжения. Именно они приводят к возникновению молекул и ответственны за различия межмолекулярных сил.

Сделаем это на примере водорода.

Водород – простейший атом. Он состоит из ядра (протона) и одного электрона, совершающего вращательное движение вокруг ядра.

Как известно, устойчивая молекула может возникнуть только при условии, что её потенциальная энергия меньше, чем суммарная потенциальная энергия образующих её атомов.

Английскому физику Ф. Лондону и работавшему в Англии немецкому физику В. Гейтлеру удалось получить уравнение, позволяющее найти зависимость потенциальной энергии Е системы, состоящей из двух атомов водорода, от растояния r между ядрами этих атомов. (Позднее их расчёты были подтверждены экспериментально.)

При этом оказалось, что результаты расчёта зависят от того, одинаковы или противоположны по знаку спины взаимодействующих электронов.

Спин (от англ. spin — вертеться, вращение) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу. Спин связан не с движением электрона вокруг ядра, а имеет отношение к.с собственному его состоянию.  Для более лёгкого понимания этого понятия часто проводят аналогию с вращением планет вокруг своей оси. В этом случае знак спина будет характеризовать направление вращения.

При совпадающем направлении спинов сближение атомов приводит к непрерывномувозрастанию энергии системы. В этом случае для сближения атомов требуется затрата энергии, так что такой процесс оказывается энергетически не выгодным и химическая связь между атомами не возникает.

а - при противоположно направленных спинах.  б - при одинаково направленных спинах. r₀ - межъядерное расстояние в молекуле водорода. Е₀ - энергия системы из двух невзаимодействующих атомов.

При противоположно направленных спинах сближение атомов до некоторого расстоянияr₀ сопровождается уменьшением энергии системы. При r = r₀ обладает наименьшей потенциальной энергией, т.е. находится в наиболее устойчивом состоянии. Дальнейшее сближение атомов вновь приводит к увеличению энергии.

Говоря другими словами, если попытаться сблизить атомы водорода на растояние, меньшее, чем r₀, то между ними возникнет сила отталкивания, а если увеличивать расстояние между ними r > r₀, то возникнет сила притяжения, пытающаяся вернуть систему в состояние r = r₀.

Но это и означает, что в случае противоположно направленных спинов атомных электронов образуется молекула Н₂ – устойчивая система из двух атомов водорода, находящихся на определённом расстоянии друг от друга.

Образование химической связи между атомами водорода является результатом взаимопроникновения («перекрывания») электронных облаков, происходящего при сближении взаимодействующих атомов.

Вследствии такого взаимопроникновения плотность отрицательного электрического заряда в межъядерном пространстве возрастает. Положительно заряженные ядра атомов притягиваются к области перекрывания электронных облаков, что приводит к образованию устойчивой молекулы.

Химическая связь в молекуле водорода осуществляется путём образования пары электронов с противоположно направленными спинами, принадлежащей обоим атомам.

Такая двухэлектронная двухцентровая связь называется ковалентной.

Полярные и неполярные ковалентные связи.

Неполярная ковалентная связь

В случае большинства химических веществ, связь между атомами внутри молекул обеспечивается именно ковалентными связями. Но характер этой связи может отличаться.

Если двухатомная молекула состоит из атомов одного элемента, как, например, молекулы Н₂, N₂, Cl₂, и т.д., то каждое электронное облако, образованное общей парой электронов и осуществляющее ковалентную связь, распределяется в пространстве симметричноотносительно ядер обоих атомов.

В подобном случае ковалентная связь называется неполярной.

Полярная ковалентная связь

Если же молекула состоит из атомов различных элементов, то общее электронное облако смещено в сторону одного из атомов, так что возникает ассиметрия в распределении заряда.

В таких случаях ковалентная связь назывется полярной.

Электроотрицательность химических элементов

Для оценки способности атома данного элемента оттягивать к себе общую электронную пару пользуются величиной относительной электроотрицательности.

Чем большее количество протонов содержит ядро атома элемента и чем меньше его радиус, тем выше будет его электротрицательность.

Понятно, что чем больше расстояние между ядром атома и его внешним электронным уровнем, тем меньше будет сила притяжения между ними и меньше будет поляризующий эффект.

Причём, если рассмотреть последовательность расположения элементов в периодической системе, то выяснится, что большее влияние на величину электроотрицательности будет оказывать, как раз увеличение радиуса элемента, а не массивность его ядра.

Наиболее электроотрицательные атомы окажутся в верхнем правом углу таблицы Менделеева, а наименее электроотрицательные – в нижнем левом углу.

В направлении, заданном этой диагональю (от Фтора F к Францию Fr) электроотрицательность элементов будет закономерно убывать.

Вот значения относительной элетроотрицательности некоторых элементов:

Относительная электроотрицательность атомов
Н 2,1
Li 0,98	Be 1,5	B 2,0	C 2,5	N 3,07	O 3,5	F 4,0
Na 0,93	Mg 1,2	Al 1,6	Si 1,9	P 2,2	S 2,6	Cl 3,0
K 0,91	Ca 1,04	Ga 1,8	Ge 2,0	As 2,1	Se 2,5	Br 2,8
Rb 0,89	Sr 0,99	In 1,5	Sn 1,7	Sb 1,8	Te 2,1	I 2,6

Молекула воды

Молекула воды является типичным примером молекулы с полярной ковалентной связью. Причём эта полярность выражена достаточно явно. Ведь электроотрицательность кислорода является одной из самых высоких. Больше только у фтора.

Общее электронное облако будет значительно смещено от ядер атомов водорода к ядру кислорода.

Вследствие перераспределения электронной плотности атом кислорода приобретёт избыток отрицательного заряда, а атомы водорода, наоборот, окажутся заряженными положительно.

Похожим образом обстоят дела с молекулами неорганических кислот и их солей. Например, молекулы НCl, HF, NaCl, KCl и пр. представляют собой явно выраженные диполи с положительными и отрицательными полюсами.

Такие молекулярные диполи будут создавать вокуг местные электрические поля и притягивать к себе противоположно заряженные частицы, в том числе противоположно заряженные полюса диполей, таких же как они сами молекул.

Молекулы углеводородов

Молекулы углеводородов состоят из атомов углерода и водорода.

Простейший углеводород – метан СН4. Он открывает гомологический ряд предельных углеводородов. За метаном следуют: этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (С4Н10) и т.д.

Вот их структурные формулы:

Углеводороды от СН4 до С4Н10 – газы (при температуре 20°С).

От С5Н12 до С16Н34 – жидкости.

От С16Н34 – твёрдые вещества.

Атомы углеводородов связаны между собой всё той же ковалентной связью. Но в отличие от воды молекулы углеводородов неполярны.

По значениям электроотрицательности атомы водорода и углерода близки:

Водород – 2,1

Углерод – 2,5.

Для сравнения, электроотрицательность кислорода – 3,5.

Таким образом, в молекулах углеводородов электронная плотность крайне незначительно смещена в сторону ядра атома углерода. Такое малое смещение не создаст сколько-то заметных электрических полей, вследствии чего ковалентная связь в молекулах углеводородов будет ближе к неполярной.

Молекулы дифильных веществ

Дифильными называют такие вещества, молекулы которых в своём составе имеют группы, как с полярной, так и с неполярной связью.

Например, в молекуле масляной кислоты имеется полярная группа СООН инеполярный углеводородный хвост:

К дифильным относятся многие органические вещества, например, жирные кислоты, соли жирных кислот, спирты и пр.

Межмолекулярные силы. Силы Вандер Ваальса.

Мы уже рассмотрели действие ковалентных сил, благодаря которым атомы различных веществ образуют молекулы. Теперь рассмотрим силы, определяющие взаимодействие между молекулами.

Силы межмолекулярного взаимодействия, называемые также силами Ван-дер-Ваальса, слабее ковалентных сил, но проявляются на больших расстояниях. В основе их лежит электростатическое взаимодействие диполей, но в различных веществах механизм возникновения диполей различен.

Мы рассмотрим два вида сил Ван-дер-Ваальса: ориентационные и дисперсионные. Различность механизмов действия этих сил приводит к отсутствию взаимодействия между водой и жироподобными веществами.