Коагуляция. Электрокинетические явления Методическое пособие
.pdf2. Добавление электролита-пептизатора, ионы которого адсорбируются на поверхности частиц осадка, при этом ионная атмосфера восстанавливается, заряд увеличивается.
Не всякий полученный при коагуляции осадок (коагулят) можно подвергнуть пептизации.
Условиями пептизации являются:
свежеобразованные осадки (пептизация возможна, когда структура частиц в коагуляте не изменена по сравнению с первоначальной, т. е. еще не произошло полного объединения частиц, и они слабо связаны друг с другом);
определенное, небольшое количество электролита (чтобы не вызвать повторную коагуляцию);
перемешивание, небольшое нагревание.
Различают адсорбционную и химическую (диссолюционную) пептизацию. Адсорбционная пептизация состоит в добавлении к осадку ионов, опреде-
ляющих потенциал. Ионы адсорбируются на частицах промытого водой осадка и сообщают частицам заряд. Примером может служить пептизация свежеосажденного Fe(OH)3 раствором FeCl3. Ионы Fe3+, адсорбируясь на частицах коагулята, придают им положительный заряд, следствием чего является возникновение сил электростатического отталкивания, и осадок переходит во взвешенное состояние – коллоидный раствор.
Химическая пептизация состоит из двух стадий:
1)взаимодействие добавляемого вещества с поверхностью коагулята (осадка) и образование ионов-пептизаторов;
2)адсорбция ионов-пептизаторов на поверхности частиц осадка.
Например, для образования электролита-пептизатора к осадку золя Fe(OH)3 добавляют небольшое количество раствора HCl. При этом протекает реакция, уравнение которой:
Fe(OH)3 + HCl FeOCl + 2H2O.
Образовавшийся FeOCl диссоциирует на ионы FeO+ и Cl– (первая стадия – образование ионов-пептизаторов). Ион-пептизатор FeO+ адсорбируется на частицах Fe(OH)3 и переводит их во взвешенное состояние (вторая стадия). При этом способе пептизации важно добавлять очень маленькое количество реагента (первая стадия), иначе может раствориться весь осадок, и вместо коллоидного образуется истинный раствор.
Пептизацию можно проводить растворами ПАВ, которые, адсорбируясь на частицах осадка, повышают сродство дисперсной фазы к дисперсионной среде (правило Ребиндера).
Процесс пептизации лежит в основе рассасывания тромбов в кровеносных сосудах под действием антикоагулянтов, свежеобразованных осадков в почках, желчном пузыре, атеросклеротических бляшек на стенках сосудов. Однако необходимо учитывать, что застарелые тромбы, уплотнившиеся камни в почках или желчном пузыре практически не подвергаются пептизации.
20
Коллоидная защита
Устойчивость лиофобных золей к коагуляции возрастает в присутствии мыл
иВМС: белков, полисахаридов, синтетических полимеров растворимых в воде,
ит.д. Возрастание устойчивости проявляется в повышении значений порогов коагуляции у защищенного золя и невыполнении правила Шульце-Гарди. Явление повышения агрегативной устойчивости лиофобных золей при добавлении к ним необходимого количества высокомолекулярных соединений получи-
ло название коллоидной защиты.
Механизм защитного действия заключается в том, что вокруг мицелл золя образуются адсорбционные оболочки из гибких макромолекул высокомолекулярных соединений (ВМС). В водных золях 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. Сольватные слои обеспечивают большое расклинивающее давление при сближении двух частиц и препятствуют их слипанию. При этом система лиофилизируется, мицеллы приобретают дополнительный фактор агрегативной устойчивости за счет собственных оболочек макромолекул (рис. 18).
Рис. 18. Защитное действие макромолекул ВМС на частицы коллоидного раствора.
Основные условия защитного действия:
1.Достаточно высокая растворимость ВМС в дисперсионной среде коллоидного раствора.
2.Способность к адсорбции молекул ВМС на коллоидных частицах.
3.Оптимальная концентрация ВМС для образования адсорбционного слоя из макромолекул, покрывающего всю поверхность мицелл.
Способность защищать золи от коагуляции количественно выражают защитным числом S, равным числу миллиграммов сухого ВМС, защищающего 10 мл золя от коагуляции при добавлении к золю 1 мл 10 %-ного раствора NaCl.
В зависимости от природы золя защитное число называют «золотым», если оно относится к золю золота, «серебряным» – к золю серебра, «железным» – к золю Fe(OH)3 и т.д. Очевидно, что чем больше величина защитного числа,
21
|
10% NaCl |
1 мл |
|
золь |
|
10 мл |
(золота, серебра, |
|
или Fe(OH)3) |
|
|
|
|
|
|
|
крахмал |
|
|
желатин |
Рис. 19. Иллюстрация защитного числа.
тем слабее защитное действие данного ВМС. Наиболее сильным защитным действием обладают белки: желатин, казеинат натрия (защитные золотые числа 0,01 –0,1), а более слабым – крахмал, декстрин, сапонины (защитные золотые числа 20–45).
Задача № 6. Рассчитайте «железное число», если на защиту 5 мл золя Fe(OH)3 пошло 2 мл 0,001 %-ного раствора желатина. Плотность раствора принять равной 1 г/мл.
Решение.
m(жел.) = Vр(жел.)·ρ·ω(жел.)/100 = 2 мл·1 г/мл·0,001/100 = 2·10−5 г = = 0,02 мг.
S |
m(жел.) мг |
10 мл |
0,02 мг |
10 мл 0,04 мг. |
|
|
|||
V (золя) мл |
|
5 мл |
|
|
Явление коллоидной защиты имеет большое физиологическое значение: многие гидрофобные коллоиды в крови и биологических жидкостях защищены белками от коагуляции. Белки крови защищают капельки жира, холестерин и другие гидрофобные вещества от коагуляции. Ослабление защитных функций белков крови приводит к отложению холестерина и нерастворимых солей кальция на стенках сосудов (атеросклероз и кальциноз), обусловливая возрастные изменения в тканях – этот процесс является одним из существенных факторов старения организма. Понижение защитных свойств белков и других гидрофильных соединений в крови может привести к выпадению солей мочевой кислоты (при подагре), образованию камней в почках, желчном пузыре, протоках пищеварительных желез и т.п.
В фармацевтической промышленности защитные свойства ВМС широко используются для получения высокоустойчивых лекарственных препаратов, находящихся в коллоидном состоянии. Принцип коллоидной защиты используют при получении колларгола, золей серебра, золота. Частицы колларгола так хорошо защищены, что не коагулируют даже при высушивании.
Обратите внимание!!!
«Золотое» число спинно-мозговой жидкости используют для диагностических целей (его значения различны для нормальной спинно-мозговой жидкости и при различных патологиях – нейросифилис, менингит).
22
Добавление к лиофобным золям небольших количеств ВМС недостаточно для образования адсорбционного слоя на поверхности мицеллы и приводит к противоположному эффекту – уменьшению устойчивости золя.
Флокуляция
Флокуляция – агрегирование частиц дисперсной фазы в лиофобных золях под действием небольших количеств ВМС, имеющих гибкие макромолекулы, и содержащих одинаковые функциональные группы на концах.
Флокуляция в жидких дисперсных системах (золях, суспензиях, эмульсиях, латексах) происходит под влиянием специально добавляемых веществ – флокулянтов, а также при тепловых, механических, электрических и других воздействиях. Эффективные флокулянты – это растворимые полимеры, среди которых наиболее эффективны полиэлектролиты. Действие полимерных флокулянтов обычно объясняют адсорбцией на различных частицах нитевидных макромолекул, имеющих одинаковые функциональные группы на концах. Возникающие при этом агрегаты образуют хлопья (флокулы), которые могут быть легко удалены отстаиванием или фильтрованием. Флокулянты (поликремниевая кислота, полиакриламид и др.) широко используются при подготовке воды для технических и бытовых нужд, обогащении полезных ископаемых, в бумажном производстве, в сельском хозяйстве (для улучшения структуры почв), в процессах выделения ценных продуктов из производственных отходов, обезвреживания промышленных сточных вод. При водоочистке полимерные флокулянты применяют обычно в концентрации 0,1–5 мг/л. Флокуляция под действием органических веществ в природных водоёмах – важный фактор их самоочищения.
Значение коагуляции
1. Учет коагуляции при введении растворов солей в живые организмы (0,9 %-ный раствор NaCl нельзя заменить изотоническим раствором MgSO4).
2. Определение СОЭ – скорости оседания эритроцитов (норма 10–
12мм/час).
3.Удаление ионов Са2+ при консервировании донорской крови:
–добавление цитрата натрия;
–декальцинирование методом ионного обмена.
Противосвертывающее действие основано на том, что цитрат натрия связывает участвующие в процессе свертывания ионы кальция в нерастворимый цитрат кальция.
Обратите внимание!!!
Применять его в организме нельзя, поскольку резко нарушается возбудимость нервно-мышечного аппарата, для нормальной деятельности которого нужны ионы кальция.
23
ВОПРОСЫ, ЗАДАЧИ И ТЕСТЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ И САМОКОНТРОЛЯ
Вопросы.
1.Виды устойчивости коллоидных систем. Суть теории ДЛФО.
2.Коагуляция как процесс нарушения устойчивости коллоидных растворов. Механизм коагуляции.
3.Кинетика коагуляции. Порог коагуляции.
4.Коагуляция смесью электролитов.
5.Пептизация. Биологическое значение коагуляции и пептизации.
6.К какому электроду должны перемещаться частицы золя, полученного по
реакции, уравнение которой: CaCl2 + K2CO3(изб.) = CaCO3↓ + 2 KCl? Напишите формулу мицеллы.
7.Частицы золя сульфата бария, полученного смешением равных объемов растворов хлорида бария и серной кислоты, при электрофорезе перемещаются к катоду. Одинаковы ли исходные молярные концентрации растворов? Почему?
8.Какие факторы влияют на величину термодинамического и ζ- потенциалов?
9.Что такое агрегативная устойчивость золей, и как ее можно повысить? Что такое седиментационная устойчивость золей, чем она обусловлена?
10.Каковы причины аддитивности, синергизма и антагонизма при использовании смеси электролитов в качестве коагулянта?
11.Что такое коллоидная защита? Какая величина характеризует способность к ней?
12.В чем заключается явление сенсибилизации, каков его механизм?
Тесты |
|
|
|
|
|
|
1. |
Частица дисперсной фазы лиофобного золя – это |
|
||||
1) |
агрегат |
2) ядро |
3) гранула (коллоидная частица) |
4) мицелла |
||
2. |
Микрокристаллы плохорастворимого вещества образуют |
|
||||
1) |
диффузный слой 2) адсорбционный слой |
3) агрегат |
4) ядро |
|||
3. |
Потенциалопределяющие ионы находятся |
|
|
|||
1) |
в диффузном слое |
|
2) |
в адсорбционном слое |
||
3) |
на поверхности агрегата |
4) |
в глубине раствора. |
|||
4. |
Противоионы находятся: |
|
|
|
||
1) |
на поверхности агрегата |
2) |
только в диффузном слое |
|||
3) |
в адсорбционном и диффузном слоях |
4) |
только в адсорбционном слое |
|||
5. Заряд гранулы (коллоидной частицы) совпадает по знаку с зарядом |
||||||
1) |
противоионов |
|
2) |
потенциалопределяющих |
||
|
|
|
|
ионов |
|
|
3) |
ионов в диффузном слое |
4) |
противоионов в адсорбцион- |
|||
|
|
|
|
ном слое |
|
|
6. |
ζ-потенциал – это потенциал |
|
|
|
||
1) |
в глубине раствора |
|
2) |
на поверхности агрегата |
||
3) |
на поверхности гранулы |
4) |
на поверхности ядра |
|||
24
7. |
При электрофорезе частицы дисперсной фазы движутся относительно |
|||||||
дисперсионной среды под действием |
|
|
|
|
|
|
||
1) |
капиллярных сил |
|
2) силы тяжести |
|
|
|||
3) |
давления |
|
4) электрического поля |
|
||||
8. |
Коллоидные частицы CuS в водном растворе Na2S |
|
|
|||||
1) |
заряжены положительно |
|
|
2) заряжены отрицательно |
||||
3) |
не заряжены |
|
|
|
4) перемещаются к катоду |
|||
|
|
|
|
|
при электрофорезе |
|||
9. |
Заряд гранулы мицеллы с формулой |
m[MnO |
]nMnO (n x)K |
|||||
|
|
|
|
|
2 |
|
4 |
|
1) |
отрицателен |
2) положителен |
3) нулевой |
4) равен 2(n – x) + |
||||
10.Мицелла, формула которой m[BaSO |
4 |
]nBa 2 2(n x)NO 2 x |
2xNO , соот- |
|||||
|
|
|
|
|
|
3 |
3 |
|
ветствует золю, образующемуся при взаимодействии |
|
|
||||||
1) Ba(NO3)2 + K2SO4(изб.) |
|
|
2) Ba(NO3)2(изб.) + K2SO4 |
|||||
3) BaSO4 + KNO3(изб.) |
|
|
|
4) Ba SO4(изб.) + KNO3 |
||||
11.Электроосмос – это движение |
|
|
|
|
|
|
||
1)дисперсной фазы относительно дисперсионной среды в электрическом
поле
2)дисперсионной среды относительно дисперсной фазы в электрическом
поле
3)диффундирующих частиц
4)частиц дисперсной фазы при центрифугировании
12.Потенциал седиментации – это разность потенциалов, возникающая
1)на границе скольжения фаз
2)на поверхности ядра
3)при оседании частиц под действием гравитации
4)при продавливании коллоидного раствора через мембрану или капилляр 13.Потенциал протекания (течения) – это разность потенциалов, возникающая
1)на поверхности гранулы
2)на поверхности ядра
3)при оседании частиц под действием гравитации
4)при продавливании коллоидного раствора через мембрану или капилляр 14.Агрегативная устойчивость – это способность частиц дисперсной фазы
1)перемещаться под действием электрического поля
2)оседать в дисперсионной среде под действием силы тяжести
3)двигаться с постоянной скоростью
4)сохранять определенные размеры 15.Седиментационная устойчивость–это способность золя противодейство-
вать |
___ частиц дисперсной фазы |
|
|
1) |
только оседанию |
2) |
только всплыванию |
3) |
оседанию или всплыванию |
4) |
укрупнению |
16.Скорость быстрой коагуляция при увеличении концентрации электролита
1) |
уменьшается |
2) |
почти не изменяется |
3) |
увеличивается |
4) |
вначале увеличивается, |
|
|
затем уменьшается |
|
25
17.Скорость электрофоретического движения растет с увеличением
1) |
заряда гранулы и величины ζ-потенциала |
2) |
массы частицы |
3) |
вязкости дисперсионной среды |
4) |
концентрации противо- |
|
|
ионов |
|
18.Если заряд коллоидных частиц положителен, то при электрофорезе они
1) |
перемещаются к катоду |
2) |
перемещаются к аноду |
3) |
остаются на старте |
4) |
оседают без перемещения к какому-либо |
|
|
электроду |
|
19.Коллоидные частицы Fe(OH)3 , полученные гидролизом в водном рас-
творе FeCl3: |
|
|
|
1) |
заряжены отрицательно |
2) |
заряжены положительно |
3) |
не заряжены |
4) |
перемещаются к аноду при электрофорезе |
20.Порог коагуляции – это концентрация электролита, при которой ___ коа-
гуляция |
|
|
|
1) |
начинается явная |
2) |
начинается скрытая |
3) |
начинается быстрая |
4) |
заканчивается медленная |
21.Коагулирующая способность (коагулирующее действие) электролита – это
1)то же, что его порог коагуляции
2)заряд его катионов
3)величина, обратная его порогу коагуляции
4)заряд его анионов
22. Cоотношение между величинами порогов коагуляции однозарядного, двухзарядного и трехзарядного коагулирующих ионов определяется правилом
1) Ребиндера 2) Дюкло-Траубе 3) Панета-Фаянса 4) Шульце-Гарди 23.Коагулирующее действие оказывают ионы, заряд которых относительно
заряда гранулы |
|
|
1) совпадает по знаку |
2) |
противоположен по знаку |
3) больше по модулю |
4) |
меньше по модулю |
24.Максимальное коагулирующее действие при добавлении к золям с поло-
жительно заряженными гранулами оказывают |
|
||
1) Al3+; Fe3+ |
2) K+; Na+; |
3) Mg2+; Ca2+ |
4) Ti4+,Ni4+ |
25.Минимальный порог коагуляции при действии на золи с отрицательно заряженными гранулами имеют
1) KCl; NaCl, 2) CаCl2; MgCl2 3) AlCl3; FeCl3 4) LiNO3; CsNO3
26.Явление аддитивности при коагуляции золей смесью электролитов заключается в том, что
1)электролиты действуют независимо друг от друга
2)электролиты ослабляют действие друг друга
3)электролиты усиливают действие друг друга
4)нет верного ответа
27.Явление антагонизма при коагуляции золей смесью электролитов заключается в том, что
1)электролиты действуют независимо друг от друга
2)электролиты ослабляют действие друг друга
26
3)электролиты усиливают действие друг друга
4)нет верного ответа
28.Явление синергизма при коагуляции золей смесью электролитов заключается в том, что
1)электролиты действуют независимо друг от друга
2)электролиты ослабляют действие друг друга
3)электролиты усиливают действие друг друга
4)нет верного ответа
29.Нейтрализационная коагуляция происходит при добавлении к золю ионов, связывающих
1)потенциалопределяющие ионы только в малорастворимое соединение
2)потенциалопределяющие ионы только в слабый электролит
3)противоионы в малорастворимое соединение или в слабый электролит
4)потенциалопределяющие ионы в малорастворимое соединение или в слабый электролит
30.При смешении золей с противоположно заряженными частицами наблюдается
1) |
повышение устойчивости золей |
2) взаимная коагуляция |
3) |
уменьшение мутности золей 4) отсутствие видимых изменений |
|
Задачи.
1.Явная коагуляция 2 л золя гидроксида алюминия наступила при добавле-
нии 10,6 мл раствора K4[Fe(CN)6] с концентрацией 0,01 моль/л. Вычислите порог коагуляции золя гексацианоферрат(II)-ионами; напишите формулу мицеллы золя гидроксида алюминия. Ответ: 0,0527 моль/л.
2.При диагностике гнойного менингита определяют защитное число белков спинномозговой жидкости. Рассчитайте это число, если известно, что для предотвращения коагуляции 20 мл золя AgBr при действии 2 мл раствора
NaNO3 с массовой долей 10 % потребовалось добавить к этому золю 3 мл спинномозговой жидкости, содержащей 2 г белков в 1 л. Ответ: 0,003 г
3.Золь иодида серебра(I) получен при смешении 20 мл 0,01 М раствора иодида калия и 15 мл 0,05 М раствора нитрата серебра(I). Напишите формулу мицеллы.
4.Найти ζ-потенциал частиц золя иодида серебра(I), если при измерении электрофоретической скорости, получены следующие результаты: Н = 800 В/м,
время – 5 минут, перемещение 7,18 мм, диэлектрическая постоянная 81, вязкость 1·10–3 Н·с/м2. Ответ: 41,7 мВ.
5.Вычислить перемещение частиц золя при электрофорезе за 10 мин., если ζ-
потенциал равен 42 мВ, внешняя ЭДС – 240 В, расстояние между электродами 30 см, диэлектрическая постоянная 81, вязкость 1·10–3 Н·с/м2. Ответ: 14,36 мм)
6.Для коагуляции золя сульфида мышьяка(III) понадобилось 2 мл 0,01 н. раствора хлорида натрия. Сколько мл раствора хлорида кальция и раствора сульфата алюминия такой же концентрации понадобится для оказания коагулирующего действия (разбавлением пренебречь)? Ответ: 0,03 мл; 0,003 мл.
27
7.Для коагуляции трех порций по 100 мл золя гидроксида железа(III) добавляли следующие растворы электролитов: 10,5 мл 0,1 М раствора хлорида калия, 62,5 мл 0,01 М раствора сульфата натрия, 37 мл 0,001 М раствора ортофосфата натрия. Определить знак заряда гранулы.
8.Порог коагуляции золя гидроксида алюминия составляет 0,63 ммоль/л. Какой объем 0,01 М раствора дихромата калия надо добавить к 100 мл золя, чтобы вызвать его коагуляцию? Ответ: 6,3 мл.
9.К 20 мл 0,01 М раствора хлорида натрия добавили 200 мл 0,005 М раствора нитрата серебра(I) и к равным объемам полученного золя поочередно добавляли растворы: бромида натрия, хлорида бария, хромата калия, нитрата магния, хлорида алюминия. Какой из электролитов имеет наибольшую коагулирующую способность?
10.При добавлении 20 мл 0,01 М раствора хлорида калия к 15 мл 0,2 %-ного раствора нитрата серебра(I) (пл.=1,0) получен золь хлорида серебра(I). Каков знак заряда гранулы? Напишите формулу мицеллы.
Лабораторные работы
1.Взаимная коагуляция.
2.Определение знака заряда частиц электрофоретическим зондом.
3.Определение знака заряда частиц методом капилляризации.
4.Определение порога коагуляции золя Fe(OH)3.
Темы докладов УИРС
1.Развитие теории строения двойного электрического слоя.
2.Электроосмос и электрофорез в клинической практике.
3.Применение электрокоагуляции в медико-биологических исследованиях.
4.Коагуляция при синтезе лекарственных препаратов и очистке различных жидкостей.
5.Белки крови как защитные коллоиды.
28
Литература
1.Курс лекций.
2.Ершов Ю.А., Попков В.А. и др. Общая химия. М., 2010, с. 504–510.
3.Практикум по общей химии. Под ред. Попкова В.А., Бабкова А.В. М.: Высшая школа, 2013, с. 185-198.
4.Слесарев В.И. Химия: Основы химии живого. СПб: Химиздат, 2009,
с. 708–768.
5.Пузаков С.А., Попков В.А., Филиппова А.А. Сборник задач и упражнений по общей химии. М., Высшая школа, 2014, с. 206–218.
6.Литвинова Т.Н. Сборник задач по общей химии. М., ОНИКС, Мир и обра-
зование, 2014, с.165–196.
7.Практические работы по общей, физической и коллоидной химии. Под ред. Хорунжего В.В. СПб., ГОУВПО СПбГПМА, 2004, с. 52–56.
8.Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высшая школа, 1990, с. 396-410.
9.Физическая и коллоидная химия. Методические указания для самостоятельной работы студентов. СПб., СПбГПМА, 1998, с. 45–49.
Учебное издание
Хорунжий Вячеслав Владимирович, Сраго Игорь Александрович
Коагуляция. Электрокинетические явления
Методическое пособие
Подписано в печать 28.05.2018 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Объем 1,75 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 48.
Отпечатано в ЦМТ СПбГПМУ
ISBN 978-5-907065-39-0
29