Вопрос 37. Коагуляция, механизм. Порог коагуляции и его определение, явление привыкания. Биологическая роль.

Коагуляцией называется процесс слипания коллоидных частиц с образованием более крупных агрегатов из-за по¬тери коллоидным раствором агрегативной устойчивости.

В результате коагуляции укрупненные частицы дисперсной фазы легко седиментируют, и происходит расслоение системы. Та¬ким образом, причиной коагуляции является потеря агрегатив¬ной устойчивости коллоидным раствором, а следствием коагуля¬ции - уменьшение его седиментационной устойчивости.

Практически коагуляцию можно вызвать различными внеш¬ними воздействиями: добавлением небольших количеств электро¬лита, концентрированием коллоидного раствора, изменением тем¬пературы, действием ультразвука, электромагнитного поля и др.

Явление коагуляции лежит в основе многих патологических процессов, протекающих в живых системах. Коагуляция колло¬идных растворов фосфата кальция и холестерина в крови при¬водит к образованию осадков и отложению их на внутренней поверхности кровеносных сосудов (атеросклеротические изменения сосудов).

Коагуляция проявляется в процессе свертывания крови. Свер¬тывание крови играет в организме две противоположные роли: с одной стороны, уменьшает потерю крови при повреждении ткани, с другой - вызывает образование тромбов в кровеносной систе¬ме. Свертывание крови - очень сложный ферментативный про¬цесс. Одновременно в крови действует антисвертывающая систе¬ма, основой которой является гепарин - антикоагулянт крови.

Природу крови необходимо учитывать при ее консервирова¬нии. Так как свертыванию крови способствуют катионы кальция, то их удаляют из крови, предназначенной для консервирования, используя различные физико-химические способы. Например, добавка цитрата натрия переводит кальций в осадок, после чего кровь сохраняется в охлажденном состоянии, оставаясь пригод¬ной для переливания в течение 30 суток. Цельную кровь можно декальцинировать также методом ионообмена, используя для этого Na-катиониты.

Коагуляция под действием электролитов. В биологических системах наибольшее практическое значение имеет коагуляция при добавлении небольших количеств электролита, поскольку коллоидные растворы клеток и биологических жидкостей нахо-дятся в соприкосновении с электролитами. Коагуляцию колло¬идного раствора может вызвать любой электролит. Однако для каждого электролита необходима своя минимальная концен¬трация, называемая порогом коагуляции (Спк).

Порогом коагуляции называется минимальное количе¬ство электролита, которое надо добавить к коллоид¬ному раствору, чтобы вызвать явную коагуляцию (за¬метную на глаз) - помутнение раствора или изменение его окраски. Порог коагуляции можно рассчитать по формуле:

Спк =

где Сэл - исходная концентрация раствора электролита; Vэл - объем раствора электролита, добавленного к коллоидному раствору; Vкp -объем коллоидного раствора.

Величина, обратная порогу коагуляции, называется коагули¬рующим действием (у): у=1/Спк

Коагулирующее действие электролитов на коллоидные рас¬творы с ионным стабилизатором подчиняется правилу Шульце-Гарди: коагуляцию коллоидных растворов вызывают любые ионы, которые имеют знак заряда, противоположный заряду гранул. Коагулирующее действие ионов (у) тем сильнее, чем выше заряд иона-коагулянта.

Коагулирующее действие иона-коагулянта прямо пропорци¬онально его заряду в шестой степени: у = f(z6). Например, ко¬агуляция золя AgI с отрицательно заряженными гранулами (потенциалопределяющие ионы - анионы I-) происходит за счет действия положительно заряженных ионов. Поэтому при добав¬лении к этому золю растворов NaCl, CaCl2, AlCl3 коагулирую¬щее действие катионов Na+, Са2+, А13+ будет резко возрастать; y(Na+):у(Са2+):у(Аl3+) = 1:64:729. Коагуляция золя AgI с положи¬тельно заряженными гранулами (потенциалопределяющие ионы-катионы Ag+), наоборот, идет за счет отрицательно заряженных ионов. Добавление к золю растворов КCl, K2SO4, К3[Fе(СN)6] вызовет увеличение коагулирующего действия анионов в сле¬дующем порядке: у(Сl-):y(SO4(2-)):y[Fe(CN)6]3- = 1:64:729.

От правила Шульце-Гарди встречаются отклонения, по¬скольку на коагулирующее действие иона кроме заряда влияют радиус коагулирующего иона, а также природа иона, сопутст¬вующего иону-коагулянту.

Сильное влияние электролита на коагуляцию коллоидных растворов следует учитывать при введении растворов солей в живые организмы. При этом имеет значение не только концентрация, но и заряд вводимых ионов. Так, физиологический раствор хлорида натрия (0,9%) нельзя заменить изотониче¬ским раствором сульфата магния, поскольку в этой соли име¬ются двухзарядные ионы Mg2+ и SО4(2-), обладающие более высо¬ким коагулирующим действием, чем ионы Na+ и Сl-.

При инъекциях электролита в мышечную ткань или кровь человека необходимо вводить его постепенно, медленно, чтобы не вызвать коагуляцию биологических коллоидных систем. Быстрое введение электролита из-за малой скорости диффузии его в крови или мышечной ткани приводит к накоплению электро¬лита, локальному (местному) превышению его пороговой кон¬центрации и вызывает коагуляцию биосубстратов, которую труд¬но остановить. При медленном введении электролит успевает уноситься с током крови и диффундировать в соседние ткани, поэтому пороговая концентрация не достигается и коагуляция не наступает. Это явление в живых тканях называется «привыканием».

Механизм коагуляции. Роль электролитов при коагуляции заключается в уменьшении расклинивающего давления между сближающимися коллоидными частицами. Это может происхо¬дить двумя путями: за счет уменьшения заряда поверхности твердой фазы (заряда поверхности ядра), т.е. за счет снижения межфазного потенциала Фмф, или за счет уменьшения толщины (сжатия) ионных атмосфер мицелл при неизменном заряде по¬верхности их ядер. В связи с этим возможны два вида коагуля¬ции: нейтрализационная и концентрационная.

Нейтрализационная коагуляция наступает под действием электролита, который химически взаимодействует с потенциалопределяющими ионами, связывая их в прочное соедине¬ние (например, переводя в осадок) и тем самым уменьшая заряд поверхности ядра. Нейтрализационная коагуляция наблюдается, например, при добавлении K2S к коллоидному раствору AgI с положительно заряженными гранулами (потенциалопределяю¬щие ионы - катионы Ag+). Между коагулирующими анионами S2- и потенциалопределяющими катионами Ag+ происходит реакция с образованием малорастворимого соединения Ag2S, что приводит к разрушению мицеллы AgI:

В результате связывания потенциалопределяющих катионов Ag+ межфазный потенциал Фмф падает и число противоионов NO3(-), необходимых для компенсации заряда поверхности ядра, уменьшается. Таким образом, ионные атмосферы вокруг ядер становятся тоньше, снижается расклинивающее давление меж¬ду сближающимися частицами, а это в свою очередь приводит к их слипанию в более крупные агрегаты.

Концентрационная коагуляция наступает под действием электролита, который химически не взаимодействует с ионами стабилизатора и не изменяет заряд поверхности ядра мицеллы. Однако в этом случае коагулирующее действие про¬являют те ионы добавленного электролита, которые являются противоионами для данных мицелл, так как за счет повышения их концентрации они проникают внутрь гранулы, сжимая (уплотняя) ионную атмосферу мицеллы вокруг ядра. Концентра¬ционная коагуляция происходит при неизменном межфазном потенциале Фмф, но сопровождается, как правило, уменьшением ζ-потенциала. Концентрационная коагуляция наблюдается, на¬пример, при добавлении нитратов к коллоидному раствору AgI, мицеллы которого содержат противоионы NО3(-):

По мере увеличения концентрации добавляемых ионов NO3(-) они способствуют внедрению противоионов диффузного слоя в ад¬сорбционный слой. При этом диффузный слой сжимается, и мо¬жет наступить такое состояние, при котором диффузный слой исчезнет вовсе и гранула станет электронейтральной. В таком состоянии расклинивающее давление между сближающимися частицами минимально, и это приводит к слипанию частиц в более крупные агрегаты.

Поскольку заряд гранул в этих условиях равен 0, то в электри¬ческом поле они не приобретают направленного движения к элек¬тродам, так как гранула находится в изоэлектрическом состоянии.

Изоэлектрическим состоянием называется состояние коллоидных частиц, при котором электрокинетический потенциал ζ равен 0 и которое характеризуется отсутствием направленного движения гранул в электри¬ческом поле.

В агрегативно-устойчивом состоянии коллоидного раствора зна¬чение колеблется в пределах 50-70 мВ. При умень¬шении ζ-потенциала под действием электролита до 25-30 мВ в системе не наблюдается никаких внешних изменений (помут¬нения или изменения окраски), так как скорость коагуляции еще очень низкая, вследствие чего эта стадия (I) коагуляции на¬зывается «скрытой» коагуляцией (рис. 6.10). Дальнейшее добавле¬ние электролита свыше Спк вызывает еще большее сжатие диф¬фузного слоя и уменьшение ζ-потенциала , что сопровождается помутнением раствора, и начинается «явная» коагуляция. Внача¬ле скорость коагуляции быстро увеличивается (стадия II), а затем становится постоянной, когда значение ζ-потенциаластанет равным нулю и наступит стадия быстрой коагуляции (III).

Коагуляция смесями элек¬тролитов. На практике коа¬гуляция часто вызывается действием смеси электроли¬тов. При этом существует три возможных варианта взаимо-действия между электролита¬ми: аддитивное действие, ан¬тагонизм и синергизм.

Рис. 6.10. Влияние концентра¬ции электролитана скорость коагуляции

Аддитивность - это суммирование коагулирующего действия ионов, вызывающих коагуляцию.

Аддитивное действие проявляется в тех случаях, когда элек¬тролиты, содержащие коагулирующие ионы, не взаимодейству¬ют химически между собой. Например, смесь солей КСl и NaNО3 проявляет аддитивное действие по отношению к коллоидным растворам как с отрицательно, так и с положительно заряжен¬ными гранулами. В первом случае коагуляцию вызывают ка¬тионы К+ и Na+, во втором - анионы Сl- и NO3(-).

Антагонизм - это ослабление коагулирующего действия одного электролита в присутствии другого.

Pb2+ + 2Cl- = PbCl2↓

Антагонизм действия наблюдается в тех случаях, когда в результате химической реакции между электролитами коагу¬лирующие ионы связываются в нерастворимое соединение (выпадают в осадок) либо в прочный комплекс, который не обладает коагулирующей способностью. Например, коагулирующее дей¬ствие катионов Рb2+ по отношению к отрицательно заряжен¬ным гранулам ослабляется в присутствии NaCl, так как проте¬кает реакция, в результате которой уменьшается концентрация коагулирующих ионов Рb2+ в растворе из-за выпадения в оса¬док РbСl2:

Синергизм - это усиление коагулирующего действия одного электролита в присутствии другого.

Синергизм действия возможен, когда между электролитами происходит химическое взаимодействие, в результате которого образуется многозарядный ион, обладающий очень высокой коагулирующей способностью. Например, коагулирующее дей¬ствие FeCl3 и KCNS по отношению к положительно заряжен¬ным гранулам (коагулирующие ионы Сl(-) и CNS-) усиливается во много раз, так как происходит реакция, в результате кото¬рой образуются многозарядные анионы [Fe(CNS)6]3-, проявляющие высокую коагулирующую способность:

FeCl3 + 6KCNS → K3[Fe(CNS)6] + 3KCl

Используя электролиты в лабораторной и медико-санитар¬ной практике, необходимо всегда учитывать возможность коа¬гуляции в биологических средах. Так, при введении различных лекарственных веществ в организм (в виде инъекций) следует предварительно убедиться в том, что эти вещества не являются синергистами, чтобы избежать возможной коагуляции. С дру¬гой стороны, при очистке промышленных вод вредным может оказаться антагонизм вводимых электролитов, препятствующий разрушению коллоидных загрязнений.

В природных во¬дах, как и в промышленных сточных водах, коагуляция нередко происходит в результате смешивания дисперсных систем, содержащих разнородные частицы. Гетерокоагуляцией называется коагуляция коллоидных растворов, содержащих разнородные частицы, отличаю¬щиеся по химической природе, знаку или величине заряда.

Частным случаем гетерокоагуляции является взаимная коа¬гуляция - слипание разноименно заряженных гранул коллоид¬ных растворов. При этом коагуляция происходит тем полнее, чем полнее нейтрализуются заряды гранул.

Гетерокоагуляции широко используется на практике в связи с проблемой очистки природных и промышленных вод. В воду, содержащую коллоидные примеси, добавляют соли алюминия или железа (3), которые являются хорошими коагулянтами. Эти соли в результате гидролиза дают малорастворимые гидроксиды Аl(ОН)3 или Fe(OH)3, образующие коллоидные растворы с по¬ложительно заряженными гранулами. В результате происходит коагуляция, сопровождающаяся образованием хлопьев из агре-гированных разнородных мицелл, которые выпадают в осадок.

В процессе коагуляции, связанной с потерей агрегативной устойчивости, происходит разрушение коллоидного раствора, сопровождающееся выпадением осадка - коагулята. Однако, если коагуляту возвратить агрегативную устойчивость, то может произойти обратный процесс - пептизация.

Пептизацией называется процесс, обратный коагуля¬ции - превращение осадка, образовавшегося в результа¬те коагуляции, в устойчивый коллоидный раствор.

Пептизация может проводиться двумя путями, каждый из ко¬торых приводит к увеличению агрегативной устойчивости за счет восстановления достаточно рыхлых ионных атмосфер у мицелл:

• промыванием коагулята чистым растворителем (дисперси¬онной средой), что приводит к вымыванию из системы ионов, вызвавших коагуляцию, и разрыхлению ионных атмосфер во¬круг частиц;

• добавлением специального электролита-пептизатора, ионы которого, адсорбируясь на поверхности частиц коагулята, вос¬станавливают рыхлые ионные атмосферы вокруг этих частиц и способствуют переходу их в коллоидное состояние.

Однако не всякий полученный при коагуляции осадок под¬дается пептизации. Важнейшие условия эффективной пептизации заключаются в следующем:

• к пептизации способны только свежеполученные осадки, так как увеличение продолжительности контакта частиц дис¬персной фазы между собой приводит к постепенному уплотне¬нию осадка и вытеснению жидкой фазы из его структуры;

• необходимо добавление небольших количеств электролита-пептизатора, в ином случае может вновь наступить коагуляция;

• пептизации способствуют перемешивание и нагревание.

Процесс пептизации лежит в основе лечения ряда патологи¬ческих изменений в организме человека: рассасывания атеросклеротических бляшек на стенках кровеносных сосудов, почечных и печеночных камней или тромбов в кровеносных сосудах под действием антикоагулянтов. При этом необходимо учитывать своевременность введения лекарственных веществ (антикоагу¬лянтов) в кровь: застарелые тромбы в кровеносных сосудах, а также уплотнившиеся камни практически не пептизируются, т.е. не рассасываются.