Дисперсные системы. Способы получения и очистки коллоидных систем. (Лекция 5)

1. ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ХИМИИ

Лекция 5. Дисперсные системы. Способы
получения и очистки коллоидных
систем.
1. Основные
понятия.
Классификация
дисперсных систем.
2. Коллоидная частица: строение мицеллы.
3. Методы получения коллоидных растворов.
4. Методы очистки коллоидных растворов.

2. 1. Основные понятия. Классификация дисперсных систем.

Дисперсной
системой
называется
система,
в
которой одно вещество в более или менее
раздробленном
равномерно
(дисперсном)
распределено
в
состоянии
массе
другого
вещества.
Раздробленное вещество в этом случае называется
дисперсной фазой (ДФ), а среду, в которой оно
распределено – дисперсионной средой (ДСр).

3. 1. Основные понятия. Классификация дисперсных систем.

• Два
общих
признака дисперсных
систем: гетерогенность и дисперсность.
• ДФ представляет собой частицы, а ДСр сплошная среда, в которой находится
раздробленая дисперсная фаза.

4. 1. Основные понятия. Классификация дисперсных систем.

Количественные характеристики ДФ
• Поперечный размер частиц ДФ
(для сферических частиц это диаметр
сферы d, для кубических частиц ребро куба l, м-1; см-1) или
дисперсность (D = 1/d, м-1, см-1).
• Удельная поверхность Syд - это
межфазная поверхность,
приходящаяся на единицу объема ДФ
(V) или ее массы (т).

5. 1. Основные понятия. Классификация дисперсных систем.

S
V
S уд
4 r
3 6
S уд
6D
4 3 r d
r
3
2
2
S уд
6l
6
3 6D
l
l
• Удельная поверхность
• Удельная поверхность
для сферической
частицы с радиусом r
• Удельная поверхность
для кубической частицы
с ребром куба l

6. 1. Основные понятия. Классификация дисперсных систем. Формы дисперсной фазы

7. 1. Основные понятия. Классификация дисперсных систем.

• Важным свойством ДС является
наличие большой межфазной
поверхности. Характерными являются
процессы, протекающие на
поверхности, а не внутри фазы.

8. 1. Основные понятия. Классификация дисперсных систем. Свойства дисперсных систем разных типов

Грубодисперсны Коллоидные
е системы
системы
Непрозрачные
Истинные
растворы
Опалесцирующие Прозрачные
Частицы не
Проходят через
Проходят через
проходят через
бумажный фильтр бумажный
бумажный фильтр
фильтр
Задерживаются
ультрафильтр.
Задерживаются
ультрафильтр.
Проходят через
ультрафильтры
Гетерогенные
Гетерогенные
Гомогенные

9. 1. Основные понятия. Классификация дисперсных систем. Продолжение табл.

Грубодисперсн
ые системы
Коллоидные
системы
Истинные
растворы
Неустойчивы
кинетически и
термодинамич.
Относительно
устойчивы
кинетически
Устойчивы
кинетически и
термодинамич.
Стареют во
времени
Частицы видны в
оптический
микроскоп
Стареют во
времени
Частицы видны в
электронный
микроскоп
Не стареют
Частицы не
видны в
современные
микроскопы

10. 1. Основные понятия. Классификация дисперсных систем. Классификация по агрегатному состоянию ДФ и ДСр

ДФ
Г
Ж
Т
Г
Ж
Т
Г
Ж
Т
ДСр
Г
Ж
Т
Название системы
-----------Аэрозоли (Туман)
Аэрозоли (Пыль, дым)
Пены, газовые эмульсии
Эмульсии
Суспензии, лиозоли
Твердые пены
------------Твердые золи

11. 1. Основные понятия. Классификация дисперсных систем.

Классификация по степени связи ДС и ДФ:
системы со слабым взаимодействием между
ДФ и ДС называют лиофобными коллоидами
(золями), с сильным взаимодействием –
лиофильными.
Если ДС является вода, то системы
соответственно называются гидрофобными и
гидрофильными.

12. 1. Основные понятия. Классификация дисперсных систем.

• Лиофильные системы образуются
самопроизвольно, следовательно,
термодинамически устойчивы. Как
правило, они представляют собой растворы
полимерных органических соединений
(белки, полисахариды).
• Лиофобные системы являются
термодинамически неустойчивыми. Они
образуются из неорганических соединений
(солей, оснований).

13. 1. Основные понятия. Классификация дисперсных систем.

Классификация по взаимодействию частиц:
• Свободнодисперсные (бесструктурные);
• Связаннодисперсные (структурированные).
Золь – бесструктурный коллоидный раствор, в
котором частицы ДФ слабо взаимодействуют
между собой и свободно передвигаются друг
относительно друга (например, золь серебра –
колларгол). По внешнему виду золи напоминают
истинные растворы.

14. 1. Основные понятия. Классификация дисперсных систем.

Гель – структурированный коллоидный раствор, в
котором частицы ДФ связаны между собой с
образованием пространственной структуры типа
каркасов.
В
них
коллоидные
частицы
малоподвижны и способны совершать только
колебательные движения. По внешнему виду гели
желеобразны.

15. 1. Основные понятия. Классификация дисперсных систем.

Особое место в классификации ДС занимают
ВМС.
• По многим свойствам их можно отнести к
истинным растворам: они гомогенны,
устойчивы, обратимы.
• Однако размеры молекул ВМС настолько
велики, что соизмеримы с размерами
коллоидных частиц, что обуславливает
проявление свойств коллоидных растворов:
малая скорость диффузии, характерные
кинетические и электрокинетические
свойства, структурообразование и т.д.

16. 2. Коллоидные растворы: строение мицеллы золя

Согласно общепринятой мицеллярной теории
строения коллоидных растворов, золь
состоит из двух частей:
• Мицелл - частиц ДФ. Они имеют сложную
структуру, которая зависит от условий
получения золей.
• Интермицеллярной (т. е. межмицеллярной)
жидкости - ДСр, разделяющей мицеллы, в
которой растворены электролиты,
неэлектролиты и ПАВ, являющиеся
стабилизаторами коллоидной системы.

17. 2. Коллоидные растворы: строение мицеллы золя

Рассмотрим строение мицеллы на
примере образования золя иодида
серебра при взаимодействии
KI(избыток) + AgN03 → AgI↓ + KN03
(стабилизатор)

18. 2. Коллоидные растворы: строение мицеллы золя

При этом образуется мицелла, имеющая следующее строение:
K
K
+
I
K
K
I
I
+
+
K
+
агрегат
K
I
+
I
K
AgI I
I
I I
+
K
потенциалопределяющи е ионы (п.о.и.)
+
ядро
адсо р бцио ный
н
слой
гранула
мицелла
+
K
плотный слой противоионов (п.и.)
+
K
+
диффузный слой противоионов

19. 2. Коллоидные растворы: строение мицеллы золя

• Осадок AgI является агрегатом мицеллы.
• На твердой кристаллической поверхности осадка в
соответствии с правилом Панета-Фаянса будут
адсорбироваться ионы I-, достраивая
кристаллическую решетку и сообщая частицам
отрицательный заряд.
Ионы I- называются потенциалопределяющими.
• Агрегат и потенциалопределяющие ионы
составляют
ядро мицеллы.
• К отрицательному заряду будут притягиваться
противоионы K+, образуя плотный слой
противоионов.

20. 2. Коллоидные растворы: строение мицеллы золя

• Потенциалопределяющие ионы и противоионы
плотного слоя вместе образуют адсорбционный
слой.
• Адсорбционный слой вместе с агрегатом
составляют гранулу (или частицу). Гранула
заряжена, её заряд определятся знаком и
величиной заряда потенциалопределяющих ионов.
• Часть противоионов, не вошедших в
адсорбционный слой, образуют диффузный слой.
• Гранула и диффузный слой составляют мицеллу.
Мицелла таким образом электронейтральна.

21. 2. Коллоидные растворы: строение мицеллы золя

Составим формулу мицеллы AgI в KI:
x
яд р о
] nI
n
x
K
xK
m [AgI
п . о .и .
плотный
диффузный
агрегат
слой п . и .
слой п . и .
адсорбционный слой
гранула
м ицелла

22. 3. Методы получения коллоидных растворов

Коллоидные
системы
занимают
промежуточное положение между истинными
растворами и грубодисперсными системами,
что обусловливает возможность их получения
диспергированием
крупных
частичек
или
конденсацией молекул. Соответственно методы
получения
коллоидных
систем
делят
диспергационные и конденсационные.
на

23. 3. Методы получения коллоидных растворов

Соотношние диспергационных и конденсационных
методов

24. 3. Методы получения коллоидных растворов

Методы диспергирования (от лат. – измельчать) –
получение частиц ДФ путем дробления крупных
частиц на более мелкие. Применяют механическое
дробление (с помощью шаровых или коллоидных
мельниц),
ультразвука),
электродов)
ультразвуковое
электрическое
и
химическое
(под
(при
действием
использовании
диспергирование
–
пептизация (заключается в химическом воздействии
на осадок).

25. 3. Методы получения коллоидных растворов

Механизм пептизации

26. 3. Методы получения коллоидных растворов

Примером пептизации может служить переход
в золь свежеполученного и промытого водой
осадка гидроксида железа(III) при
добавлении к нему небольших количеств
раствора хлорида железа(III).
При этом частицы осадка Fe(OH)3
избирательно адсорбируют ионы Fe3+,
которые сообщают частицам положительный
электрический заряд. Вследствие этого
между частицами возникают силы
электростатического отталкивания и они
переходят во взвешенное состояние – золь.

27. 3. Методы получения коллоидных растворов

Строение мицеллы полученного золя
можно представить следующим
образом
{m[Fe(OH)3] ∙ nFe3+ ∙ 3(n-x)Cl-}3x+ ∙ 3xCl-

28. 3. Методы получения коллоидных растворов

Конденсационные методы (от лат. – укрупнять) –
получение частиц ДФ путем объединения атомов, молекул,
ионов. Различают физическую и химическую конденсацию.
Физическая конденсация - чаще всего это метод замены
растворителя. Сначала готовят истинный раствор вещества в
летучем растворителе (например, канифоль в спирте) и
добавляют к жидкости, в которой вещество нерастворимо
(вода). В результате происходит резкое понижение
растворимости и молекулы вещества конденсируются в
частицы коллоидных размеров.

29. 3. Методы получения коллоидных растворов

Химическая конденсация – для получения
коллоидных растворов используют любые
реакции, в результате которых образуются
малорастворимые соединения (реакции
обмена, гидролиза, восстановления и др.).
Чтобы в ходе реакции образовался
коллоидный раствор, а не истинный
раствор или осадок, необходимо
соблюдение, по крайней мере, трех
условий:

30. 3. Методы получения коллоидных растворов

чтобы вещество ДФ было нерастворимо
в ДСр;
чтобы скорость образования зародышей
кристаллов ДФ была гораздо больше, чем
скорость роста кристаллов; это условие
выполняется обычно тог да, когда
концентрированный раствор одного
компонента вливается в сильно
разбавленный раствор другого
компонента при интенсивном
перемешивании;
чтобы одно из исходных веществ было
взято в избытке, именно оно является
стабилизатором.

31. 3. Методы получения коллоидных растворов Примеры реакций химической конденсации

Реакция
восстановления
Ag20 + Н2 → 2Ag↓ + Н20
Реакция окисления 2H2S + S02 → 3S↓ + 2H20
Реакция гидролиза
Реакция обмена
100°
FeCl3+ 3H20 → Fe(OH)3 ↓ +
ЗНСl
K4[Fe(CN)6] + 2CuCl2 →
Cu2[Fe(CN)6] ↓ + 4KCl

32. 4. Методы очистки коллоидных растворов

Коллоидные растворы, как и истинные,
хорошо фильтруются через бумажный
пористый фильтр, но, в отличие от истинных,
не
проходят
через
полупроницаемые
мембраны. На этом основана очистка
коллоидных
растворов
от
низкомолекулярных
веществ
(диализ,
фильтрация, ультрацентрифугирование).

33. 4. Методы очистки коллоидных растворов

Диализ проводят с помощью прибора диализатора. Он состоит из двух сосудов,
отделенных
полупроницаемой
мембраной,
способной
пропускать
молекулы
и
ионы
низкомолекулярных веществ. Во внутренний сосуд
наливается раствор золя, во внешнем – циркулирует
растворитель (как правило, вода). Примеси
удаляются через мембрану из раствора золя в
растворитель.
Для
ускорения
электродиализ.
процесса
применяют

34. 4. Методы очистки коллоидных растворов

Диализатор: 1 - диализуемая жидкость; 2 растворитель; 3 - диализная мембрана; 4 - мешалка

35. 4. Методы очистки коллоидных растворов

С помощью компенсационного диализа можно
количественно
определить
содержание
низкомолекулярных веществ в биологических
жидкостях. Сущность этого вида диализа
заключается в том, что жидкость в диализаторе
омывается не чистым растворителем, а растворами с
различной концентрацией определяемого вещества.
Концентрация низкомолекулярного вещества во
внешнем растворе при диализе не меняется лишь в
том случае, если она равна концентрации этого
вещества в растворе золя.

36. 4. Методы очистки коллоидных растворов

По принципу
компенсационного диализа
работает
аппарат
«искусственная
почка»,
применяемый при ОПН.
Аппарат подключают к системе кровообращения
больного, кровь под давлением протекает между
двумя
мембранами,
омываемыми
снаружи
физраствором. При этом токсичные вещества
поступают в физраствор, что способствует
очищению крови от продуктов обмена и распада
тканей (мочевины, креатина, ионов калия и др.).

37. 4. Методы очистки коллоидных растворов

Для
4. Методы очистки коллоидных растворов
очистки
коллоидных
растворов
от
грубодисперсных частиц проводят фильтрование
через
обычные
Грубодисперсные
бумажные
частицы
фильтры.
задерживаются
на
фильтре.
Для
отделения
ультрафильтрацию.
специальные
ДФ
от
ДСр,
При
фильтры,
этом
не
применяют
используют
пропускающие
коллоидные частицы или макромолекулы. Как
правило,
давлением.
ультрафильтрацию
проводят
под

38. 4. Методы очистки коллоидных растворов

Прибор для
ультрафильтрации:
1 - воронка
Бюхнера;
2 - мембрана;
3 - колба Бунзена;
4 - насос

39. 4. Методы очистки коллоидных растворов

Для разделения частиц ДФ, имеющих различную
массу, применяют ультрацентрифугирование. При
этом разделение частиц происходит в центробежном
поле больших ускорений в центрифугах. Так,
разделяют фракции белков.