Коллоидная химия

1.

Коллоидная химия- химия реальных тел
Коллоидная химия –это раздел физической химии,
изучающий поверхностные явления и дисперсные системы.

2. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. Адсорбционные равновесия

Вопросы для подготовки по теме
•1. Поверхностные явления, поверхностная энергия, поверхностное натяжение.
•2. Поверхностно-активные вещества (ПАВ), особенности строения (правило
Дюкло-Траубе), свойства, применение. Структура клеточных мембран.
•3. Адсорбция на границах раздела: жидкость-газ; твердое тело-газ; твердое
тело-жидкость.
•4. Избирательная адсорбция (правило Панета-Фаянса). Ионная адсорбция.
•5. Применение катионитов и анионитов (умягчение и очистка воды, получение
и очистка лекарств).
•6. Классификация сорбентов. Применение активированного угля, силикагеля и
др. сорбентов в научных исследованиях и медицине. Энтеросорбция и
гемосорбция.
•7. Хроматография. Классификация и сущность метода. Применение в
санитарно–гигиенической практике.

3.

Поверхностные явления, поверхностная
энергия, поверхностное натяжение
Все живые организмы представляют собой гетерогенные системы, т.е.
системы, состоящие из нескольких фаз, отделенных друг от друга
ПОВЕРХНОСТЬЮ РАЗДЕЛА.
Живые организмы
представляют собой
системы с развитыми
поверхностями
раздела, к которым
относятся
-кожные покровы,
-поверхности стенок кровеносных
сосудов,
-слизистые оболочки,
-клеточные мембраны,
-мембраны ядер, митохондрий,
лизосом и т.д.
БОЛЬШИНСТВО ВАЖНЕЙШИХ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ в
живых организмах протекают на поверхности биологических
мембран, поэтому для понимания их механизма необходимо знание
основных закономерностей, которым подчиняются
поверхностные явления.

4.

•Поверхностные явления лежат в основе адсорбционной
терапии – удаление из желудочно-кишечного тракта / или
удаление из крови – гемосорбция/ при отравлениях
*токсинов
*токсикантов
(яды вирусного, бактериального,
грибкового и растительного
происхождения)
(прямые и побочные продукты
антропогенной деятельности)
•В медицинской практике широко применяются
катионообменные смолы для декалцинирования крови с целю
ее консервирования
10% водный раствор натрия цитрат при рН 7-7,5
предохраняет кровь от свертывания.

5.

• Материал протезов, в том числе при
протезировании полости рта, должен обладать
биосовместимостью с биожидкостями и тканями.
В противном случае на протезе будут
адсорбироваться слоя белков и других
поверхностно-активных веществ (ПАВ), что
• ухудшает эксплуатационные характеристики
протеза
• вызывает воспалительные процессы
• аллергические реакции в полости рта.

6.

Вопрос 1. Поверхностные явления,
поверхностная энергия, поверхностное
натяжение

7.

Поверхностные
явления – это процессы, которые происходят
на границе (поверхности) двух фаз и зависят от особенностей и
структуры поверхности.

8. Свободная поверхностная энергия, поверхностное натяжение

9.

Рассмотрим в качестве примера жидкость , находящуюся
в равновесии с паром [жидкость — пар]
Силы, действующие на
молекулы (а) в объеме
жидкой фазы, одинаковы и
равнодействующая этих сил
равна нулю (f= 0).
Силы межмолекулярного
взаимодействия молекул (б)
НЕСКОМПЕНСИРОВАНы, их
равнодействующая сила не
равна нулю и направлена в
сторону жидкости.
Рис. Действие межмолекулярных сил на поверхности раздела и внутри
жидкости

10.

• Таким образом, молекулы поверхностного слоя имеют
НЕСКОМПЕНСИРОВАННЫЕ СИЛЫ притяжения и поэтому обладают
избыточной поверхностной энергией.
• С термодинамической точки зрения такое состояние энергетически
невыгодно. Поэтому молекулы поверхностного слоя стремятся уйти внутрь
жидкой фазы, что приводит к уменьшению площади поверхности раздела
фаз. Этим объясняется шарообразная форма мелких капелек и идеально
гладкая поверхность жидкости в широком сосуде.
• ПРОЦЕСС ПЕРЕХОДА молекул из глубины жидкости на поверхность
ТРЕБУЕТ ЗАТРАТЫ энергии для преодоления сил межмолекулярного
взаимодействия.
• Работа, направленная на увеличение поверхности, переходит в
потенциальную энергию молекул поверхностного слоя — в поверхностную
энергию.
Поверхностная энергия, приходящаяся на единицу
площади поверхности (удельная поверхностная
энергия), называется поверхностным натяжением (σ), σ =
GS /S.
Таким образом, поверхностное натяжение – результат
некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном слое.
Единицы измерения поверхностного натяжения в СИ: Дж/м2
или Н/м, так как Дж = Н⋅м.

11.

ИЛИ

12.

Или

13.

Поверхностного натяжения (σ)
некоторых веществ
Жидкость
Поверхностное
натяжение
мН/м
465,0
17,0
72,5
48,0
46 - 47
Ртуть
Эфир
Вода
Желчь
Сыворотка крови
человека
Плазма крови
72,0
Моча
70
Величина
поверхностного
натяжения
имеет
диагностическое
значение в клинике. Например, в норме
величина σ плазмы крови, сыворотки и мочи
человека составляет соответственно 72,
56 и 70 мН/м. Появление же в моче
желчных пигментов приводит к резкому
снижению σ с 70 до 56 мН/м.

14.

РАСТВОРЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА в зависимости ОТ ПРИРОДЫ могут по-разному
влиять на поверхностное натяжение жидкостей.
Способность растворенных веществ изменять поверхностное
натяжение растворителя называется поверхностной
активностью.
Все вещества по способности изменять
поверхностное натяжение растворителя делятся
на три группы:

15.

16.

17.

18.

Способность ПАВ понижать поверхностное натяжение воды
объясняется тем, что молекулы ПАВ состоят из неполярной
углеводородной части и полярной, представленную
функциональными группами: –СООН; –OH, –NH2 и другие. Такие
вещества называются дифильными.
Дифильные молекулы ПАВ обозначаются символом , где кружок —
полярная группа, а черточка — неполярный радикал.
Рис. 1. Строение дифильной молекулы ПАВ
В биологических системах наибольший интерес представляют главным образом
ПАВ. Чтобы вещество обладало способностью понижать поверхностное
натяжение воды, необходимо, чтобы молекулы этого вещества состояли из
неполярной (гидрофобной) углеводородной части (“хвост”) и полярной
(гидрофильной) группы (“голова”).

19.

20.

ИЗ МНОГОЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ ИЗмерения
поверхностного натяжения при биохимических,
физиологических и клинических исследованиях чаще всего
используют сталагмометрический метод и метод
продавливания пузырьков воздуха.

21.

22.

23.

24.

25.

26.

27.

1.
2.
3.
4.
Физическая адсорбция
Прочность
возникающих
связей
невелика и составляет не более 25
кДж/моль.
Уменьшением
адсорбции
при
повышении
температуры,
т.е.
экзотермичностью).
Как правило, обратима.
Пример: адсорбция инертных газов
на угле.
1.
2.
3.
4.
Химическая адсорбция
Прочность
возникающих
связей
достаточно велика и иногда составляет
величины до 800 кДж/моль.
Так
как
хемосорбция
является
химическим
процессом,
требующим
энергии активации порядка 40 – 120
кДж/моль,
повышение
температуры
способствует её протеканию
Может быть обратимой и необратимой.
Примером
химической
адсорбции
является
адсорбция
кислорода
на
вольфраме или серебре при высоких
температурах.
Полностью разграничить адсорбцию и хемосорбцию нельзя. Обычно эти два
процесса протекают совместно.

28.

Значительная роль при адсорбции играет также геометрия поверхности раздела
сорбента. Различают непористые и пористые сорбенты:
непористые
Тонкоизмельчённые материалы
Размер частиц очень маленький –
сотни нм
Удельная поверхность – от сотых
долей до сотен м²/г
Графитированная сажа, полисорб,
сульфат магния, каолин и другие
пористые
Имеют систему пор (каналов),
которые
представляют
собой
полости в твёрдом теле, как правило.
Соединённые между собой и
имеющие различную форму и
размеры
Большая внутренняя поверхность –
до 1000 м²/г (например, 1 см³
пористого кремнезёма обладает
площадью около 90 м²)
Силикагель, активированный уголь и
другие.

29.

Микропоры с радиусом менее 0,6 нм (6 Е)
часто
соизмеримы
по
размерам
с
адсорбируемыми молекулами. Если для
микропористого адсорбента характерны поры
строго определённых размеров, то внутрь его
могут попасть лишь те молекулы, диаметр
которых меньше или равен ширине пор
применяемого адсорбента. Такие адсорбенты
называют молекулярными ситами (природные и
искусственные цеолиты)
При адсорбции паров наблюдают так
называемую капиллярную конденсацию, протекающую на угле и других пористых
адсорбентах. Сконденсировавшаяся в капиллярах жидкость образует вогнутый мениск,
над которым пар оказывается насыщенным при более низком давлении, чем над плоской
поверхностью. Это повышает конденсацию паров в капиллярах адсорбента. Капиллярная
конденсация особенно выражена у легко сжижаемых газов.
Таким образом, сорбционные процессы различны по их механизму. Однако любой
сорбционный процесс начинается с адсорбции на границе соприкасающихся фаз, которые
могут быть жидкими, газообразными или твёрдыми.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

36.

37.

38.

МОДУЛЬ
Основные понятия
Хроматография —
физико-химический метод разделения и анализа
смесей веществ, основанный на многократно повторяющихся процессах
сорбции и десорбции между двумя фазами — подвижной (элюент) и
неподвижной (адсорбент).
•Элюент (подвижная фаза)- растворитель или смесь растворителей,
предназначенная для продвижения анализируемой смеси через
хроматографическую колонку.
•Элюат – раствор, выходящий из хроматографической колонки.
•Хроматограмма – графический результат хроматографического процесса.
Хроматография:
является
одним из чувствительных и
универсальных методов исследования,
удовлетворяющим современным
требованиям анализа.
является
методом разделения
сложных смесей на составные
компоненты, которые не меняют своих
первоначальных свойств.
Она позволяет разделить смеси практически любых веществ.

39.

Сущность
Сущность
хроматографического метода
заключается в том, что через
слой адсорбента, являющегося
неподвижной фазой, пропускают
поток элюента – жидкости или
газа- носителя
В качестве адсорбента можно
использовать AI2O3, MgO, CaO,
сахарозу, крахмал, силикагель и т.д.
•Вместе с элюентом передвигается разделяемая смесь.
• Встречая на своем пути свободную поверхность адсорбента, компоненты смеси
адсорбируются и, если их адсорбционная способность различна, смесь разделяется
на зоны (хроматограмма), каждая из которых преимущественно содержит чистое
вещество.
Компоненты выходят с потоком элюента в определенной
последовательности: первыми — наиболее слабо сорбирующиеся,
последними — сильно сорбирующиеся.

40.

Хроматография
•Основоположником хроматографического метода и самого термина
«хроматография» является русский ботаник М. С. Цвет.
•Он получил свое название от греческих слов: «хромос» - цвет и «графо» пишу, что буквально означает «цветопись».
Он опубликовал работу о разделении хлорофилла на компоненты путем
пропускания его раствора через трубку, заполненную адсорбентом СаСО3.

41.

Классификация хроматографических методов
I/ По механизму (т.е. по доминирующему механизму) разделения вещества
1) Адсорбционная хроматография (Х) – в которой неподвижной фазой служит
твердый адсорбент и разделение смеси происходит в результате различия в
константах адсорбции веществ.
2) Распределительная Х.- в которой неподвижной фазой служит жидкий или
твердый сорбент и разделение смеси веществ происходит в результате различия в
константах распределения веществ между подвижной и неподвижной фазой.
3) Ионообменная Х.– жидкостная Х., в которой основана различиивконстантах
ионного обмена разделяемых ионов между раствором и ионитом
4) Ситовая (эксклюзионная) Х. – разделение веществ основано на разнице в
размерах молекул; используют в основном для разделения белков и др.
высокомолекулярных соединений на фракции

42.

Классификация хроматографических методов (продолжение)
5) Хемосорбционная Х.
В зависимости от типа химической реакции в хемосорбционной хроматографии
выделяют
Осадочную Х.
Редоксхроматографию
Лигандооюбменную Х
Биоспецифическую
(аффинную) Х.
Жидкостная Х., в которой разделение смеси биологически активных веществ
происходит за счет различия в их биоспецифическом взаимодействии с
комплентарными сорбционными центрами неподвижной фазы.
II/ По агрегатному состоянию фаз хроматографической системы:
Газовая Х.
Газоадсорбционная Х.
Газожидкостная Х.
Мицеллярная Х. и др.
Жидкостная Х.

43.

Классификация хроматографических методов (продолжение)
III/ По технике эксперимента хроматография может быть:
1) Колоночной (разновидность – капиллярная Х)
Рис. Хроматография на колонке

44.

Классификация хроматографических методов (продолжение)
2) Плоскостной:
а) Тонкослойной- в тонком слое силикагеля
или оксида алюминия
•На тонкий слой сорбента на подложке (стеклянной или алюминиевой пластинке) в
виде нескольких точек или зон наносят раствор разделяемых веществ. В хромато-м
камере (а) при подъеме подвижной фазы по пластинке снизу вверх происходит
разделение веществ.
•Бесцветные вещества обнаруживают путем обработки пластинки различными
химическими регентами, образующими при взаимодействии с ними окрашенные
пятна.
Рис. Хроматография
в тонком слое
сорбента

45.

Классификация хроматографических методов (продолжение)
При использовании готовых пластинок с люминесцентным индикатором ряд
веществ (пятен) можно обнаружить при облучении УФ- светом.
Положение пятна на хроматограмме характеризуется величиной Rf,
являющейся отношением расстояния l, пройденного веществом к
расстоянию L, пройденному растворителем
б) Бумажной – на поверхности целлюлозы
Рис. Распределительная
хроматография на
бумаге

46.

IV/ По цели (в зависимости от характера задач различают):
а) Аналитическую хроматографию
(качественную или количественную),
когда разделяют малые количества
веществ
б) Препаративную
хроматографию, позволяющую
получать количества веществ,
достаточные для
исследовательских работ.

47.

48.

49. Интерфейс ИК-Фурье спектрометр – газовый хроматограф

50. Газовый хроматограф для алкоголя (алкилнитритный метод)

51. Газовый хроматограф для парофазного исследования растворителей и алкоголя

Кристалл 5000
с парофазным анализатором
Кристалл 2000
с автосамплером для жидких и
газообразных проб

52. Газовый хроматограф с масс-селективным детектором и приставкой МПС-2

53. Приставка МПС-2

Приставка оснащена обогреваемыми миксером и
шприцом, что позволяет проводить анализ
равновесной паровой фазы для обнаружения
летучих растворителей и алкоголя

54. Газовый хроматограф с автосамплером, оборудованный двумя пламенно-ионизационными детекторами

• Используется для
проведения
криминалистических
экспертиз наркотиков и
лекарственных препаратов

55.

56. Комплекс высокоэффективного жидкостного хроматографа с диодной матрицей и ионной ловушкой

57. Тонкослойная хроматография

58. Вспомогательное оборудование

Устройство для
твердофазной экстракции
Упариватель
Автоматическая качалка
Аналитические весы
Устройство для
подготовки воды