Физическая химия дисперсных систем. Коллоидные растворы презентация

Физико-химия дисперсных систем Коллоидные растворы

План лекции Общие понятия Классификация дисперсных систем Методы получения коллоидов Методы очистки коллоидных растворов Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов

Коллоидная химия Раздел физической химии, изучающий физико-химические свойства гетерогенных высокодисперсных систем, растворов и высокомолекулярных соединений

Немного истории… До начала XX века наука о коллоидах содержала описание свойств отдельных высокодисперсных систем и способы их приготовления М.В. Ломоносов, Ловиц, Рейсс, Ф.Сельми, М.Фарадей – внесли неоценимый вклад в развитие коллоидной химии Томас Грэм (1861) – «отец» коллоидной химии; ввел термин и определил понятие «коллоиды»

По Т. Грэму Кристаллоиды – вещества быстро диффундирующие и проходящие через растительные и животные мембраны, легко кристаллизующиеся Растворы кристаллоидов – истинные растворы Коллоиды – вещества, обладающие очень малой диффузией, не проходящие через мембраны и не кристаллизующиеся, а образующие аморфные осадки Растворы коллоидов – золи

По И.Г. Борщеву В зависимости от условий одно и то же вещество может проявлять свойства кристаллической и коллоидной форм Р-р NaCl в воде – истинный раствор, Р-р NaCl в бензоле – коллодный Мыло в воде – коллоид Мыло в спирте – кристаллоид Можно говорить лишь о коллоидном и кристаллоидном состоянии того или иного вещества

Коллоидное состояние вещества Степень его раздробленности (дисперсности) и нахождение коллоидных частиц во взвешенном состоянии в растворителе

Удельная поверхность фазы S Sуд = ----- V S – суммарная поверхность всех частиц V – объем вещества, подвергающегося дроблению

Дисперсная система Дисперсионная среда – растворитель, в котором распределено вещество в раздробленном состоянии Дисперсная фаза – раздробленное вещество Между дисперсной фазой и дисперсионной средой существует поверхность раздела

Гетерогенные (неоднородные) системы Дисперсные системы, в которых одно вещество распределено в другом в виде частиц различных размеров Во многом близки к коллоидно-дисперсным системам грубодисперсные суспензии, эмульсии и пены

Классификация дисперсных систем По величине частиц дисперсной фазы Грубодисперсные (больше 10-7м). Быстро оседают, видимы в микроскоп, остаются на бумажном фильтре, неустойчивы (суспензии, эмульсии, взвеси) Коллоидно-дисперсные (10-7-10-9м). Относительно устойчивы Молекулярно- и ионно-дисперсные. Гомогенны, устойчивы (истинные растворы)

По агрегатному состоянию

Классификация коллоидных растворов По интенсивности взаимодействия частиц на поверхности раздела фаз: Лиофильные – сильное взаимодействие; устойчивы, обратимы (взаимодействие полярных групп веществ с полярными жидкостями или неполярных групп с неполярными жидкостями) Лиофобные – взаимодействие частиц только при добавлении стабилизаторов; необратимы (металлы в коллоидном состоянии, эмульсии)

По текучести растворов: По текучести растворов: Золи – коллоидные растворы, имеющие текучесть (свободнодисперсные) Гели – коллоидные растворы, утратившие текучесть (связанно-дисперсные – существуют устойчивые связи между частицами дисперсной фазы)

Условия получения коллоидов Дисперсная фаза должна обладать плохой растворимостью Размеры диспергируемого вещества должны быть доведены до размеров коллоидных частиц (10-7-10-9м) Необходимы стабилизаторы, которые на поверхности раздела фаз образуют ионный или молекулярный слой и гидратную оболочку

Методы получения коллоидных растворов Дисперсионные методы – дробление вещества до коллоидной степени дисперсности Конденсационные методы – укрупнение молекул и ионов до размеров коллоидных частиц

Дисперсионные методы Механические (шаровые и коллоидные мельницы, ступка) – диспергирование с добавлением стабилизаторов Ультразвуковые – диспергирование частиц под действием сжатий и расширений

Пептизация – процесс перехода вещества из осадка в золь при добавлении диспергирующих веществ (Al(OH)3, Fe(OH)3 + электролит) Пептизация – процесс перехода вещества из осадка в золь при добавлении диспергирующих веществ (Al(OH)3, Fe(OH)3 + электролит) Растворение – самопроизвольное диспергирование (желатин, крахмал, агар-агар) Электрическое диспергирование – материал электродов испаряется при температуре электрической дуги и конденсируется в частицы коллоидных размеров

Конденсационные методы Окисление 2H2S + O2  2H2O + 2S Восстановление Ag2O + H2  2Ag0 + H2O Реакции обмена BaCl2 + K2SO4  BaSO4 + 2KCl Гидролиз FeCl3 + 3H2O  Fe(OH)3 + 3HCl Fe(OH)3 + HCl  FeOCl + 2H2O FeOCl  FeO+ + Cl-

Нейтрализация Нейтрализация Ca(OH)2 + H2SO4  CaSO4 + 2H2O Замена растворителя При вливании спиртовых растворов серы, канифоли, в воду, в которой эти вещества плохо растворимы, они начинают конденсироваться в частицы коллоидных размеров и могут находиться во взвешенном состоянии

Методы очистки коллоидных растворов Диализ – основан на способности животных и растительных мембран пропускать ионы и задерживать коллоидные частицы (медленный) Электродиализ Компенсационный диализ (вивидиализ) Ультрафильтрация Гельфильтрация Седиментация

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов Седиментационное равновесие Броуновское движение Диффузия Осмотическое давление

Седиментационное равновесие 2 (d – d0)  = ---- · r2g · ----------, см/с 9  Характеризуется: Равенством скоростей седиментации и диффузии Постепенным уменьшением концентрации частиц в направлении от нижних слоев к верхним

h – высота, на которую нужно подняться, чтобы давление упало вдвое h – высота, на которую нужно подняться, чтобы давление упало вдвое Изменение концентрации с высотой будет тем больше, чем больше масса частиц

Применение седиментационного анализа Определение размера и фракционного состава частиц (число частиц разного размера) Определение молекулярного веса полимерных материалов, белков, нуклеиновых кислот Качественная оценка функционального состояния эритроцитов. СОЭ значительно меняется при различных заболеваниях

Броуновское движение Присуще частицам с размерами не более 10-6м Не зависит от природы вещества Обусловлено тепловым движением молекул Изменяется в зависимости от температуры, вязкости среды и размеров частиц

Уравнение Эйнштейна-Смолуховского Описывает броуновское движение х = 2Д  – время х – среднее смещение (среднее расстояние, на которое сместится коллоидная частица в единицу времени) Д – коэффициент диффузии

Диффузия C m = -Д · ----- ·  X Скорость диффузии в случае коллоидных растворов во много раз меньше, чем в истинных (т.к. коллоидные частицы обладают большим размером и массой, чем отдельные молекулы или ионы)

Осмотическое давление Осмотическое давление коллоидных растворов подчиняется закону Вант-Гоффа осм = КБ · СV · T СV – частичная концентрация mдф СV = --------- mч · V Как правило, в 1 000 раз меньше осмотического давления истинных растворов

осм (1% золь золота) = 0,00045 атм осм (1% золь золота) = 0,00045 атм осм (1% раствор сахарозы) = 0,725 атм Осмотическое давление коллоидных растворов со временем уменьшается (частицы самоукрупняются или оседают, и их в растворе становится меньше) Часть измеряемого осмотического давления в коллоидных растворах обусловлена примесью электролитов

Роль коллоидов Кровь, лимфа, плазма, спинномозговая жидкость, протоплазма – коллоидные системы, в которых ряд веществ (белки, гликоген, липиды) находятся в коллоидном состоянии Могут связывать большие количества воды (соединительная ткань, стекловидное тело) Коллоиды различных тканей живых организмов обуславливают многообразие их свойств: эластичность, набухание, коагуляция, сохранение той или иной формы Многие основные операции в фармацевтической промышленности – коллоидные процессы (изготовление эмульсий, порошков, кремов, мазей) Введение лекарств в коллоидной форме локализует их действие и увеличивает срок их действия