Коллоидные растворы. Методы получения и очистки коллоидных растворов. Строение мицеллы гидрофобных систем. (Часть 1) презентация

Коллоидные растворы (часть 1) Основные понятия. Классификация дисперсных систем. 2. Методы получения коллоидных растворов. 3. Методы очистки коллоидных растворов. 4. Строение мицеллы гидрофобных систем. 5. Электрокинетический потенциал. Изоэлектрическое состояние мицеллы. Лектор: Ирина Петровна Степанова, доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой химии

Коллоидная химия («коллоид» – от греческого κόλλα – клей) – наука, изучающая физико-химические свойства гетерогенных высокодисперсных систем и ВМВ в твердом состоянии и в растворах. Коллоидная химия («коллоид» – от греческого κόλλα – клей) – наука, изучающая физико-химические свойства гетерогенных высокодисперсных систем и ВМВ в твердом состоянии и в растворах.

История развития коллоидной химии Томас Грэм (Грэхэм) английский/шотладский химик впервые использовал термин «коллоид» для описания растворов с необычными свойствами. В развитие этой науки внесли вклад Т. Юнг, П. Лаплас, Д. Гиббс, Г. Гельмгольц, Д. Рэлей И. Ленгмюр и др.

История развития коллоидной химии

.

Бактерицидная активность коллоидного раствора серебра

Бактерицидная активность коллоидного раствора серебра

Бионаноматериалы

Наноматериалы Быстрозастывающая наножидкость состоит из шестимолекулярных колец, которые формируют трубчатые структуры. Предполагается, что этой жидкостью будут лечить переломы.

Основные понятия Два общих признака дисперсных систем: гетерогенность и дисперсность. Дисперсной системой (ДС) называется система, в которой одно вещество в более или менее раздробленном (дисперсном) состоянии равномерно распределено в массе другого вещества.

Классификация дисперсных систем Дисперсная фаза (ДФ) представляет собой частицы, а дисперсионная среда (ДСр) - сплошная среда, в которой находится раздробленая дисперсная фаза. Степень дисперсности (D) определяется величиной, обратной диаметру частиц (d): D = 1 / d.

Дисперсные системы

Формы дисперсной фазы n

Количественные характеристики ДФ Удельная поверхность Удельная поверхность для сферической частицы с радиусом r Удельная поверхность для кубической частицы с ребром куба

Грубодисперсные (d ˃ 10-5 см) – не проходят через тонкие бумажные фильтры, быстро оседают, видимы в обычный микроскоп. Грубодисперсные (d ˃ 10-5 см) – не проходят через тонкие бумажные фильтры, быстро оседают, видимы в обычный микроскоп. Коллоидно-дисперсные (10-7 ˂ d ˂ 10-5 см) – проходят через бумажные фильтры, но задерживаются на ультрафильтрах, видимы в ультрамикроскоп. Структурной единицей является мицелла. Молекулярно-дисперсные (истинные растворы) (d ˂ 10-7 см) – дискретными единицами в них являются молекулы или ионы. Образуются самопроизвольно.

Классификация по агрегатному состоянию ДСр и ДФ

Суспензии

Эмульсии

Виды эмульсий

Диаметр частиц эмульсий < 0.5 мм 0.5-1.5 мм 1.5-3 мм >3 мм

Эмульсии

Эмульсии

Эмульсии

Пена

Аэрозоль

Золи и гели

Золь – бесструктурный коллоидный раствор, в котором частицы ДФ слабо взаимодействуют между собой и свободно передвигаются друг относительно друга (например, золь серебра – колларгол). 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.

Гель – структурированный коллоидный раствор, в котором частицы ДФ связаны между собой в пространственные структуры типа каркасов. Гель – структурированный коллоидный раствор, в котором частицы ДФ связаны между собой в пространственные структуры типа каркасов. В них коллоидные частицы малоподвижны и способны совершать только колебательные движения. По внешнему виду гели желеобразны (например, зубная паста Blend-a-med).

Методы получения коллоидных растворов

Получение лиофобных коллоидных систем

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) ультразвуковое (под действием ультразвука) электрическое (при использовании электродов).

Методы получения коллоидных растворов Химическое диспергирование – пептизация (заключается в химическом воздействии на осадок).

Методы получения коллоидных растворов Конденсационные методы (от лат. – укрупнять) – получение частиц ДФ путем объединения атомов, молекул, ионов. Различают физическую и химическую конденсацию.

Методы получения коллоидных растворов Физическая конденсация – 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.

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.).

Химическая конденсация Чтобы в ходе реакции образовался коллоидный раствор, необходимо соблюдение, по крайней мере, трех условий: чтобы вещество ДФ было нерастворимо в ДСр; чтобы скорость образования зародышей кристаллов ДФ была гораздо больше, чем скорость роста кристаллов; чтобы одно из исходных веществ было взято в избытке, именно оно является стабилизатором.

Примеры реакций химической конденсации

Методы очистки коллоидных растворов

Диализ Диализ проводят с помощью прибора - диализатора. Он состоит из 2 сосудов, отделенных полупроницаемой мембраной, способной пропускать молекулы и ионы низкомолекулярных веществ. Во внутренний сосуд наливается раствор золя, во внешнем – циркулирует вода. Примеси удаляются через мембрану из раствора золя в растворитель.

Методы очистки коллоидных растворов

Диализ

Электродиализ

Диализ По принципу компенсационного диализа работает аппарат «искусственная почка». Аппарат подключают к системе кровообращения больного, кровь под давлением протекает между двумя мембранами, омываемыми снаружи физраствором. При этом токсичные вещества крови вымываются в физраствор, что способствует очищению крови.

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

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

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.

Строение мицеллы Заряд на коллоидных частицах возникает либо за счет ионизации молекул, находящихся на поверхности твердой фазы, либо в результате избирательной адсорбции на твердой фазе.

Строение мицеллы Рассмотрим второй случай – образование мицеллы AgI в KI. AgNO3 + KI (избыток) = AgI + KNO3 Осадок AgI находится в избытке раствора KI. Избыток электролита выполняет роль стабилизатора.

Строение мицеллы При этом образуется мицелла, имеющая следующее строение:

Строение мицеллы 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.

Строение мицеллы Агрегат и потенциалопределяющие ионы составляют ядро мицеллы. К отрицательному заряду будут притягиваться противоионы K+, образуя плотный слой противоионов. Потенциалопределяющие ионы и противоионы плотного слоя вместе образуют адсорбционный слой.

Строение мицеллы 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.

Строение мицеллы. Формула мицеллы AgI в KI:

Строение мицеллы Ионы стабилизатора, адсорбируясь на поверхности агрегата, образуют ионогенную часть мицеллы, которая по своему строению и свойствам является двойным электрическим слоем (ДЭС). Строение ДЭС мицеллы AgI в KI: 1. Стабильная часть ДЭС - потенциалопре-деляющие ионы. 2. Плотный слой противоионов 3. Диффузный слой противоионов

Электрокинетический потенциал В мицелле выделяют две границы: Граница раздела фаз - проходит между потенциалопределяющими ионами и противоионами плотного слоя. На границе раздела фаз возникает электротермодинамический потенциал мицеллы - φ-потенциал.

Электрокинетический потенциал Граница скольжения - проходит между гранулой и диффузным слоем. На границе скольжения возникает электрокинетический потенциал или дзета (ξ) -потенциал. Дзета-потенциал –один из основных факторов, определяющих поведение мицеллы в электрическом поле.

Электрокинетический потенциал Название кинетический связано с тем, что его рассчитывают по скорости движения частиц дисперсной фазы при электрофорезе или дисперсионной среды при электроосмосе. Величина дзета-потенциала определяется толщиной диффузного слоя и зависит от разности между общим числом зарядов потенциалопределяющих ионов и числом зарядов противоионов, находящихся в адсорбционном слое.

ξ-Потенциал

Электрокинетический потенциал. Чем больше заряд гранулы и, соответственно, величина дзета-потенциала, тем устойчивее коллоидный раствор. Наличие одноименного заряда способствует отталкиванию частиц друг от друга, препятствуя таким образом их коагуляции (укрупнению) и седиментации (осаждению).

Изоэлектрическое состояние мицеллы Изоэлектрическое состояние мицеллы С увеличением концентрации электролита часть ионов из диффузного слоя может перейти в адсорбционный слой. Толщина диффузного слоя при этом будет уменьшаться и, следовательно, дзета-потенциал будет уменьшаться. Если все противоионы перейдут из диффузного слоя в адсорбционный, дзета-потенциал станет равен нулю.

Изоэлектрическое состояние мицеллы В этом случае говорят об изоэлектрическом состоянии мицеллы, которое характеризуется электронейтральным состоянием гранулы. В изоэлектрическом состоянии гранула не обладает электрофоретической подвижностью.

Изоэлектрическое состояние мицеллы

Вопросы для самоконтроля

Строение золя иодида серебра в избытке раствора нитрата серебра

СПАСИБО ЗА ВАШЕ ВНИМАНИЕ! СПАСИБО ЗА ВАШЕ ВНИМАНИЕ!