2.2 Колоїди
Список використаної літератури
1. Поняття про дисперсні системи
Далеко не всі речовини розчиняються один в одному, т. Е. Утворюють істинні розчини. Звичайно, можна штучно подрібнити одна речовина і розподілити його в обсязі іншого, але в будь-якому випадку така система буде гетерогенної. Наприклад, можна розбити рідина на дрібні крапельки і розпорошити їх в газове середовище (припустимо, за допомогою аерозольного балончика). Розчином отриману систему назвати не можна, навіть найдрібніша крапелька рідини буде відділена від газу поверхнею розділу двох фаз: рідкої і газоподібної.
Аналогічну систему являє собою зубна паста: дрібні частинки твердої речовини розподілені в рідині. Подібні системи речовин отримали назву дисперсних систем.
Дисперсними називають гетерогенні системи, в яких одна речовина у вигляді дуже дрібних частинок рівномірно розподілено в обсязі іншого.
Те речовина, яке розподілено в обсязі іншого, називають дисперсною фазою. Друге речовина носить назву дисперсійного середовища.
Залежно від агрегатного стану дисперсної фази і дисперсійного середовища розрізняють вісім типів дисперсних систем.
2. Класифікація дисперсних систем
За розміром частинок дисперсної фази розрізняють Грубодисперсні системи (суспензії) з розміром частинок більше 500 нм і тонкодисперсні (колоїдні розчини або колоїди) з розмірами частинок від 1 до 500 нм.
Дисперсні системи класифікують також за ступенем взаємодії між дисперсійним середовищем і дисперсною фазою. Якщо така взаємодія виражено дуже слабо, систему називають ліофобній (в разі води - гидрофобной). Прикладом гидрофобной системи може служити «баритовая каша» - осад сульфату барію, що отримується змішуванням розчинів, що містять катіон барію і сульфат-аніон. Якщо ж дисперсна фаза і дисперсійне середовище «тяжіють» один до одного (наприклад, утворюють водневі зв'язки), утворюється ліофіл'ная (гідрофільна) дисперсійна система. Такі системи утворюються мимовільно і дуже стійкі. До них відносяться розчини високомолекулярних сполук, наприклад білків. Багато глобулярні білки дисперговані у водних розчинах до окремих молекул, але, оскільки їх розміри становлять десятки нанометрів, розчин не можна вважати справжнім - це дисперсна система.
Різновид дисперсних систем.
2.1 Грубодисперсні системи
Коефіцієнт розчинності карбонату кальцію (крейда) дуже малий (6,2-10 "4 г / 100 г Н2О).
Спробуємо приготувати з цієї речовини і води дисперсних систем. Як можна ретельніше розітріть крейда в Ступці, перенесемо в стакан з водою і перемішати. Отримаємо каламутну рідину - дисперсних систем, звану суспензією. Однак мине небагато часу, і крейда осяде на дно склянки, рідина стане прозорою. Під дією сили тяжіння частинки твердої речовини седіментіруют. Це aw дещо доказ того, що наша система вийшла грубодисперсними. Отримати дисперсних систем карбонат кальцію-вода можна хімічним способом: пропусканням вуглекислого газу через вапняну воду (розчин гідроксид кальцію). При цьому розчин мутніє. Отримана система також грубодисперсна, через нетривалий час в результаті осадження карбонату кальцію вона розсиплеться.
Грубодисперсні системи з твердою дисперсною фазою і рідким дисперсійним середовищем називають суспензіями. Суспензиями є багато фарби, побілка, будівельні розчини (цементний розчин, бетон). Особливу групу складають Грубодисперсні системи, в яких концентрація дисперсної фази відносно велика. Прикладами таких систем можуть служити пасти (в тому числі зубна), креми, мазі.
Суспензії, в яких седиментація йде дуже повільно через малу різниці в щільності дисперсійного середовища і дисперсної фази, називають суспензіями. Вода з брудної калюжі, скільки її не відстоюють, завжди залишається мутнуватої, в ній в підвішеному стані знаходяться найдрібніші частинки пилу.
Грубодисперсними систему можна отримати з двох змішуються один з одним рідин. Якщо кілька крапель олії енергійно збовтати в пробірці з декількома мілілітрами води, утворюється каламутна дисперсна система - емульсія. Згодом вона розсиплеться, оскільки являє собою грубодисперсними систему.
Прикладами емульсій можуть служити деякі смазоно-охолоджуючі рідини, пестицидні препарати, лікарські та косметичні засоби. Наприклад, в медичній практиці застосовуються жирові емульсії для енергетичного забезпечення голодуючого або ослабленого організму шляхом внутрішньовенного вливання. Типові біологічні емульсії - це крапельки жиру в лімфі, кров. Молочний сік каучуконосних дерев (латекс) - теж емульсія. У хімічній технології широко застосовують емульсійну полімеризацію, як основний метод отримання каучуків, полістиролу, полівінілацетату.
2.2 Колоїди
Колоїди займають проміжне положення між грубодисперсними системами і істинними розчинами.
На підставі таблиці ви можете переконатися, що дисперсні системи надзвичайно різноманітні. Можна сказати, що вони складають основу всього живого світу. Поширеність їх в побуті, в техніці, в промисловості також дуже велика.
Велике значення мають колоїдні системи для біології та медицини. До складу будь-якого живого організму входять тверді, рідкі та газоподібні речовини, що знаходяться в складних взаєминах один з одним і навколишнім середовищем. Цитоплазма клітин має властивості, характерними як для рідких, так і студнеобразная речовин. З хімічної точки зору організм в цілому - це складна сукупність багатьох колоїдних систем, що включають в себе і рідкі колоїди, і гелі.
Якщо частинки дисперсної фази досить малі, колоїдна система нагадує справжній розчин, звідси і походить назва - колоїдний розчин. Така систем утворюється, наприклад, при розчиненні невеликої кількості яєчного білка у воді.
Колоїдні розчини, як правило, опалесцентну, тобто розсіюють падаюче світло за рахунок частинок дисперсної фази, розміри яких порівнянні з довжиною хвилі випромінювання. При цьому колоїдний розчин при освітленні як би світиться сам. Характерним проявом опалесценции є ефект Тиндаля. Він полягає в появі в колоїдному розчині світиться доріжки при пропущенні через нього променя світла. Такий ефект можна спостерігати, випустивши на промінь лазерної указки трохи аерозолю.
Існує кілька основних способів отримання колоїдних розчинів. Перший з них - дисперсійний, а простіше кажучи, дроблення речовини на дрібні частинки в дисперсійному середовищі або поза нею. Таке дроблення можна здійснювати механічно за допомогою спеціальних машин - колоїдних млинів. Так отримують, наприклад, туш, рідкі акварельні, водоемульсійні і вододисперсійні фарби. Дроблення можна проводити за допомогою електричного струму (колоїдні розчини срібла, золота, платини) або ультразвуку (колоїдні розчини гіпсу, графіту, смол).
Другий спосіб отримання колоїдів - хімічний, він заснований на проведенні різних реакцій, що призводять до утворення нерозчинних в рідини речовин.
При зливанні дуже розбавлених розчинів нітрату срібла і хлориду натрію вдається отримати колоїдний розчин хлориду срібла:
AgNO3 + NaCl = AgCl + NaNO3.
За допомогою реакції взаємодії розчинів тіосульфату натрію і кислоти можна отримати колоїдний розчин сірки:
Na2S2O3 + 2НС1 = 2NaCl + Н2О + SO2 + S
Відновленням солі золота формальдегідом можна отримати колоїдний розчин цього металу:
2NaAuO2 + ЗНСНО + Na2CO3 = = 2Au | + 3HCOONa + NaHCO3 + H2O.
Найважливішими типами колоїдних систем є золі і гелі.
Золі - це колоїдні системи, в яких дисперсійним середовищем є рідина, а дисперсною фазою - тверда речовина. Окремі частки золю ізольовані один від одного дисперсійним середовищем. З плином часу вони можуть збільшуватись, стикаючись один з одним. Таке явище отримало назву коагуляція. В результаті дії сили тяжіння такі частинки випадають в осад, відбувається їх седиментації.
Крім коагуляції, при тривалому зберіганні гідрофільні золі можуть перетворюватися в гелі - особливе драглистоподібного колоїдний стан. При цьому окремі частинки золю зв'язуються один з одним, утворюючи суцільну пространствен ву сітку. Всередину осередків сітки потрапляють частинки розчинника. Виходить, що дисперсна фаза і дисперсійне середовище міняються ролями! Тверда фаза стає безперервною, а частинки рідини - ізольованими. Дисперсная система втрачає свою плинність, набуваючи нових механічні властивості. При нагріванні гель може знову перетворитися в золь.
Гелі широко поширені в нашому повсякденному житті. Будь-якому відомі харчові гелі (зефір, мармелад, холодець), косметичні (гель для душу, креми), медичні ські (мазі, пасти). Однак мало хто знає, що хрящі, сухожилля, волосся являють собою органічні гелі, а опал, перли, сердолік, хальцедон - мінеральні.
Для деяких гелів характерне явище синерезиса (або розшарування) - мимовільного виділення рідини. При цьому просторова сітка гелю ущільнюється, її обсяг зменшується, утворюється так званий твердий коллош). Схематично описані процеси представлені на малюнку.
Найчастіше з явищем синерезиса доводиться боротися, оскільки саме воно визначає терміни придатності харчових, косметичних, медичних гелів. Наприклад, при довжині тельном зберіганні мармелад або торт «Пташине молоко» виділять рідину, стають непридатними до вживання. Однак в деяких випадках синерезис - велике благо.
Завдяки біологічному синерезису ми спостерігаємо таке явище, як згортання крові, суть якого полягає в перетворенні розчинного білка фібриногену в нерозчинний - фібрин.
Процеси, зображені на малюнку, є оборотними. З твердого колоїду желатину (продукту білкового походження) при набуханні в теплій воді утворюється студнеобразная гель - желе. Але в кулінарних рецептах завжди попереджають: не можна доводити желе до кипіння, інакше гель перетвориться в золь, і дисперсна система знову придбає плинність.
Частинки дисперсної фази колоїдних розчинів часто не осідають навіть при тривалому зберіганні. Чому так відбувається? Перша причина полягає в тому, що дрібні колоїдні частки за рахунок теплового руху постійно стикаються з молекулами дисперсійного середовища, змінюючи напрямок руху, т. Е. Осідання не спостерігається. Але чому при зіткненні частинок дисперсної фази не відбувається їх коагуляція, укрупнення, що неминуче призвело б до розшарування колоїду? Злипання перешкоджає електричний заряд на поверхні колоїдних частинок, всі вони виявляються однойменно зарядженими, що призводить до їх взаємного відштовхування. Залишається з'ясувати, як же утворюється цей заряд? Для цього розглянемо будову колоїдної частинки.
Частинки дисперсної фази золів називають мицеллами. Якщо виключити вплив розчинника, в якому утворюється колоїдна система, то спрощену схему будови міцели золю хлориду срібла (при надлишку хлорид-аніонів) можна представити в такий спосіб. Припустимо, що золь хлориду срібла отриманий сливанием сильно розбавлених розчинів хлориду калію і нітрату срібла, причому хлорид калію узятий в надлишку.
При взаємодії катіонів срібла з хлорид-аніонами утворюються частинки нерозчинного у воді хлориду срібла. Оскільки розчини сильно розбавлені, мікрокристали виходять колоїдних розмірів, дуже дрібні. Такий мікрокристал утворює ядро міцели.
Зростання кристала припиняється, коли в розчині практично до нуля падає концентрація іонів срібла. Але хлорид-аніони присутні в надлишку. Частина з них адсорбується на поверхні ядра, добудовуючи його кристалічну решітку. Хлорид-аніони в даному випадку називають потенціалопределяющего іонами. Саме вони обумовлюють наявність негативного заряду агрегату ядра з надлишком іонів С1. Якби в розчині присутній надлишок нітрату срібла, потенціалопределяющего іонами були б катіони Ag +.
Природно, після виникнення заряду утворилася частка починає притягувати з розчину іони з протилежним знаком - катіони калію (протівоіони), утворюється так званий подвійний електричний шар. Деяка частина протиіонів дуже міцно притягується до агрегату, утворюючи адсорбційний шар. Частина міцели, що включає ядро, потенціал визначають іони і адсорбційний шар, називають гранулою. Іони К +, які не входять до адсорбційний шар, слабкіше пов'язані з гранулою і можуть диссоциировать в розчин. Вони складають дифузний шар протиіонів.
В цілому міцела є електронейтральної частку, але за рахунок переходу частини іонів дифузного шару в розчин гранули мають на поверхні надлишковий негативний заряд, який і перешкоджає їх коагуляції в більші частки.
Будова міцели можна зобразити за допомогою формули. Послідовні кроки в складанні формули міцели такі.
1) Ядро міцели складається з т частинок AgCl, що утворюють мікрокристал: m [AgCl].
2) потенціалопределяющего іони адсорбуються на поверхні ядра; припустимо, що для нашого прикладу їх число дорівнює п: m [AgCl] • nСl-.
3) Потім йде шар протиіонів. Їх загальна кількість так само одно п, однак частина (припустимо, х) з них утворюють дифузний шар, інші (п - х) разом з ядром і потенціалопределяющего іонами складають гранулу. Частина формули, що відноситься до гранулі міцели, укладають в фігурні дужки. Заряд гранули в даній міцелі дорівнює х
Таким чином, формула міцели золю хлориду срібла в надлишку хлорид-аніонів така:
Знаючи будову міцели, можна управляти процесом коагуляції. Яким чином можна «змусити» колоїдні частинки коагулировать? Очевидно, необхідно позбавити їх поверхневого заряду. Цього можна домогтися за допомогою розчинів електролітів. Дійсно, якщо до золю хлориду срібла додати, наприклад, розчин сульфату алюмінію, катіони А13 + нейтралізують негативний заряд гранули, міцели укрупнюються і осідають під дією сили тяжіння. Очевидно, що при рівних концентраціях трехзарядний іон алюмінію має більшу коагулирующей здатністю, ніж, наприклад, однозарядний іон літію Li +.
У деяких випадках, навпаки, необхідно підтримувати стійкість колоїдної системи або перетворити коагулят в золь. Згадайте, наприклад, принцип дії поверхнево-активної речовини, наприклад мила, при задушений жиру з забрудненої поверхні. Гідрофобний углердородний радикал розчиняється в частинках жиру, а гідрофільний карбоксилат-аніон виявляється на поверхні. Найдрібніші (колоїдні) крапельки жиру з «кульбабою» аніонів -СОО- на поверхні переходять в розчин і не злипаються знову через наявність негативного заряду.
Список використаної літератури
1. Калоус В. Біофізична хімія. / Калоус В. Павлічек З. - М. 1985 р
3. Маршеллі Е. Біофізична хімія. - М. Мир, 1981.