Очистка коллоидных растворов. Методы получения и очистки коллоидных растворов. Свойства коллоидных систем

Коллоидные растворы.

Коллоидные системы – это дисперсные лиофобные гетерогенные системы со степенью дисперсности 10 7 – 10 9 м –1 .

Коллоидные растворы занимают промежуточное положение по степени дисперсности между грубодисперсными системами и истинными растворами.

Теория П.П. Веймарна. Условия получения коллоидных растворов.

Русский академик Петр Петрович Веймарн разработал теорию получения коллоидных растворов.

Коллоидные растворы, будучи гетерогенными системами, являются теормодинамически неустойчивыми системами, так как имеют большую площадь раздела фаз и, следовательно, большой запас свободной поверхностной энергии. Поэтому долгое время считалось, что устойчивый коллоидный раствор можно получить только из определенных веществ, которые называли коллоидами. Однако, Веймарн разработал теоретически и доказал на практике, что коллоидный раствор можно получить из любого вещества. Для этого необходимо соблюдать три условия:

1. Для получения коллоидного раствора нужно труднорастворимое вещество. Именно у этих веществ скорость образования центров кристаллизации больше, чем скорость увеличения их в размере, что позволяет получить коллоидную степень дисперсности. Таким образом, можно получить и коллоидный раствор NaCl.

2. Труднорастворимое вещество должно быть получено в низкой концентрации. При высокой концентрации образовавшиеся частицы будут моментально и самопроизвольно соединяться друг с другом, образуя осадок. При низкой концентрации скорость агрегации резко снижается, так как расстояние между частицами велико.

3. В коллоидный раствор необходимо добавить электролит-стабилизатор, содержащий родственные ионы. Родственными являются ионы, которые входят в состав коллоидной частицы. Они способны адсорбироваться на частицах дисперсной фазы, сообщая им одноименный заряд.

Методы получения коллоидных растворов.

1. Конденсационный метод.

Получение коллоидных растворов из истинных.

· физический: замена растворителя, резкое охлаждение, конденсация паров

· химический: реакции обмена, гидролиза, ОВР

2. Дисперсионный метод.

Получение коллоидных растворов из грубодисперсных систем.

· физический: дробление ультразвуком, в ступке, в коллоидной или шаровой мельнице

· химический: пептизация

3. Дисперсионно-конденсационный метод.

Электрический метод Бредига, получение гидрозолей металлов.

Методическое пособие «Физико-химия дисперсных систем», часть I, стр. 9-13

Строение мицеллы.

Частицы в коллоидном растворе называются мицеллы. Они имеют сложное строение:

В центре мицеллы находится агрегат – это кристалл труднорастворимого вещества. На нем адсорбируются родственные и потенциалобразующие ионы, образуя ядро. К агрегату примыкает адсорбционный слой, включающий родственные ионы и часть противоионов с молекулами связанного растворителя. Ядро и адсорбционный слой образуют гранулу. Заряд гранулы по знаку такой же, как и у родственных ионов. Остальные противоионы образуют диффузный слой. Он более широкий и при движении мицеллы может перемещаться отдельно от гранулы. Мицелла нейтральна.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Методы получения и очистки коллоидных растворов

Конденсационные методы получения коллоидных систем

Из классификации дисперсных систем по размеру частиц следует, что коллоидные растворы (золи) занимают промежуточное положе-ние между молекулярными и грубодисперсными системами. Этим определяются два возможных пути получения коллоидных растворов. Один путь состоит в укрупнении частиц при агрегации молекул или ионов -- такой метод называют конденсационным. Второй путь за-ключается в измельчении крупных частиц до коллоидной дисперс-ности, его осуществляют методом диспергирования.

Конденсация может протекать как химический и как физический процесс. И в том и в другом случае метод конденсации основан на образовании в гомогенной среде новой фазы, имеющей коллоид-ную дисперсность. Общим условием образования новой фазы явля-ется состояние пересыщения раствора или пара. При возникнове-нии местных пересыщений в каких-то участках раствора образуются агрегаты из нескольких молекул, которые и становятся зародышами новой фазы. Роль зародышей могут выполнять имеющиеся или вносимые в систему центры кристаллизации -- пылинки, небольшие добавки готового золя и др. Чем больше число центров кристалли-зации и меньше скорость роста кристаллов, тем выше дисперсность получаемых золей.

Согласно современной теории образования в гомогенной среде зародышей новой фазы, этот процесс является флуктуационным. Условия образования зародышей твердой фазы выражает уравнение

r =2 уVm / RTln (c r / Coo )

где r -- радиус кристалла; у -- поверхностное натяжение на границе кристалл--раствор; Vm -- молярный объем кристаллической фазы; с -- концентрация насыщенного раствора; с r -- концентрация пере-сыщенного раствора, необходимая для образования мелких кристал-лов с радиусом г.

Образование зародышей возможно при условии, когда с r > с. Из пересыщенного раствора может быть получена высокодисперс-ная система только в том случае, если скорость образования заро-дышей v \ намного больше, чем скорость их роста V 2, т. е. Ј>i^>^2. В противном случае образуются крупные частицы, которые не обла-дают кинетической устойчивостью и выпадают в осадок.

В случае химической конденсации новая фаза возникает при протекании реакций, приводящих к образованию нерастворимых в данной среде веществ. Это могут быть реакции восстановления, окисления, обмена, гидролиза.

Для различных химических реакций, используемых при получе-нии золей, оптимальные условия образования и роста зародышей подбирают опытным путем. Как правило, высокодисперсные золи получают внесением в разбавленный раствор одного из реактивов небольшого количества концентрированного раствора второго реак-тива при интенсивном перемешивании. При такой методике обра-зовавшиеся зародыши твердой фазы быстро прекращают рост, так как разбавленный раствор скоро истощается. Свежеобразованная дисперсная фаза, состоящая из агрегатов нерастворимого вещества, часто имеет аморфное строение. С течением времени (от несколь-ких минут до суток) . идет процесс кристаллизации нерастворимых частиц и они приобретают кристаллическую структуру.

Реакции восстановления. Для получения золей благородных металлов (платины, золота, серебра) применяют обычно реакции восстановления. Восстановление может проводиться с применением защитных коллоидов или без них. В качестве защитных коллоидов используют ВМВ, которые адсорбируются на поверхности коллоид-ных частиц и образуют защитные пленки. В фармацевтической практике в присутствии защитных коллоидов получают препарат колларгол, представляющий собой коллоидный раствор серебра, защищенный солями лизальбиновой и протальбиновой кислот.

При получении золя золота золотохлористо-водородная кислота превращается в аурат калия по реакции

2НАuС1 4 + 5К 2 СО 3 = 2КАuО 2 + 5СО 2 + 8КС1 + Н 2 О

Реакция восстановления аурата калия формальдегидом протекает по уравнению

2КАuО 2 + ЗНСНО + К 2 СО 3 = 2Аu + ЗНСООК + КНСОз + Н 2 О

На образующихся микрокристаллах золота адсорбируются ионы аурата, являющиеся потенциалобразующими ионами. Противоионами служат ионы К + .

Методы гидролиза. Для получения золей гидроксидов тяжелых металлов применяют гидролиз.

Золь металлического серебра можно получить, восстанавливая разбавленные растворы солей серебра в щелочной среде танином. Танин (пентадигаллоилглюкоза) С 76 Н 52 О 46 , окисляясь, дает нераст-воримые вещества -- флобафены С 76 Н 52 О 49

Процессы окисления.

Наряду с серой в реакциях окисления обычно образуются политио-новые кислоты, главным образом пентатионовая кислота H 2 S 5 O 6

Реакции двойного обмена. Реакции двойного обмена позволяют получать многие золи труднорастворимых соединений. Например, при смешивании разбавленных растворов нитрата бария и сульфата калия при условии избытка одного из реагентов сульфат бария не выпадает в осадок, а образует коллоидный раствор.

Реакция между нитратом бария и сульфатом калия протекает по схеме

Ва (NO 3) 2 + K 2 SO 4 = BaSO 4 + 2KNO 3

При получении золей методами химической конденсации следует отдавать предпочтение реакциям, при которых попутно с труднораст-воримым соединением образуются вещества, являющиеся неэлектро-литами или слабыми электролитами. Это способствует получению более стабильных золей, так как в системе не образуются излишние электролиты, астабилизирующие золь. Примером такой реакции может служить окисление сероводорода кислородом воздуха.

Замена растворителя. Этот метод получения золей в отличие от предыдущих относится к физической конденсации. Он основан на том, что раствор вещества прибавляют понемногу к жидкости, которая хорошо смешивается с растворителем, но в которой растворенное вещество настолько мало растворимо, что выделяется в виде высоко-дисперсной фазы. Примером могут служить гидрозоли серы, холе-стерина или канифоли, получаемые вливанием спиртовых растворов этих веществ в воду.

Конденсация паров. Это также метод получения золей физи-ческой конденсацией. При пропускании паров какого-либо про-стого вещества в жидкость в результате конденсации могут об-разоваться стойкие золи. Сюда относятся электрические методы получения дисперсий металлов, распыляемых под водой или в органи-ческой жидкости в вольтовой дуге (метод Бредига) и в искровом высокочастотном разряде (метод Сведберга). Стабилизаторами для образующихся при конденсации паров дисперсий служат оксиды этих же металлов, являющиеся побочными продуктами процесса распы-ления. Оксиды адсорбируются на частицах металла и создают защит-ный слой.

В природе при конденсации водяных паров в атмосфере обра-зуются туман и облака.

С. З. Рогинским и А. И. Шальниковым был разработан эффектив-ный способ получения золей из так называемых молекулярных пуч-ков. Сущность метода заключается в том, что совместно испаряют в вакууме диспергируемое вещество и растворитель. Смешанные пары конденсируются и замораживаются на охлажденной поверхно-сти. Затем смесь размораживают и собирают в сосуд. Таким путем были получены труднодоступные золи многих веществ. Метод обеспе-чивает высокую чистоту получаемых золей.

Получение коллоидных систем методами диспергирования

Диспергированием называют тонкое измельчение твердых мате-риалов или жидкостей и распределение их частиц в жидкой или газообразной среде, в результате чего образуются дисперсные си-стемы: порошки, суспензии, эмульсии, аэрозоли.

Методы измельчения крупных образований до коллоидного со-стояния подразделяются на механические, физические и физико-химические.

Механическое диспергирование. Это один из основных путей образования коллоидных систем в природе: при обвалах, выветри-вании, эрозии почв и т. д. Искусственное механическое дисперги-рование осуществляют с помощью различных способов измельчения. Такой процесс включает грубое, среднее и мелкое дробление. В основу действия машин-измельчителей положены принципы раздавливания, раскалывания, истирания, удара и др. Свойство материала противо-стоять разрушению называют прочностью. В процессе измельчения твердое тело испытывает деформации упругие и пластические. Упру-гие (обратимые) деформации после снятия нагрузки практически полностью исчезают. При пластических (необратимых) деформациях прекращение внешнего воздействия не приводит к восстановлению формы и размеров твердого тела. Прочность материала нарушается, форма его изменяется.

Согласно представлениям П. А. Ребиндера, на измельчение материала затрачивается энергия, равная сумме работы деформа-ции твердого тела и работы образования новых поверхностей:

W = W деф + W n = kV + у? S ,

где W -- полная работа измельчения; k -- коэффициент пропор-циональности, равный работе деформирования единицы объема из-мельчаемого тела; V -- объем тела; у -- поверхностное натяжение (энергия образования единицы поверхности); ?S -- новая поверх-ность, образующаяся при разрушении тела.

Из формулы следует, что работа измельчения увеличи-вается пропорционально как объему измельчаемого материала, так и величине образующейся новой поверхности. Это означает, что с уменьшением конечного размера частиц расход энергии резко возрастает. Для снижения затрат энергии на измельчение и дости-жение более высокой дисперсности материала в процессах измель-чения используют эффект Ребиндера -- понижение твердости за счет добавок посторонних веществ, называемых понизителями твердости. В качестве понизителей твердости могут выступать многие электро-литы -- соли и щелочи , поверхностно-активные вещества (щелочные растворы мыла, сульфолигниновые и сульфонафтеновые кислоты, дубильные экстракты).

Явление понижения твердости давно использовалось в практике, например при растирании в ступке твердых веществ (серы, оксида железа, сульфидов металлов) в присутствии некоторых индифферентных соединений: сахара, мочевины и т. п. Работами Ребиндера был раскрыт механизм этого явления, заключающийся в том, что добавляемые вещества адсорбируются в местах дефектов кристаллической решетки твердых тел, например в микротрещинах. Адсорбция веществ-добавок, с одной стороны, вызывает снижение поверхностной энергии, чем облегчается диспергирование, а с другой стороны, приводит к возникновению сил взаимного электростатического отталкивания адсорбционных слоев, расположенных на противоположных стенках микротрещин. В итоге возникает расклинивающий эффект, усиливающий разрушающее воздействие. В результате такого эффекта значительно снижаются внешние энергетические затраты на процесс измельчения. Положительная роль добавок состоит и в том, что их адсорбционные слои препятствуют слипанию вновь образовавшихся частиц.Действие, подобное введению веществ -- понизителей твердости, оказывает и добавка жидкостей. Мокрый помол (там, где он воз-можен) всегда более эффективен, чем сухой. Измельчение материалов ведут с помощью таких механизмов, как машины для предва-рительного дробления и машины для оконча-тельного (тонкого) помола. Для предвари-тельного измельчения используют механизмы разной конструкции изрезывающего, распи-ливающего либо раскалывающего действия. Выбор способа дробления зависит от физи-ческого состояния исходных материалов. Хрупкие материалы легко раскалываются при ударе, для пластических, вязких объек-тов требуется одновременное воздействие удара и истирания и т. д.

В фармацевтическом производстве, где измельчению подверга-ются главным образом растительные сырьевые материалы, исполь-зуют траво- и корнерезки, машины с дисковыми пилами. После ряда стадий дробления получают порошки с размером частиц око-ло 10~ 4 м.

Окончательное измельчение -- порошкование (тонкий помол) ~-- осуществляют с помощью мельниц разной конструкции: вальцовых, дисковых, молотковых, различных дезинтеграторов, струйных из-мельчителей. Для размола многих материалов эффективны шаровые мельницы, в которых сочетается ударное и истирающее действие.

Тонкий и сверхтонкий помол проводят в вибромельницах, кол-лоидных мельницах и т. п. Эти механизмы применяют также для диспергирования твердых материалов и жидкостей в жидкой среде при получении суспензий и эмульсий.

Коллоидная мельница впервые была сконструирована русским инженером К. Плауссоном (1920).

Конструкции коллоидных и других мельниц основаны на системе из статора и ротора, вращающегося с частотой до 20 тыс. об/мин. Поверхности статора и ротора, обращенные друг к другу, снаб-жаются различными ударными элементами -- билами, выступами, прорезями. В других моделях между статором и ротором делается очень узкий зазор, проходя через который под давлением частицы твердого вещества или жидкости испытывают разрывающее усилие и диспергируются, образуя суспензию или эмульсию.

Для повышения дисперсности эмульсий применяют специальные аппараты -- гомогенизаторы. Действие гомогенизаторов основано на продавливании эмульсий под высоким давлением через узкие каналы и щели.

Ультразвуковое диспергирование является примером использо-вания физических методов измельчения. Ультразвуковые волны с частотой от 20 тыс. до 1 млн. колебаний в секунду получают с по-мощью пьезоэлектрического осциллятора. Диспергирующее действие ультразвука связано с тем, что при прохождении звуковой волны в жидкости происходят местные быстро сменяющиеся сжатия и растяжения, которые создают разрывающее усилие и приводят к диспергированию взвешенных частиц. Однако решающую роль играет явление кавитации; при чередовании сжатий и разрежений в жидкости непрерывно образуются и снова спадаются (захло-пываются) пустоты (полости). При спадении полостей местно разви-ваются очень высокие давления. Это вызывает сильные механи-ческие разрушающие усилия, способные диспергировать не только жидкости, но и твердые частицы. Таким путем получают высоко-дисперсные эмульсии и суспензии, в том числе пригодные для внут-ривенного введения. Кроме того, при действии ультразвука на коллоидные растворы, эмульсии, суспензии происходит их стерили-зация, так как кавитация вызывает разрушение тел микроорганиз-мов и их спор.

Хотя методы диспергирования все более совершенствуются, сравнение их с конденсационными методами получения дисперсных систем показывает, что для достижения максимальной дисперсно-сти 1 * 10~ 7 --1 * 10~ 9 м пригодны только методы конденсации. Помимо того, что при методах конденсации получаются более высокодис-персные системы, чем в случае диспергирования, конденсационные методы практически не требуют энергетических затрат. Однако диспергацйонные методы имеют более важное практическое зна-чение.

Физико-химическое диспергирование, или пептизация. Свежий (рыхлый) осадок переводят в золь путем обработки пептизато-рами: раствором электролита, раствором поверхностно-активного вещества или растворителем. Под понятием «свежий» осадок пони-мается осадок рыхлой структуры, между частицами которого имеют-ся прослойки дисперсионной среды независимо от продолжитель-ности существования осадка. Слежавшиеся осадки со слипши-мися частицами не поддаются диспергированию путем пептизации. Фактически пептизация -- это не диспергирование, а дезагрегация имеющихся частиц. Различают три способа пептизации: 1) адсорб-ционная пептизация; 2) диссолюционная (или химическая) пеп-тизация; 3) промывание осадка растворителем (дисперсионной средой).

Выбор способа пептизации определяется условиями получения и свойствами осадка. Результатом пептизации во всех случаях должно быть разобщение частиц и распределение их по всему объему дисперсионной среды. Представим себе, что осадок трудно-растворимого соединения гексациано(П)феррата железа(III) (бер-линской лазури) получен в ходе химической реакции при стехиоме-трическом соотношении реагентов

K 4 +FeCl 3 = KFe +3KC1

В результате реакции образуется рыхлый осадок берлинской лазури KFe, на частицах которого отсутствует двойной электри-ческий слой, так как в системе не имеется ионов, способных к изби-рательной адсорбции на частицах осадка и образованию ДЭС. Для того чтобы произошла пептизация, необходимо создать на поверх-ности частиц осадка электростатические силы отталкивания, кото-рые заставили бы частицы отдалиться друг от друга и равномерно распределиться по всему объему раствора, т. е. образовать золь. Это возможно осуществить путем адсорбционной пептизации, т. е. обработкой осадка раствором электролита, в составе которого есть ион-пептизатор, способный к избирательной адсорбции (в соот-ветствии с правилом Панета--Фаянса). В качестве электролита, имеющего ион-пептизатор, можно взять раствор FeCl-з или K4. В растворе FeCl 3 ионом-пептизатором является ион Fe 3 + , в растворе K4Fe(CN) 6 ион 4 . Каждый из этих ионов может адсорбироваться на кристаллах KFe, достраивая их кристаллическую решетку и образуя слой потенциал-образующих ионов. При этом адсорбция ионов железа придает всем частицам осадка положительный заряд, а адсорбция ионов отрицательный заряд. Но и в том, и в другом случае образуется золь. Строение мицеллы золя можно изобразить схемами:

1. При пептизации раствором FeCI 3 образуется золь КFе зеленого цвета с положительно заряженными частицами

2. При пептизации раствором K 4 образуется золь KFe темно-синего цвета с отрицательно заряженными частицами

Диссолюционная, или химическая, пептизация применяется так-же к осадкам, не имеющим ДЭС на своих частицах, в тех случаях, когда электролит-пептизатор отсутствует в готовом виде. В этом случае осадок на фильтре обрабатывают небольшой порцией реаген-та, растворяющего поверхностный слой зерен осадка, в результате образуется некоторое количество электролита, необходимого для пептизации остальной части осадка. Например, осадок Fe(OH) 3 может быть получен при стехиометрическом соотношении реаген-тов по реакции

Пептизации путем промывания растворителем подвергают осад-ки, которые были получены в присутствии значительного избытка одного из реагентов. В этом случае на частицах осадка имеется двойной электрический слой, но он сильно сжат за счет высокой концентрации электролита. При таком состоянии ДЭС кулоновские силы отталкивания между частицами осадка не проявляются. Для восстановления сил электростатического отталкивания частиц и нормальной структуры ДЭС необходимо понизить концентрацию электролита в осадке. С этой целью осадок на фильтре промывают чистым растворителем или дисперсионной средой. Излишний избы-ток электролита вымывается, и через фильтр начинает проходить устойчивый золь.

Заряды (3x--f~) коллоидных частиц создают силы отталкивания между ними и способствуют переходу осадка в коллоидный раствор. В. Оствальд, изучая процесс пептизации, вывел эмпирически ряд закономерностей, которые названы правилом осадков Оствальда. Он установил, что для пептизации определенной массы осадка необходима вполне определенная оптимальная концентрация с / элект.ролита-пептизатора. Графически это выражается кривой зави-симости доли пептизированного осадка Q от концентрации стаби-лизатора, которая проходит через максимум, соответ-ствующий оптимальному соотношению между массой взятого осадка и концентрацией электролита.

При превышении этой концентрации электролита процесс пепти-зации смещается в сторону обратного процесса -- коагуляции или агрегации частиц, так как избыток электролита сжимает ДЭС на частицах осадка и ухудшает условия дезагрегации. Следует отме-тить, что если пептизатором служит ПАВ, то для него отсутствует такое критическое значение концентрации и повышение содержания ПАВ не вредит пептизации.

С другой стороны, при постоянной концентрации электролита доля пептизированного осадка повышается до максимальной вели-чины при определенном соотношении массы гп" взятого осадка и концентрации электролита. Чрезмерное увеличение массы осадка, внесенного в раствор электролита, ухудшает условия пептизации, в результате чего величина Q уменьшается. Это можно объяснить тем, что имеющегося электролита недостаточно для создания эффективного ДЭС на частицах осадка, взятого в избытке.

Методы очистки коллоидных растворов

При получении коллоидных растворов тем или иным методом, особенно с помощью химических реакций, практически невозможно точно предусмотреть необходимое количественное соотношение реагентов. По этой причине в образовавшихся золях может при-сутствовать чрезмерный избыток электролитов, что снижает устой-чивость коллоидных растворов. Для получения высокоустойчивых систем и для изучения их свойств золи подвергают очистке как от электролитов, так и от всевозможных других низкомолекулярных примесей.

Очистку коллоидных растворов можно проводить либо методом диализа, либо ультрафильтрацией.

Диализ заключается в извлечении из золей низкомолекуляр-ных веществ чистым растворителем с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны), через которую не проходят коллоидные частицы. Периодически или непрерывно сменяя растворитель в при-боре для диализа -- диализаторе, можно практически полностью удалить из коллоидного раствора примеси электро-литов и низкомолекулярных неэлектролитов.

Недостатком метода является большая длительность процесса очистки (недели, месяцы).

Электродиализ -- это процесс диализа, ускоренный путем приме-нения электрического тока. Прибор для его осуществления назы-вают электродиализатором. Простейший электродиали-затор представляет собой сосуд, разделенный двумя мембранами на три камеры. В среднюю камеру наливают подлежащий очистке коллоидный раствор. В боковые камеры помещают электроды от источника постоянного тока и обеспечивают подвод и отвод рас-творителя (воды). Под действием электрического поля происходит перенос катионов из средней камеры в катодную камеру, анионов -- в анодную. Раствор в средней камере может быть в течение корот-кого времени (минуты, часы) очищен от растворенных солей.

Компенсационный диализ и вивидиализ -- методы, разработан-ные для исследования биологических жидкостей, представляющих собой коллоидлые системы. Принцип метода компенсационного диализа состоит в том, что в диализаторе вместо чистого раство-рителя используют растворы определяемых низкомолекулярных веществ различной концентрации. Например, для определения не связанного с белками, т. е. свободного, сахара в сыворотке крови проводят ее диализ против изотонического солевого раствора, содержащего различные концентрации сахара. В том растворе,

К этому методу близок метод вивидиализа (вивидиффузии) для прижизненного определения в крови низкомолекулярных со-ставных частей. Для проведения анализа в концы перерезанного кровеносного сосуда вставляют стеклянные канюли, разветвлен-ные части которых соединены между собой трубками из полупро-ницаемого материала, и всю систему помещают в сосуд, запол-няемый физиологическим раствором соли или водой. Таким путем было найдено, что в крови помимо свободной глюкозы находятся свободные аминокислоты.

Принцип компенсационного вивидиализа был использован при создании аппарата, названного «искусственной почкой». С помощью «искусственной почки» можно очищать кровь от продуктов обмена веществ, временно замещая функцию больной почки при таких показаниях, как острая почечная недостаточность в результате отравлений, при тяжелых ожогах и т. п.

Ультрафильтрация -- фильтрование коллоидного раствора через полупроницаемую мембрану, пропускающую дисперсионную среду с низкомолекулярными примесями и задерживающую частицы дисперсной фазы или макромолекулы. Для ускорения процесса ультрафильтрации ее проводят при перепаде давления по обе сто-роны мембраны: под разрежением (вакуумом) или под повышен-ным давлением. Вакуум создают откачиванием воздуха из распо-ложенного под фильтром сосуда, повышенное давление -- нагне-танием воздуха в сосуд, расположенный над фильтром. Для предот-вращения разрыва мембраны ее помещают на твердую пористую пластинку. Ультрафильтрация позволяет скорее отделить от коллоидного раствора электролиты и другие примеси (низкомолекулярные органические соединения), чем это происходит при диализе. При ультрафильтрации достигают высокой сте-пени очистки золя, периодически раз-бавляя последний водой. На конечной ста-дии путем отсасывания дисперсионной сре-ды можно сконцентрировать коллоидный раствор. Ультрафильтрация может приме-няться в сочетании с электродиализом (электроультрафильтрация), благодаря чему значительно ускоряется удаление со-лей из коллоидного раствора.

Поскольку поры обычной фильтроваль-ной бумаги легко пропускают коллоидные частицы, при ультрафильтрации в каче-стве мембраны применяют специальные фильтры (целлофан, пергамент, асбест, керамические фильтры и т. п.). Примене-ние мембраны с определенным размером пор позволяет разделить коллоидные ча-стицы на фракции по размерам и ориен-тировочно определить эти размеры. Так были найдены размеры некоторых вирусов и бактериофагов. Все это говорит о том, что ультрафильтрация является не только методом очистки коллоид» ных растворов, но может быть использована для целей дисперсион-ного анализа и препаративного разделения дисперсных систем.

Некоторые свойства мембран для диализа и ультрафильтрации

Пористые полупроницаемые мембраны, применяемые для диали-за, электродиализа, ультрафильтрации и осмометрии, как правило, не являются инертными чисто механическими «ситами» для раство-ренных или взвешенных частиц. Роль мембран значительно сложнее и определяется рядом их свойств. Так, проницаемость мембраны может быть обусловлена не столько наличием в ней пор и капил-ляров, сколько растворением переносимых через нее веществ в самом веществе мембраны. Такой механизм проницаемости назы-вают фазовым или гомогенным. Особенно сильно этот механизм проницаемости проявляется в тонкопористых медленно фильтрую-щих материалах.

Еще одним свойством мембран является их способность заря-жаться при контакте с жидкостями. Заряд мембраны возникает теми же путями, что и заряд любой твердой поверхности: либо в результате диссоциации вещества мембраны, либо за счет адсорбции ионов из раствора. В зависимости от природы материала мем-брана может иметь положительный или отрицательный заряд. Отрицательно заряжающиеся мембраны распространены значитель-но больше, чем положительно заряжающиеся. К веществам, обра-зующим отрицательно заряженные мембраны, относятся целлюлоза, пергамент, керамические материалы, асбест. Положительно заря-женные мембраны можно получить из дубленого желатина, кожи, специально обработанной бумаги. Следует иметь в виду, что заряд белковых мембран зависит от рН среды: при концентрации ионов Н + большей, чем в изоэлектрической точке белка, мембрана заряжена положительно, в среде более щелочной -- отрицательно. Заряд мембран существенно влияет на скорость диффузии ионов через них. Мембраны, положительно заряженные хорошо проницаемы для анионов и мало проницаемы для катионов; и, наоборот, мембра-ны, имеющие отрицательный заряд, лучше проницаемы для катио-нов. Поэтому целесообразно использовать мембраны из разных материалов для катодной и анодной камер электродиализатора: катодную мембрану следует делать из отрицательно заряжаю-щихся материалов, анодную -- из положительно заряжающихся материалов. В таких мембранах изменяются числа переноса ионов, поэтому их называют электрохимически активными. Электрохи-мической активностью обладают ткани живых организмов, являю-щиеся, по существу, полупроницаемыми мембранами. На этом свойстве тканей основан такой метод лечения, как ионофорез -- введение лекарственных веществ в организм больного через кожу. Мембраны, не влияющие на числа переноса ионов, называют электрохимически неактивными. В производственных условиях они имеют наиболее широкое применение.

Список литературы:

Лайтинен Г. А., Харрис В. Е. Химический анализ. -- М.: Химия, 1979.

Петере Д., Хайес Дж., Хифтье Г. Химическое разделение и измере-ние. Теория и практика аналитической химии. -- М.: Химия, 1978. Т. 1, 2.

Васильев В. П. Термодинамические свойства растворов электроли-тов. -- М.: Высшая школа, 1982.

Подобные документы

Классификация дисперсных систем. Основные факторы устойчивости коллоидных растворов. Методы их получения (диспергирование, конденсация) и очистки (диализ, ультрафильтрация). Мицеллярная теория строения коллоидных частиц. Коагуляция смесями электролитов.

презентация , добавлен 28.11.2013


Коллоидная химия как наука, изучающая физико-химические свойства гетерогенных, высоко-дисперсных систем и высоко-молекулярных соединений. Производство и методы очищения коллоидных растворов. Применение гелей в пищевой промышленности, косметике и медицине.

презентация , добавлен 26.01.2015


Сущность и определяющие признаки коллоидных систем. Основные свойства и строение растворов такого типа. Характеристика эффекта Тиндаля. Различия гидрозолей и органозолей. Способы образования коллоидных систем, специфические свойства, сфера применения.

презентация , добавлен 22.05.2014


Способы получения коллоидных систем; факторы, влияющие на скорость отдельных стадий процесса, правила коагуляциии. Астабилизирующее действие низкомолекулярных примесей в коллоидных растворах, методы их удаления: диализ, электродиализ и ультрафильтрация.

презентация , добавлен 17.09.2013


Особенности получения коллоидных систем. Теоретический анализ процессов формирования кварцевых стекол золь-гель методом. Получение золь-коллоидных систем по "гибридному" методу. Характеристика свойств квантовых стекол, активированных ионами европия.

курсовая работа , добавлен 14.02.2010


Первые практические сведения о коллоидах. Свойства гетерогенных смесей. Соотношение между поверхностью коллоидной частицы и объемом коллоидной частицы. Своеобразие дисперсных систем. Особенности коллоидных растворов. Классификация дисперсных систем.

презентация , добавлен 17.08.2015


Коллоидные растворы (золи), как высокодисперсные коллоидные системы жидкой или газообразной дисперсионной средой. Гели или студни. Строение и свойства коллоидных мицелл. Эффект Тиндаля. Процесс коагуляции. Параметры устойчивости коллоидных растворов.

презентация , добавлен 15.09.2013


Взаимодействие двойных электрических слоев и коллоидных систем. Уравнение Пуассона-Болъцмана. Контактная теорема и осмотическое давления. Добавление соли и "приближение слабого перекрывания". Ван дер Ваальсовы взаимодействия и константа Гамакера.

контрольная работа , добавлен 06.09.2009


Получение лиофобных коллоидных систем, ее оптические свойства. Определение поверхностного натяжения растворов ПАВ и межфазного натяжения на границе двух несмешивающихся жидкостей сталагмометрическим методом. Коллоидная защита золей растворами ВМС.

реферат , добавлен 15.02.2016


Исследование методов электромембранной технологии: электродиализа и электролиза. Анализ освобождения коллоидных растворов от растворённых в них низкомолекулярных соединений при помощи полупроницаемой мембраны. Обзор морфологии и классификации мембран.

– Коллоидные растворы. Методы получения – Агрегативная устойчивость и коагуляция золей – Электрокинетические явления – Седиментация золей – Очистка коллоидов. Оптические свойства золей

4.2.6 Очистка коллоидных систем

Некоторые молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем используют для очистки золей от электролитов и молекулярных примесей, которыми полученные золи часто бывают загрязнены. Наиболее распространенными методами очистки коллоидных систем являются диализ , электродиализ и ультрафильтрация , основанные на свойстве некоторых материалов – т.н. полупроницаемых мембран (коллодия, пергамента, целлофана и т.п.) – пропускать ионы и молекулы небольших размеров и задерживать коллоидные частицы. Все полупроницаемые мембраны представляют собой пористые тела, и непроницаемость их для коллоидных частиц обусловлена тем, что коэффициент диффузии для коллоидных частиц значительно (на несколько порядков) меньше, чем для ионов и молекул, имеющих намного меньшие массу и размеры.

Прибор для очистки золей методом диализа называется диализатором; простейший диализатор представляет собой сосуд, нижнее отверстие которого затянуто полупроницаемой мембраной (рис. 4.17). Золь наливают в сосуд и помещают последний в ёмкость с дистиллированной водой (обычно проточной); ионы и молекулы примесей диффундируют через мембрану в растворитель.

Диализ является очень медленным процессом; для более быстрой и полной очистки золей применяют электродиализ. Электродиализатор состоит из трех частей; в среднюю часть, отделенную от двух других полупроницаемыми мембранами, за которыми помещены электроды, наливается золь (рис. 4.18). При подключении к электродам разности потенциалов катионы содержащихся в золе электролитов диффундируют через мембрану к катоду, анионы – к аноду. Преимущество электродиализа заключается в возможности удаления даже следов электролитов (необходимо помнить, что степень очистки ограничивается устойчивостью коллоидных частиц; удаление из золя ионов-стабилизаторов приведет к коагуляции ).

Еще одним методом очистки золей является ультрафильтрация – отделение дисперсной фазы от дисперсионной среды путем фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны. При ультрафильтрации коллоидные частицы остаются на фильтре (мембране).

4.2.7 Оптические свойства коллоидных систем

Особые оптические свойства коллоидных растворов обусловлены их главными особенностями: дисперсностью и гетерогенностью . На оптические свойства дисперсных систем в значительной степени влияют размер и форма частиц. Прохождение света через коллоидный раствор сопровождается такими явлениями, как поглощение, отражение, преломление и рассеяние света. Преобладание какого-либо из этих явлений определяется соотношением между размером частиц дисперсной фазы и длиной волны падающего света. В грубодисперсных системах в основном наблюдается отражение света от поверхности частиц. В коллоидных растворах размеры частиц сравнимы с длиной волны видимого света, что предопределяет рассеяние света за счёт дифракции световых волн.

Светорассеяние в коллоидных растворах проявляется в виде опалесценции – матового свечения (обычно голубоватых оттенков), которое хорошо заметно на тёмном фоне при боковом освещении золя. Причиной опалесценции является рассеяние света на коллоидных частицах за счёт дифракции. С опалесценцией связано характерное для коллоидных систем явление – эффект Тиндаля : при пропускании пучка света через коллоидный раствор с направлений, перпендикулярных лучу, наблюдается образование в растворе светящегося конуса.

Процесс дифракционного светорассеяния на частицах, размер которых значительно меньше длины волны описывается уравнением Рэлея , связывающим интенсивность рассеянного единицей объёма света I с числом частиц в единице объёма ν , объёмом частицы V, длиной волны λ и амплитудой А падающего излучения и показателями преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды n 1 и n 2 соответственно:

(IV.24)

Из уравнения (IV.18) видно, что, чем меньше длина волны падающего излучения, тем больше будет рассеяние. Следовательно, если на частицу падает белый свет, наибольшее рассеивание рассеяние будут испытывать синие и фиолетовые компоненты. Поэтому в проходящем свете коллоидный раствор будет окрашен в красноватый цвет, а в боковом, отраженном – в голубой.

На сравнении интенсивности светорассеяния золей, один из которых имеет известную концентрацию (степень дисперсности), основан метод определения концентрации либо степени дисперсности золя, называемый нефелометрией. На использовании эффекта Тиндаля основывается ультрамикроскоп – прибор, позволяющий наблюдать коллоидные частицы размером более 3 нанометров в рассеянном свете (в обычном микроскопе можно наблюдать частицы с радиусом не менее 200 нм из-за ограничений, связанных с разрешающей способностью оптики).

Copyright © С. И. Левченков, 1996 - 2005.

Конденсационные: химические методы – любые химические реакции, в которых можно получить труднорастворимые соединения (золи) – реакции гидролиза, обмена, восстановления; физические методы: -замена растворителя – раствор вещества прибавляют по-немногу к жидкости, которая хорошо смешивается с растворителем, но не смешивается с растворенным веществом, которое и выделяется в виде высокодисперсной фазы, -конденсация паров – стойкие золи образуются в результате пропускания паров металла в жидкость через вольтову дугу – метод Бредига.

Методы диспергирования : механические – осуществляется под действием внешней механической работы. Для повышения эффективности проводят в жидкой среде. Жидкости (растворы ПАВ, электролитов), смачивающие твердое тело, адсорбируются на нем и снижают прочность при механической обработке – эффект Ребиндера.

Физические (электрические, ультразвуковые) методы – при прохождении тока или ультразвуковых колебаний в жидкости происходит быстро сменяющиеся сжатия и растяжения, которые создают разрывающие усилия и разрушают частицы.

Физико-химическое диспергирование – процесс дезагрегации частиц. Свежий осадок (рыхлый) переводят в золь путем обработки пептизаторами: растворами электролита, ПАВ или растворителем. Способы пептизации: адсорбирующая пептизация, диссолюционная (химическая) пептизация, промывание осадка растворителем.

Свойства коллоидных систем:

1) Молекулярно-кинетические свойства: броуновское движение, диффузия, осмотическое давление

2) Оптические свойства дисперсных систем: дисперсность, гетерогенность; поглощение, отражение, рассеяние

3) Электрические свойства дисперсных систем: прямые – электроосмос, электрофорез, обратные – потенциал протекания, потенциал седиментации

Коагуляция коллоидных растворов. Факторы, снижающие устойчивость коллоидов. Правило Щульца-Гарди. Порог коагуляции. Коагулирующая способность.

Коагуляция - процесс слипания частиц, образования более крупных агрегатов, в результате чего система теряет седиментационную устойчивость, происходит разделение фаз и дисперсная система разрушается.

Практически коагуляцию можно вызвать различными воздействиями: добавлением небольших количеств электролита, концентрированием коллоидного раствора, изменением температуры, действием ультразвука, электромагнитного поля и др. Коагуляцию коллоидного раствора может вызвать любой электролит. Однако для каждого электролита необходима своя минимальная концентрация, называемая порогом коагуляции (С пк) .

Порогом коагуляции называется минимальное количество электролита, которое надо добавить к коллоидному раствору, чтобы вызвать явную коагуляцию (заметную на глаз)- помутнение раствора или изменение окраски.

, (ммоль/л) (1)

где С эл – исходная концентрация раствора электролита, моль/л; V эл – объем раствора электролита, добавленного к коллоидному раствору, мл; V кр – объем коллоидного раствора, мл.

Величина, обратная порогу коагуляции, называется коагулирующим действием (γ):

γ = 1/C пк (2)

Коагулирующее действие электролитов на коллоидные растворы с ионным стабилизатором подчиняется правилу Шульце-Гарди:

Коагуляцию коллоидных растворов вызывают любые ионы, которые имеют знак заряда, противоположный заряду гранул. Коагулирующее действие ионов тем сильнее, чем выше заряд иона-коагулянта.

Коагулирующее действие иона-коагулянта прямо пропорционально его заряду в шестой степени: γ = f(z 6).

Явление коагуляции лежит в основе многих патологических процессов в организме. Например, коагуляция коллоидных растворов фосфата кальция и холестерина в крови приводит к образованию осадков и отложению их на внутренней поверхности кровеносных сосудов (склеротические изменения сосудов).

Свойства растворов ВМС. Биологическая роль онкотического давления.

Нарушение устойчивости растворов ВМС. Высаливание. Денатурация.

Коллоидная защита.

Коллоидная защита - предохранение коллоидных растворов от коагуляции и, следовательно, повышение их устойчивости добавлением небольших количеств высокомолекулярных веществ (белков, крахмала, агар-агара и др.), так называемых защитных веществ. Коллоидная защиту используют при изготовлении устойчивых коллоидных препаратов серебра (колларгол), ртути, серы и других, применяемых в медицине.

Так как коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами, то их можно получать двумя различными путями: из грубодисперсных систем путем дробления – это методы диспергирования ; или из истинных растворов в результате объединения атомов и молекул в агрегаты коллоидной степени дисперсности – методы конденсации .

Методы диспергирования

Механическое измельчение - заключается в энергичном и длительном растирании, размалывании или распылении дисперсной фазы и смешивании его с дисперсионной средой. Для устойчивости образующегося золя добавляется стабилизатор. Дробление осуществляют с помощью коллоидных мельниц, вальцов, ступок и т.п.

Электрическое диспергирование – состоит в получении золей металлов при контакте двух металлических электродов при пропускании через них тока силой 5 – 10 Аи напряжением на электродах 100 В. В области возникшей дуги отрываются частицы от электродов, поступают в среду и образуют золь. Так получают гидрозоли серебра, платины, золота. Их используют в медицине как антисептические лекарственные вещества.

Диспергирование ультразвуком – используют для дробления непрочных веществ с помощью ультразвуковых колебаний с частотой выше 20000 Гц.

Пептизация – переход в коллоидный раствор осадков под влиянием дисперсионной среды, содержащей пептизатор . Пептизации поддаются только свежие осадки, они легко переходят в золь, а старые, как правило, не пептизируются. Пептизацию можно наблюдать при "восстановлении" сухого молока, где пептизатором является белок.

Конденсационные методы

Метод замены растворителя (физическая конденсация ) – основан на замене одного растворителя другим. Если истинный раствор поваренной соли в этиловом спирте по каплям добавлять в эфир, то образуется золь поваренной соли в эфире. При этом ионы Na + и Cl־ образуют коллоидные частицы из-за плохой растворимости хлорида натрия в эфире.

Метод химической конденсации сводится к образованию молекул нерастворимых веществ с последующей их конденсацией до размеров коллоидных частиц. При этом могут использоваться реакции обмена, гидролиза, окисления – восстановления.

После получения золей коллоидных растворов их необходимо очищать от электролитов, которые понижают их устойчивость и мешают изучению их свойств.

Вопрос

Методы очистки коллоидных систем: диализ, электродиализ, ультрафильтрация

Очистку золей проводят методом диализа , а используемые для этого устройства называют диализаторами . В них имеется полупроницаемая перегородка, через которую проходят ионы и молекулы низкомолекулярных веществ, но задерживаются крупные по размеру коллоидные частицы. Для ускорения этого процесса применяют электрическое поле и устройства называются электродиализаторами . Диализ применяют для очистки пищевого желатина, клея, красителей, целлюлозы, для удаления солей из молочной сыворотки с целью сохранения в ней лактозы и протеинов. Диализ наблюдается при вымачивании соленого мяса и рыбы.

Метод отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды фильтрованием коллоидных растворов через полупроницаемые мембраны называетсяультрафильтрацией . Для этих целей используют также центрифуги и ультрацентрифуги. Центрифугирование, например, применяется для сепарирования молока, отделения мелкокристаллических осадков и т.п.

Удаление из коллоидных растворов низкомолекулярных примесей, которые часто обладают астабилизирующим действием, может быть осуществлено с помощью диализа, электродиализа и ультрафильтрации.

Диализ – самый простой метод очистки коллоидных систем. Простейший диализатор представляет собой мешочек из полупроницаемого материала, в который заливается диализируемая жидкость. Мешочек опускается в сосуд с водой. При диализе растворенное кристаллическое вещество проходит через мембрану, а коллоидные частицы, неспособные проникать через полупроницаемую перегородку, остаются в виде очищенного коллоидного раствора. Природа перегородки может быть различной (бычий пузырь, пергамент, коллодий, целлофан и др.)

Электродиализ – усложненный вариант диализа. Если примеси являются электролитами, их переход через перегородку может быть ускорен путем наложения на диализируемую жидкость электрического поля. Электродиализ целесообразен при небольших концентрациях примесей в коллоидном растворе (при больших концентрациях происходит сильный разогрев золя).

Ультрафильтрация – диализ, проводимый под давлением. Ультрафильтрация чаще используется не для очистки коллоидных растворов, а для их концентрирования. При ультрафильтрации происходит лишь повышение концентрации дисперсной фазы, а состав дисперсионной среды остается практически постоянным. Однако если после частичной ультрафильтрации полученный золь разбавить чистым растворителем до прежнего содержания дисперсной фазы, он будет содержать меньше низкомолекулярных продуктов.

Похожая информация.