Получение и способы очистки коллоидных систем. Способы получения и очистки коллоидных растворов. Свойства коллоидных систем 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 присутствовать чрезмерный избыток электролитов, что снижает устойчивость коллоидных растворов. Для получения высокоустойчивых систем и для изучения их свойств золи подвергаются очистке как от электролитов, так и от всевозможных других низкомолекулярных примесей
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 очистки золей методом диализа называется диализатором; простейший диализатор представляет собой сосуд, нижнее отверстие которого затянуто полупроницаемой мембраной (рис.6) 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).
Золи и растворы высокомолекулярных соединений (ВМС) содержат в виде нежелательных примесей низкомолекулярные соединения. Их удаляют следующими методами.
Диализ. Диализ был исторически первым методом очистки. Его предложил Т. Грэм (1861). Схема простейшего диализатора показана на рис. 3 (смотри приложение). Очищаемый золь, или раствор ВМС, заливают в сосуд, дном которого служит мембрана, задерживающая коллоидные частицы или макромолекулы и пропускающая молекулы растворителя и низкомолекулярные примеси. Внешней средой, контактирующей с мембраной, является растворитель. Низкомолекулярные примеси, концентрация которых в золе или макромолекулярном растворе выше, переходят сквозь мембрану во внешнюю среду (диализат). На рисунке направление потока низкомолекулярных примесей показано стрелками. Очистка идет до тех пор, пока концентрации примесей в золе и диализате не станут близкими по величине (точнее, пока не выравняются химические потенциалы в золе и диализате). Если обновлять растворитель, то можно практически полностью избавиться от примесей. Такое использование диализа целесообразно, когда цель очистки – удаление всех низкомолекулярных веществ, проходящих сквозь мембрану. Однако в ряде случаев задача может оказаться сложнее – необходимо освободиться только от определенной части низкомолекулярных соединений в системе. Тогда в качестве внешней среды применяют раствор тех веществ, которые необходимо сохранить в системе. Именно такая задача ставится при очистке крови от низкомолекулярных шлаков и токсинов (солей, мочевины и т.п.).
Ультрафильтрация. Ультрафильтрация – метод очистки путем продавливания дисперсионной среды вместе с низкомолекулярными примесями через ультрафильтры. Ультрафильтрами служат мембраны того же типа, что и для диализа.
Простейшая установка для очистки ультрафильтрацией показана на рис. 4 (смотри приложение). В мешочек из ультрафильтра наливают очищаемый золь или раствор ВМС. К золю прилагают избыточное по сравнению с атмосферным давление. Его можно создать либо с помощью внешнего источника (баллон со сжатым воздухом, компрессор и т. п.), либо большим столбом жидкости. Дисперсионную среду обновляют, добавляя к золю чистый растворитель. Чтобы скорость очистки была достаточно высокой, обновление проводят по возможности быстро. Это достигается применением значительных избыточных давлений. Чтобы мембрана могла выдержать такие нагрузки, ее наносят на механическую опору. Такой опорой служат сетки и пластинки с отверстиями, стеклянные и керамические фильтры.
Микрофильтрация. Микрофильтрацией называется отделение с помощью фильтров микрочастиц размером от 0,1 до 10 мкм. Производительность микрофильтрата определяется пористостью и толщиной мембраны. Для оценки пористости, т. е. отношения площади пор к общей площади фильтра, используют разнообразные методы: продавливание жидкостей и газов, измерение электрической проводимости мембран, продавливание систем, содержащих калиброванные частицы дисперсионной фазы, и пр.
Микропористые фильтры изготовляют из неорганических веществ и полимеров. Спеканием порошков можно получить мембраны из фарфора, металлов и сплавов. Полимерные мембраны для микрофильтрования чаще всего изготовляют из целлюлозы и ее производных.
Электродиализ. Очистку от электролитов можно ускорить, применяя налагаемую извне разность потенциалов. Такой метод очистки называется электродиализом. Его использование для очистки различных систем с биологическими объектами (растворы белков, сыворотка крови и пр.) началось в результате успешных работ Доре (1910). Устройство простейшего электродиализатора показано на рис. 5(смотри приложение). Очищаемый объект (золь, раствор ВМС) помещают в среднюю камеру 1, а в две боковые камеры наливают среду. В катодную 3 и анодную 5 камеры ионы проходят сквозь поры в мембранах под действием приложенного электрического напряжения.
Электродиализом наиболее целесообразно очищать тогда, когда можно применять высокие электрические напряжения. В большинстве случаев на начальной стадии очистки системы содержат много растворенных солей, и их электрическая проводимость высока. Поэтому при высоком напряжении может выделяться значительное количество теплоты, и в системах с белками или другими биологическими компонентами могут произойти необратимые изменения. Следовательно, электродиализ рационально использовать как завершающий метод очистки, применив предварительно диализ.
Комбинированные методы очистки. Помимо индивидуальных методов очистки – ультрафильтрации и электродиализа – известна их комбинация: электроультрафильтрация, применяемая для очистки и разделения белков.
Очистить и одновременно повысить концентрацию золя или раствора ВМС можно с помощью метода, называемого электродекантацией. Метод предложен В. Паули. Электродекантация происходит при работе электродиализатора без перемешивания. Частицы золя или макромолекулы обладают собственным зарядом и под действием электрического поля перемещаются в направлении одного из электродов. Так как они не могут пройти через мембрану, то их концентрация у одной из мембран возрастает. Как правило, плотность частиц отличается от плотности среды. Поэтому в месте концентрирования золя плотность системы отличается от среднего значения (обычно с ростом концентрации растет плотность). Концентрированный золь стекает на дно электродиализатора, и в камере возникает циркуляция, продолжающаяся до практически полного удаления частиц.
Коллоидные растворы и, в частности, растворы лиофобных коллоидов, очищенные и стабилизированные могут, несмотря на термодинамическую неустойчивость, существовать неопределенно долгое время. Растворы красного золя золота, приготовленные Фарадеем, до сих пор не подверглись никаким видимым изменениям. Эти данные позволяют считать, что коллоидные системы могут находиться в метастабильном равновесии.
| |
– 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.
После того, как коллоидные растворы получены, они почти всегда загрязнены примесями – избытком исходного электролита или стабилизатора. Для получения устойчивых коллоидных растворов, способных к длительному хранению, пригодных для медицинского использования вакцин и сывороток, их очищают. Для этого используют фильтрацию, диализ, электродиализ и ультрафильтрацию.
Фильтрация через бумажные фильтры – это очистка от грубодисперсных примесей.
Диализ - это процесс очистки золя от низкомолекулярных примесей, которые легко проходят через полупроницаемую мембрану в чистый растворитель, а более крупные коллоидные частицы не проходят и остаются в диализном мешке (Рис 2.3а). Мембраны бывают естественные и искусственные – из целлофана, бычьего или рыбьего пузыря, коллодия и т.д. Процесс диализа длительный, поэтому его ускоряют, используют элекродиализ.
Электродиализ – диализ с применением электрического тока, с помощью которого создаётся направленное движение низкомолекулярных ионов через полупроницаемую мембрану, что ускоряет очистку от низкомолекулярных электролитов и примесей (Рис. 2.3б).
Ультрафильтрация (отделение дисперсной фазы от среды) – это фильтрование через полупроницаемую мембрану под давлением или с помощью вакуума, в результате чего создается разность давлений по обе стороны мембраны, что ускоряет диализ. Ультрафильтрация и электродиализ применяются в аппарате «искусственная почка». В организме по принципу ультрафильтрации в почечных нефронах происходит постоянная очистка крови от низкомолекулярных продуктов метаболизма (аммиака, фосфатов, хлоридов, ксенобиотиков).
Рис. 2.3 Очистка коллоидных растворов
1 - растворитель (вода)
2 –коллоидный раствор
3 - мембрана
а. Диализ б. Электродиализ 4 – электроды
2.4. Строение коллоидных частиц – мицелл.
Отдельные частицы коллоидных растворов называют мицеллами . Мицеллы имеют сложное строение. Основой мицеллярной теории является наличие у мицелл двойного электрического слоя. Он может образоваться:
– либо за счёт избирательной адсорбции ионов на поверхности;
– либо в результате ионизации молекул твёрдой фазы.
Рассмотрим образование мицелл в коллоидном растворе иодида серебра, полученном методом химической конденсации по реакции обмена: AgNO 3 + KJ = AgJ↓ + KNO 3
В зависимости от соотношения исходных веществ может быть три случая:
а) при эквивалентом соотношении реагентов коллоидный раствор образоваться не может, стабилизация системы происходит за счет уменьшения площади поверхности, т.е. роста кристаллов AgJ и выпадения осадка.
б) рассмотрим образование мицеллы при небольшом избытке KJ . В этом случае уменьшение поверхностной энергии может идти за счёт адсорбции ионов из раствора. Согласно правилу Панета – Фаянса из раствора электролита на поверхности микрокристаллов адсорбируется тот ион, который входит в состав твёрдого тела и способен достраивать его кристаллическую решётку. В нашем случае в растворе имеются ионы К + и J - . Достраивание кристаллической решётки агрегата идет за счёт ионов J – , входящих в состав кристалла. Иодид-ионы в количестве «n» адсорбируются на поверхности микрокристаллов (агрегате мицеллы), и поверхность приобретает отрицательный заряд: m · nJ - , поэтому их называют потенциалоообразующими. Образуется ядро мицеллы. К поверхности ядра притягиваются из раствора оставшиеся противоионы калия, К + (но не все, а в количестве «n - x»).
Потенциалообразующие ионы J - и связанные противоионы К + образуют вокруг ядра плотный адсорбционный слой. Он имеет заряд. Его потенциал называют дзета-потенциалом. Агрегат с адсорбционным слоем составляют гранулу : { m nJ - (n-х) К + } х-
Поскольку в адсорбционном слое потенциалообразующих ионов больше, чем противоионов, то гранула имеет заряд, совпадающий по знаку с зарядом потенциалообразующих ионов.
В адсорбционный слой гранулы входят не все противоионы К + , а только часть, (n-x), а оставшиеся противоионы К + (х) находятся дальше – в рыхлом диффузном слое . Почему? Противоионы испытывают действие двух противоположных сил:
1. притяжения к заряженной поверхности ядра;
2. теплового движения, стремящегося равномерно распределить их в объёме.
Поэтому плотность слоя противоионов убывает по мере удаления от заряженной поверхности гранулы.
двойной электрический слой, ДЭС
{ m nJ - (n-х) К + } х- хК + ∙ l H 2 O
ядро потенциало противоионы рыхлый гидратная
образующие диффузный оболочка
Ионы слой
плотный адсорбционный слой
Гранула с диффузным слоем образует мицеллу . Мицелла электронейтральна. В зависимости от исходных концентраций растворов, условий и других факторов числа m, n и х могут меняться. Снаружи мицелла окружена гидратной оболочкой. Избыток KJ адсорбировался на поверхности микрокристаллов нерастворимого иодида серебра и образовал двойной электрический слой (ДЭС ). Этот защитный слой препятствует росту кристаллов и выпадению осадка. Поэтому избыток электролита, из которого формируется двойной электрический слой, является стабилизатором.
в) если имеется небольшой избыток другого электролита, AgNO 3 , то состав коллоидной мицеллы будет другим. Агрегат по-прежнему будут составлять молекулы иодида серебра, AgJ. Но после образования мелких кристалликов осадка AgJ – зародышей, в растворе остались лишь ионы Ag + и NO 3 - . По правилу Панета-Фаянса адсорбироваться на поверхности могут только ионы Ag + , достраивающие ее кристаллическую решётку.
Ag + - потенциалообразующие ионы. Образуется ядро - mnAg + . Значит, противоионами будут ионы NO 3 - . Вместе с ионами Ag + они образуют адсорбционный слой, а с агрегатом – положительно заряженную гранулу:
{ m nAg + (n-х) NO 3 - } х +
Оставшиеся х ионов NO 3 - входят в диффузный слой мицеллы. Они сольватированы
{ m nAg + (n-х) NO 3 - } х+ хNO 3 - l H 2 O
Рис.2.4 Схема строения коллоидной мицеллы золя иодида серебра
а) полученного при избытке KJ
б) полученного при избытке AgNO 3
2.5. Электрокинетические явления в золях – электрофорез и электроосмос
Хотя мицелла и не заряжена, но если её поместить в электрическое поле, то ионы рыхлого диффузного слоя будут отрываться и перемещаться к электроду с противоположным знаком, а заряженная гранула – к другому электроду.
Движение твёрдой дисперсной фазы относительно неподвижной дисперсионной среды в электрическом поле называется электрофорезом .
Так, при электрофорезе золя иодида серебра, стабилизированного KJ, катионы рыхлого диффузного слоя отрываются и мигируют к катоду («–» электроду), а отрицательно заряженная гранула перемещается к аноду («+» электроду).
Перемещение жидкой среды относительно твердой дисперсной фазы под действием электрического поля называется электроосмосом . Впервые эти явлениия наблюдал в 1808 г. Ф.Ф. Рейс.
Эти электрокинетические явления не могли бы наблюдаться, если бы не было двойного электрического слоя в составе мицеллы.
Если все ионы диффузного слоя перейдут в адсорбционный слой, тогда в плотном адсорбционном слое заряд противоионов будет равен заряду потенциалообразующих ионов, и гранула не будет иметь заряда. Такое состояние коллоидного раствора называется изоэлектрическим – ИЭС. Это состояние коллоидной системы наименее устойчивое.
Электрофорез и электроосмос широко используют на практике для:
– разделения белков, α- аминокислот, нуклеиновых кислот, антибиотиков;
– нанесения коллоидных частиц каучука или красок на металлические поверхности;
– обезвоживания пористых материалов;
– диагностики многих заболеваний;
Приготовленные золи необходимо очищать от содержащихся в них примесей электролитов. Электролиты понижают устойчивость золи и мешают изучению его свойств. Для очистки золей от примесей электролитов применяют несколько методов: диализ, электродиализ, ультрафильтрация, электроультрафильтрация, ультрацентрифу-гирование.
Диализ осуществляется в специальных установках – диализаторах, имеющих полупроницаемые мембраны , через которые свободно проходят ионы и молекулы дисперсионной среды, но задерживаются более крупные по размеру коллоидные частицы. Коллоидная система контактирует через полупроницаемую мембрану с растворителем, при этом происходит диффузия ионов через мембрану в растворитель. Периодически меняя растворитель, можно добиться достаточно глубокой очистки коллоидной системы. Диализ протекает очень медленно. Процесс ускоряется под действием электрического поля и применения проточной воды. Подобные усовершенствованные установки называются электродиализаторами.
Ультрафильтрацию проводят через полупроницаемые мембраны под давлением или создают разряжение для ее ускорения. При этом дисперсная фаза остается на фильтре, а дисперсионная среда с ионами образует фильтрат. Дисперсную фазу вновь можно перевести в другую чистую дисперсионную среду и получить очищенный золь. Ультрафильтрацию можно комбинировать с электродиализом. Этот комбинированный метод очистки получил название элек-троультрафильтрация.
Отделение дисперсной фазы от дисперсионной среды, содер-жащей примеси ионов, можно осуществлять в ультрацентрифугах , ротор которых вращается со скоростью 60000 об/мин и выше. Кювета содержит всего 0,5 мл коллоидного раствора. После осаждения дисперсионную среду осторожно удаляют из кюветы и вносят в нее чистую дисперсионную среду. В современных ультрацентрифугах оседают не только частицы лиофобных золей, но и молекулы белков и другие высокомолекулярные вещества.
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ
Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем связаны с движением частиц дисперсной фазы. Наиболее важными свойствами являются броуновское движения, диффузия, осмос и мембранное равновесие Доннана.
БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
Броуновское движение – это беспорядочное, непрекращающееся движение частиц дисперсной фазы, вызываемое тепловым движе-нием молекул дисперсионной среды. Оно впервые описано английским ботаником Р.Броуном (1827).
Интенсивность броуновского движения зависит только от температуры, вязкости среды и от размеров частиц. А.Эйнштейном и М.Смолуховским предложено уравнение для определения среднего значения среднеквадратичного смещения шарообразной частицы в определенном, но произвольно выбранном направлении:
= 
t,
где R Т – температура золя, К; – вязкость дисперсионной среды; r – радиус частицы; N А – число Авогадро; t – время наблюдения.
Вследствие беспорядочности движения необходимо усреднять не сами смещения или их проекции, а квадраты этих величин, так как смещения одинаковой величины, но противоположные по знаку, равновероятны и при усреднении дают нуль.
ДИФФУЗИЯ
Диффузия – это самопроизвольный процесс переноса вещества в объеме, приводящий к установлению равновесного распределения концентраций в результате беспорядочного теплового движения частиц дисперсной фазы. Диффузия заканчивается с достижением равномерного распределения частиц по объему. Следовательно, она возможна только в системах, где имеется градиент концентрации. Процесс диффузии подчиняется закону Фика, который описывается следующим математическим уравнением:
dm = –D 
,
где dm – масса переместившегося вещества; S – площадь сечения, через которое идет диффузия; dt – время; dC/dx – градиент концентрации в направлении переноса вещества; D – коэффициент диффузии.
Коэффициент диффузии для шарообразных частиц определяется соотношением:
где k – постоянная Больцмана; Т – температура; – вязкость среды; r – радиус частицы.
Из последней формулы видно, что коэффициент диффузии, характеризующий скорость диффузии, обратно пропорционален размеру диффундирующих частиц. По этой причине скорость диффузии коллоидных частиц в сотни и тысячи раз меньше, чем скорость диф-фузии в молекулярно (ионно)-дисперсных системах. Определив величину D опытным путем, из формулы для коэффициента диффузии можно найти размер коллоидных частиц.
Диффузия играет важную роль во многих технологических процессах: дублении кожи, выделке меха, крашении тканей и другие. Подчеркивая роль процесса диффузии, коллоидный раствор, образующийся после извлечения сахарозы из сахарной свеклы, называют диффузионным соком .
ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ
В коллоидных системах, как и в молекулярно-дисперсных системах, наблюдается явление осмоса. Однако оно менее выражено в коллоидных системах. Например, осмотическое давление 1%-ного раствора сахарозы достигает 6,4∙10 4 Па, а осмотическое давление 1%-ного золя As 2 S 3 при той же температуре составляет всего3,5 Па.
Осмотическое давление в коллоидных системах вычисляется по уравнению:
Р осм = 
,
где – число коллоидных частиц в объеме V ; N А – число Авогадро (N А =6,02∙10 23); R – универсальная газовая постоянная; Т – темпера-тура коллоидной системы. Отношение /(VN А) дает молярную концентрацию коллоидных частиц в системе.
Небольшое осмотическое давление коллоидных систем позволяет провести процессы очистки различных растворов от содержания в них коллоидных частиц методом обратного осмоса. При этом к растворам, содержащим коллоидные частицы, прилагается внешнее давление, которое выше осмотического давления, вычисленного по приведенному выше уравнению. Дисперсионная среда проходит через полупроницаемую мембрану в другую ее сторону, очищаясь от коллоидных частиц.
Обратный осмос используют и в случае, когда необходимо концентрировать коллоидный раствор путем удаления из него растворителя.
Для удаления низкомолекулярных примесей (в частности, дестабилизирующих электролитов) золи после получения часто подвергают очистке. Методами очистки золей являются диализ и ультрафильтрация.
Диализ основан на разнице в скорости диффузии небольших молекул или ионов и частиц коллоидных размеров через полупроницаемую перегородку – мембрану. Для этих целей применяют мембраны, изготовленные из животных и растительных перепонок, задубленного желатина, мембраны из коллодия, ацетата целлюлозы и целлофана, пергаментной бумаги, керамических пористых материалов и др.
Небольшие молекулы и ионы из золя проникают через мембрану и диффундируют в воду, контактирующую с мембраной, а молекулы воды при этом проникают через мембрану в обратном направлении. В результате после очистки коллоидная система оказывается разбавленной. Очистка коллоидных растворов таким способом требует значительного времени (дни, недели и даже месяцы). Для ускорения диализа можно применять разные приемы, например, увеличивать площадь мембраны, уменьшать слой очищаемой жидкости или часто менять внешнюю жидкость (воду), повышать температуру, прикладывать электрическое поле (электродиализ). В частности, электродиализ позволяет закончить процесс диализа в течение нескольких часов. В производственных условиях диализом очищают от солей белки (желатин, агар-агар, гуммиарабик), красители, силикагель, дубильные вещества и др.
В процессе ультрафильтрации мембраной задерживаются частицы дисперсной фазы или макромолекулы, а дисперсионная среда с нежелательными низкомолекулярными примесями проходит через мембрану. Ультрафильтрация относится к баромембранным процессам, в отличие от диализа ее проводят под давлением. При ультрафильтрации достигают высокой степени очистки золей при одновременном их концентрировании. Иногда говорят, что ультрафильтрация – это диализ, проводимый под давлением, хотя это и не совсем верно (особо любознательные из Вас могут подумать почему).
Применение мембран с определенным размером пор позволяет разделить коллоидные частицы на фракции по размерам и ориентировочно определить эти размеры. Так были найдены размеры некоторых вирусов. Все это говорит о том, что ультрафильтрация является не только методом очистки коллоидных систем, но и может быть использована как способ дисперсионного анализа и для препаративного разделения дисперсных систем.
Интересным примером сочетания диализа и ультрафильтрации является аппарат «искусственная почка», предназначенный для временной замены функции почек при острой почечной недостаточности. Он воспроизводит такие функции почек, как выделение отработанных продуктов из крови, регулирование кровяного давления и водно-электролитного баланса. В искусственной почке из плазмы (плазма – жидкая часть крови) удаляются мочевина, мочевая кислота, креатинин, ионы калия, токсины и другие вещества Аппарат оперативным путем подключается к системе кровообращения больного. Кровь под давлением, создаваемым пульсирующим насосом («искусственное сердце»), протекает в узком зазоре между двумя мембранами, омываемыми снаружи физиологическим раствором (физиологические растворы – это водные растворы, близкие по солевому составу, величине рН и другим свойствам к крови здорового человека, например, раствор, содержащий 0,9 % NaCl и 4,5 % глюкозы). Благодаря большой площади мембран (~15000 см2) из крови за 3-4 часа удаляются все вышеперечисленные «шлаки».
Размер пор мембран для ультрафильтрации составляет величину от 1 до 10 нм. Если использовать мембраны с более тонкими порами (менее 1 нм), то происходит задержка не только дисперсных частиц, но и относительно крупных молекул и даже ионов (размер ионов в водном растворе довольно значителен благодаря образованию гидратной оболочки). Правда для проведения такого процесса требуется рабочее давление большее, чем в случае ультрафильтрации. Этот баромембранный процесс называется гиперфильтрацией или обратным осмосом.
Интересно отметить, что метод гиперфильтрации наряду с методом перегонки применяется в быту и промышленности для очистки и деионизации воды.
В результате диализа и ультрафильтрации из золей за счет избирательного переноса частиц через мембрану удаляются электролиты. Различия между этими процессами заключаются в механизме и движущей силе переноса вещества. В случае диализа очистка осуществляется за счет диффузии ионов или молекул, которые преимущественно имеют размер, существенно меньший, чем размер коллоидных частиц, а в случае ультрафильтрации разделение ионов, молекул и коллоидных частиц происходит по принципу сита. Движущая сила ультрафильтрации – градиент давления, а не градиент концентрации, как в случае диализа. В процессе очистки диализом золь разбавляется, а при ультрафильтрации – концентрируется.
Заключение
Коллоидные дисперсные системы (дисперсии)
– микрогетерогенные образования, в которых одно мелкораздробленное вещество – дисперсная фаза – равномерно распределено (диспергировано) в другой фазе – дисперсионной среде. В коллоидных системах размер частиц дисперсной фазы составляет 10 –9 –10 –7 м, т.е. лежит в интервале от нанометров до долей микрометров. Эта область превосходит размер типичной малой молекулы, но меньше размера объекта, видимого в обычном оптическом микроскопе.
Вся природа - организмы животных и растений, гидросфера и атмосфера, земная кора и недра - представляет собой сложную совокупность множества разнообразных и разнотипных грубодисперсных и коллоидно-дисперсных систем. Дисперсное состояние вполне универсально и при соответствующих условиях в него может перейти любое тело. Этим определяется особое положение коллоидной химии – науки, занимающейся изучением коллоидных систем и их поверхностных явлений, развитие которой осуществляется в непосредственном контакте и взаимодействии со многими, часто не связанными между собой областями науки, промышленности, медицины и сельского хозяйства.
Важный вклад в изучение коллоидных систем организма человека внесли труды Л. Михаэлиса, Г.Шаде, В. Оствальда, П. Ребиндера, Ф.Гофмейстера, Э. Абдергальдена, Г.Фрейндлиха и др.
Коллоидная химия изучает все многообразие коллоидных систем, включающее следующие их типы:
1.Золи. 2. Гели.3. Эмульсии. 4. Пены. 5. Аэрозоли.
Основными свойствами коллоидного состояния веществ в биологических системах являются: 1.Броуновское движение частиц дисперсной фазы. 2. Неспособность к ультрафильтрации и прохождению их через полупроницаемые мембраны. 3. Низкие значения или отсутствие осмотического потенциала. 4.Способность к коагуляции. 5. Поверхностные свойства – способность к адсорбции различных веществ. 5. Переходы золь-гель и обратно.6. способность к набуханию.
Глобальная роль коллоидов заключается в том, что они являются основными компонентами таких биологических образований как живые организмы. Все вещества организма человека представляют собой коллоидные системы.
Коллоиды поступают в организм в виде пищевых веществ и в процессе пищеварения превращаются в специфические, характерные для данного организма коллоиды.
Коллоидно-химическая физиология человека
– это раздел науки, изучающий функционирование систем организма человека, образующих коллоидные соединения.Можно сказать, что весь организм человека – это сложная коллоидная система в ее связи с поверхностными явлениями.
Из коллоидов, богатых белками, состоят кожа, мышцы, ногти, волосы, кровеносные сосуды, легкие, весь желудочно-кишечный тракт и многое другое, без чего немыслима сама жизнь.
С точки зрения коллоидно-химической физиологии человека его организм представляет собой сложный комплекс коллоидных систем в их постоянном динамическом взаимодействии. Мельчайшей структурно-функциональной единицей организма является клетка. Уже сама клетка представляет собой сложный комплекс коллоидных образований, основными из которых являются клеточные мембраны, гиалоплазма, ядро, ЭПР и др. Основными функциями коллоидов мембран клетки являются: барьерная, метаболическая, разделительную, каркасную, защитную поддержания тургора в растительных клетках, транспортная, контактная (плазмодесмы, десмосомы), ферментативная и другие. Мембраны принимают участие в образовании клеточных органелл (ядра, митохондрий, лизосом, комплекса Гольджи и др.). Одной из важнейших функций мембран является их участие в лиганд-рецепторном взаимодействии (гликокаликс), обеспечивающем «узнавание» и распознавание чужеродной антигенной информации и обеспечение так называемых клеточных контактов.
Гиалоплазма клеток также представляет собой сложную коллоидно-дисперсную систему, в функции которой входит формирование цитоскелета клетки (коллоидно-белковая система, пронизывающая клетку). Цитоскелет обеспечивает движение клеток, цитоплазмы, органелл, транспорт веществ и формирует каркас клетки. Гиалоплазма и ее коллоиды объединяют клетку в единое целое.
Наиболее изученной является такая коллоидная система организма как кровь. Кровь – это совокупность дисперсных систем. В плазме крови дисперсной фазой являются белки и жиры, а дисперсной средой вода. В свою очередь, форменные элементы крови могут рассматриваться как дисперсная фаза по отношению к плазме, которая в этом случае выполняет роль дисперсной среды. Сами клетки крови – тромбоциты, эритроциты, лейкоциты представляют собой, как и любые другие клетки организма, сложные по составу дисперсные системы. Важнейшие функции крови – дыхательная, питательная, транспортная, выделительная, терморегуляционная, регуляторная (pH, гормоны и др.), защитная (системы свёртывания - противосвёртывания, антитела, цитокины).
Практически любая жидкость или ткань организма человека представляет собой коллоидно-дисперсную среду. Таковыми являются, например, лимфа, молоко содержимое желудочно-кишечного тракта, желчь, спинномозговая жидкость, моча.
Моча представляет собой гидрофильный золь, состоящий из мицелл уратов, фосфатов и оксалатов. Молоко грудных желез и лимфа это сочетание эмульсии с белковым золем. Соединительнотканные волокна это гели.
При патологических изменениях в организме в коллоидном состоянии находятся белки отечной жидкости (транссудаты) или белки в воспалительных экссудатах. Нарушение коллоидных свойств вышеуказанных сред организма приводят в крови к образованию тромбов, и как следствие развитие инсультов и инфарктов. В желчи и моче при этом образуются камни, в суставной ткани – выпадение солей мочевой кислоты (подагра).
Таким образом, коллоидные системы суть основа химического состояния всех веществ, из которых построены клетки, ткани и органы организма человека. Этим и обусловлено многообразие функций, которые обеспечивают в организме коллоидные системы. Многообразие их функций можно условно разделить на 3 группы, которые безусловно тесно связаны между собой.
1.Функции, связанные с физико-химическими свойствами коллоидов:
1.1 Обеспечение и регуляция проницаемости мембран
1.2 Регуляция онкотического и (в меньшей степени) осмотического давления.
1.3 Обеспечение и регуляция поверхностного натяжения сред организма.
1.4 Регуляция рН
1.5 Ферментативная функция.
1.6 Детоксикация организма.
2.Функции общебиологического значения:
2.1 Барьерная и разделительная.
2.2 Опорно-двигательная.
2.3 Транспортная
2.4 Питательная.
2.5 Биосинтетическая.
2.6 Дыхательная.
2.7 Выделительная.
2.8 Терморегуляционная.
2.9 Репродуктивная.
2.10 Обеспечение клеточных контактных взаимодействий и распознавание генетической информации.
2.11 Защитная (иммунологические реакции, антитела – иммуноглобулины).
3.Специфические функции:
3.1 Регуляторные белки (гормоны, медиаторы иммунитета – цитокины, и др.)
3.2 Обеспечение свертывания крови и фибринолиза
3.3 Регуляция сосудистого тонуса (калликреин-кининовый каскад, система белков ренин-ангиотензин и др.).
3.4 Обеспечение иммунологических реакций (каскад белков системы комплемента и др.).
3.5 Рецепторная.
Применение коллоидов находит все большее применение в медицинской практике.
От использования простых коллоидных золей для местной заживляющей терапии и применения солей алюминия и магния для понижения кислотности желудка до использования гидрокси алюминия в качестве стабилизатора и носителя лекарственных веществ и далее к использованию липосом и нанокапсул.
