Лекция 14 Свойства коллоидных систем.

В коллоидных системах у поверхности коллоидных частиц на границе раздела фаз образуется двойной электрический слой (ДЭС) и возникает скачок потенциала. Это обусловлено тем, что ионы одного знака адсорбируются на поверхности адсорбента, а ионы противоположного знака в силу электростатического притяжения располагаются около нее. Величина и знак заряда поверхности зависят от природы твердых частиц адсорбента и от природы жидкости, с которой он соприкасается. Возникновение электрокинетического потенциала объясняется тем, что ионы, несущие заряды, противоположные зарядам твердой фазы, не остаются неподвижными, а благодаря тепловому движению диффундируют в глубь жидкости. Независимо от механизма образования ДЭС непременным условием его возникновения является достаточно высокая плотность расположения зарядов в слое потенциалоопределяющих ионов. Электростатические силы притяжения такого слоя способствуют возникновению второго, компенсирующего слоя из ионов противоположного знака. Образование ДЭС приводит к появлению определенных электрических потенциалов на границе раздела фаз. Один из потенциалов, характеризующий двойной слой ионов, называется электрокинетическим или ζ- дзета потенциалом. Он представляет собой электрический потенциал в двойном слое между частицей, способной к движению в электрическом поле, и окружающей жидкостью. Величина потенциала рассчитывается по формуле:

ζ =ηU / ε ε₀ H (74)

η- вязкость золя, н сек/м²

U - скорость движения, м/сек

ε -диэлектрическая проницаемость,

ε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость =8,85 ·10^-12 фар/м

H- градиент потенциала внешнего поля, в/м.

Большое значение в вопросах осмотического давления коллоидных систем, явлений набухания, различных физиологических процессов имеют особенности взаимодействия коллоидов с растворами электролитов при условии разделения их полупроницаемой мембраной. При этом по обе стороны мембраны устанавливается определенное равновесие электролита так называемое мембранное равновесие. Согласно теории мембранного равновесия, предложенной Доннаном, электролит распределяется неравномерно по обе стороны мембраны. Распределение электролита по обе стороны мембраны рассчитывается по соответствующему уравнению:

 

Х= С₂ ² /С₁ +2С₂ (75)

Если концентрация электролита больше концентрации коллоида С₂>С₁ то, электролит распределяется равномерно по обе стороны мембраны, если

С₂ <С₁ , то электролит не переходит в другую часть сосуда.

Коллоидные системы в отличие от истинных растворов обладают относительно малой устойчивостью. Для придания устойчивости коллоидным системам их получают в присутствии электролита- стабилизатора. Различают кинетическую и агрегативную устойчивости. Кинетическая устойчивость - это устойчивость дисперсных систем относительно действия силы тяжести. Кинетическая устойчивость объясняется наличием броуновского движения. Агрегативная устойчивость - это способность данной системы сохранять степень дисперсности ее частиц. Она характеризуется временем сохранения неизменной степени дисперсности, что обусловлено наличием электрического заряда и сольватацией частиц коллоидов.

Коагуляцией называется процесс укрупнения частиц дисперсной фазы. Коагуляция коллоидов может быть вызвана различными причинами: добавлением электролитов, механическим воздействием, изменением температуры, прохождением электрического тока, действием лучистой энергии и т. д. Главными причинами, определяющими устойчивость лиофобных коллоидов является их элек­трический заряд и сольватация ионов стабилизатора. Поэтому основой их коагуляции будут различные приемы лишения за­ряда и уменьшения сольватации ионов. Обычно это достигает­ся действием растворов электролитов. При добавлении растворов электролитов происходит сжатие диффузного слоя и уменьшение ζ -потенциала частицы. Как правило, коагуляция нарастает, когда ζ - потенциал становится меньше некоторого критического значения.

Все электролиты в достаточном количестве способны вызывать коагуляцию коллоидов. Коагулирующая способность электролитов характеризуется порогом коагуляции. Порогом коагуляции называется минимальная концентрация, электролита, вызывающая коагуляцию.

С_п =N_эл V_эл /V_золя +V_эл (76)

С_п- порог коагуляции,

N_эл - концентрация электролита,

V_эл -объем израсходованного электролита,

V_золя - объем взятого для коагуляции золя.

Численная, величина порогов коагуляции очень невелика. При коагуляции лиофобных коллоидов действием электролитов наблюдаются следующие закономерности, известные под названием - правило Шульце-Гарди, согласно которому: коагулирующим является тот из ионов электролита, который несет заряд, противоположный по знаку, заряду дисперсной фазы коллоида. (Для отрицательно заряженных золей коагулирующими ионами являются катионы, для положительных - анионы). Коагулирующее действие ионов, во много раз усиливается с повышением их валентности. Для одно- двух- и трехвалентных ионов коагулирующая сила относится как 1: 50:500. Коагулирующее действие считают обратно пропорциональным по­рогу коагуляции и для одновалентных ионов принимают рав­ным 1.

Кинетическая устойчивость системы зависит от действия двух сил, направленных взаимно противоположно: силы тяжести, под действием которой частицы веществ, диспергированных в жидкой или газообразной среде, оседают и силы диффузии, под действием которой частицы стремятся разойтись по всему объему и противодействовать оседанию. Оседание частиц в поле тяготения называется седиментацией. Седиментация рассчитывается по формуле Стокса:

f=6 ήπr U (77)

f- сила

ή- вязкость среды н сек/м²

r- радиус частиц, м

U- скорость оседания м\сек

С другой стороны действует сила

f₁ =4/3 π r³ (γ-γ₀ )g (78)

(γ-γ₀ )-разность плотностей частиц и дисперсной среды кг/м³

g- ускорение силы тяжести.

При равенстве сил и постоянной температуре достигается постоянная скорость оседания

U=2/9 r² (γ-γ₀ )g /ή (79)

Зная скорость оседания частиц можно рассчитать их радиус:

r = √ К U, (80)

где

К=9/2 ή / (γ-γ₀ )g (81)

Основным содержанием любой живой клетки является протоплазма- сложная комплексная система. Протоплазма клетки построена по типу сложных коацерватов. Протоплазма клетки обладает еще одним важным свойством, которое сближает ее с коллоидными растворами - тиксотропностью. Явление изотермического обратимого перехода золь ↔ гель получило название тиксотропии. По современным представлениям протоплазма является подвижным тиксотропным студнем, который легко может переходить в золь, обладающий коацерватными свойствами. Явление тиксотропии распространено в природе. Свойства некоторых грунтов размягчаться под влиянием производимого на них механического воздействия, объясняются тиксотропностью. Такие грунты называются плывунами. Плывуны, разжижаясь под действием гидростатического и гидродинамического давления грунтовой воды, затрудняют строительные работы.

При изменении состояния в коллоидных растворах, растворах ВМС при изменении температуры, рН или при введении низкомолекулярных веществ, иногда наблюдается явление коацервации.Это состояние, когда вещество дисперсной фазы не отделяется от растворителя, а собирается в невидимые невооруженным глазом жидкие капельки, которые постепенно сливаются в капельки больших размеров – вплоть до видимых, пока процесс не закончится полным расслоением системы на два жидких слоя. Вязкая фаза, содержащая почти все высокомолекулярное вещество, называется коацерватом. Коацервация играет огромную роль в биологических процессах, совершающихся в клеточном веществе - протоплазме. Практическая важность коацервации возросла в связи с развитием технологии микрокапсулирования в фармацевтической промышленности.

Контрольные вопросы

 

1.Что изучает коллоидная химия?

2.Дисперсные системы их классификация.

3.Гомогенные и гетерогенные дисперсные системы.

4.Дисперсная фаза и дисперсионная среда.

5.Методы получения коллоидов.

6.Методы очистки коллоидных систем.

7.Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем.

8.Электрические свойства коллоидных систем. Электрокинетический потенциал.

9.Правило Шульце-Гарди.

10.Оптические свойства коллоидных систем их свойства.

11.Почему эмульсия масла в воде становится устойчивой при добавлении щелочи?

12.Какие свойства коллоидных частиц сообщают коллоидному раствору устойчивость?

13.Значение коллоидов в биологии, сельском хозяйстве, промышленности, технологии.

 

Задачи

1. Написать формулу мицеллы для коллоидов, полученных по реакции

FeCl₃ + H₂O→

( 1-избыток FeCl₃ , 2-избыток H₂O). Привести названия всех слоев мицеллы, указать место возникновения дзета-потенциала.

2.Написать формулу мицеллы и определить какой из электролитов был в избытке, если противоионы в электрическом поле движутся к катоду.

FeCl₃ +3H₂O =Fe(OH)₃↓ +3HCl

3.В три колбы налито по 0,21 л золя гидроксида железа. Для того, чтобы вызвать коагуляцию золя, потребовалось добавить в первую колбу 0,03л 1н NH₄Cl, в другую – 0,06л 0,01н Na₂SO₄, в третью – 0,07л 0,001н Na₃PO₄. Вычислить порог коагуляции каждого электролита и определить знак заряда частиц золя.

4.Определить знак заряда частицы белка в растворе, если рН=7,0, (изоэлектрическая точка) ИЭТ=4,8

5.Вычислить распределение электролита при мембранном равновесии, если концентрация коллоида С=0,01, а концентрация электролита С_эл =1.

6.Агрегатное состояние дисперсной фазы - твердая, а дисперсионной среды- жидкость, может быть в:

а.суспензии в.металлических сплавах с.аэрозолях д.эмульсиях е.пенах

7.Бензоловые коллоидные растворы называются:

а.золями в.гидрозолями с.бензолями д.этерозолями е.алкозолями.