Физическа и колоидна химия. Колоидна защита Колоидните системи и какво е това

ГЛАВА 1

СТРУКТУРНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ПОВЪРХНОСТНИЯ СЛОЙ. ПОВЪРХНОСТНО НАПРЕЖЕНИЕ

1.1. Повърхностна енергия на Гибс. Повърхностно напрежение

Повърхностна повърхност може да съществува само ако в системата има течна или твърда фаза. Те определят формата и структурата на повърхностния слой - преходната област от една фаза към друга.

Всяко твърдо или течно вещество в най-простия случай се състои от молекули от същия тип. Въпреки това, състоянието на тези молекули, които са на повърхността, се различава от състоянието на молекулите, които са в по-голямата част от твърдата или течната фаза, тъй като те не са заобиколени от всички страни от други подобни молекули. Повърхностните молекули се изтеглят в течност или твърдо вещество, тъй като изпитват по-голямо привличане от молекулите в обема на кондензираната фаза, отколкото от молекулите на газа от другата страна на повърхността. Това привличане кара повърхността да се свива колкото е възможно повече и води до някаква сила в равнината на повърхността, наречена сила повърхностно напрежение.

Следователно течните и твърдите тела спонтанно придобиват минималния възможен обем и са практически несвиваеми, а тяхното разтягане и разкъсване изискват значителни енергийни разходи.

Тази енергия, придадена на повърхностния слой и определяща неговата стабилност, според Дж. У. Гибс е т.нар. свободна повърхностна енергия г С , пропорционално на площта на фазовия интерфейс:

г С =  С , (1.1)

където  е коефициентът на пропорционалност, наречен повърхностно напрежение. физическо значение  - свободна повърхностна енергия на единица площ на фазовия интерфейс или, в противен случай, работата на обратимо изотермично образуване на единица площ на фазовата граница. SI измерение  - J/m 2.

Повърхностното напрежение може също да се разглежда като сила, действаща на единица дължина на повърхностния контур и стремяща се да намали повърхността до минимум за дадено съотношение на фазовите обеми. В този случай размерът  по-удобно е да се изрази в N/m.

Наличието на повърхностно напрежение обяснява такива добре известни факти: капките вода не проникват през малки дупки и пролуки между нишките на тъканите за чадър или палатка; водни паяци и насекоми могат да тичат по повърхността на водата, поддържани от невидим повърхностен филм, дъждовни или мъгливи капки стават сферични и т.н.

При смачкване на твърдо или течно тяло общата повърхност на повърхността се увеличава, поради което на повърхността се появява нарастваща част от неговите молекули и делът на молекулите в обема намалява. Следователно, колкото по-малки са частиците, толкова по-голям е делът на термодинамичните функции, включително енергията на Гибс на частицата, принадлежи на повърхностните молекули.
1.2. Начини за намаляване на свободната повърхностна енергия
Всички системи, включително дисперсните, са склонни към равновесие. От курса по физическа химия е известно, че в този случай винаги има тенденция към спонтанно намаляване на енергията на Гибс г . Това важи и за свободната повърхностна енергия на дисперсните системи г С .

В този случай, в съответствие с уравнение (1.1), намалението г С може да се постигне по следните начини:

а) При постоянна стойност на повърхностното напрежениечрез намаляване на интерфейсния интерфейс:

г С =   С .

Намаляването на интерфейсната площ може от своя страна също да се извърши по два начина:

 Спонтанно приемане от частици с такава геометрична форма, която съответства на минималната свободна повърхностна енергия. Така че, при липса на външни силови влияния, капка течност приема формата на топка.

 Асоцииране (агрегиране) на малки частици в по-големи (агрегати). В този случай се постига много по-голямо усилване на енергията, тъй като при комбиниране фазовият интерфейс намалява много значително.

От това следва, че имайки голям запас от повърхностна енергия, дисперсните системи са фундаментално агрегатно нестабилнии са склонни към спонтанно намаляване на степента на дисперсия чрез комбиниране на частици от дисперсната фаза.

б) При постоянна площ на фазовия интерфейсчрез намаляване на повърхностното напрежение:

г С = С  .

В много случаи, включително производството на дозирани форми, когато е необходимо да се поддържа постоянен размер на частиците на дисперсната фаза в системата, намаляването на междуфазовото напрежение е най-важният и често единственият начин за поддържане на степента на дисперсия.

Намаляването на повърхностното напрежение се постига чрез въвеждане в дисперсната система повърхностноактивни вещества (повърхностно активно вещество), които имат способността да се концентрират (адсорбират) върху интерфейса и чрез присъствието си да намаляват повърхностното напрежение.

1.3. Повърхностноактивни вещества

Способността за понижаване на повърхностното напрежение се притежава от органични вещества с асиметрични, дифиличенмолекули, които съдържат както полярни (хидрофилни), така и неполярни (липофилни) групи. Хидрофилните групи (-OH, -COOH, -SO 3 H, -NH 2 и др.) осигуряват афинитет към повърхностно активното вещество във вода, хидрофобните (обикновено въглеводородни радикали, както алифатни, така и ароматни) - афинитет към повърхностноактивните вещества към неполярните среди. Вътрешното повърхностно напрежение на повърхностно активното вещество трябва да бъде по-малко от това на дадено твърдо вещество или течност. В адсорбционния слой на фазовата граница амфифилните молекули са ориентирани по енергийно най-благоприятен начин: хидрофилни групи - към полярната фаза, хидрофобни - към неполярната.

Графично молекулата на повърхностно активното вещество е представена със символа , в който кръгът означава хидрофилна група, а лентата – хидрофобна.

1.4. Класификация на повърхностноактивните вещества
 По размер на молекулата Повърхностноактивните вещества се разделят на високомолекулни (например протеини) и ниско молекулно тегло (по-голямата част от повърхностноактивните вещества, изброени в други видове класификация).

 Според вида на хидрофилните групи различавам нейонен (нейонен) и йонна (йоногенни) повърхностно активно вещество.

Нейонните съществуват в разтвор под формата на недисоциирани молекули (например, туини или сорбитали, алкохоли).

Йонните дисоциират в разтвор на йони, някои от които всъщност имат повърхностна активност, докато други не. В зависимост от знака на заряда на повърхностно активния йон повърхностноактивните вещества се разделят на катион-активен, анион-активени амфотерни.

В практиката най-често се използват анионни повърхностноактивни вещества: карбоксилни киселини и техните соли (сапуни), алкилсулфати, алкилсулфонати, алкиларилсулфонати, феноли, танини и др.

Второто място по важност заемат нейонните повърхностноактивни вещества - алифатни алкохоли, техните полиоксиетиленови етери от различно естество, липиди.

Значително по-малък, но постоянно нарастващ дял в производството на повърхностноактивни вещества се пада на катионни (предимно производни на алкиламини, първични, вторични и третични) и амфотерни повърхностно активни вещества (например аминокиселини, протеини). Много алкалоиди също са катионни повърхностноактивни вещества.

 Поведение в разтвора всички повърхностно активни вещества се разделят на наистина разтворими колоиден (или мицеларна, MPAV). Първата група включва голям брой водоразтворими амфифилни органични съединения с малки въглеводородни радикали (алкохоли, феноли, нисши карбоксилни киселини и техните соли, амини). Веществата от този тип съществуват в разтвор като отделни молекули или йони до концентрации, съответстващи на тяхната разтворимост.

Особен интерес представляват колоидни повърхностноактивни вещества. Те са най-широко използвани в практиката, включително за стабилизиране на дисперсни системи, и се означават предимно с термина повърхностноактивни вещества. Основната им отличителна черта е способността да образуват термодинамично стабилни ( лиофилна) хетерогенни дисперсни системи - мицеларни повърхностноактивни разтвори. Минималният брой С атоми в MPAS молекулите е 8 - 12, т.е. тези съединения имат доста голям въглеводороден радикал.
1.5. Приложение на повърхностноактивни вещества

Повърхностноактивните вещества се използват като флотационни реагенти, диспергатори, емулгатори, детергенти, компоненти на пожарогасителни състави, козметика и др. Повърхностноактивните вещества играят важна роля в биологичните процеси.

Във фармацията повърхностноактивните вещества се използват главно под формата на медицински сапуни и стабилизатори на дозирани форми като емулсии, суспензии, колоидни разтвори, солюбилизирани системи.

Медицинските сапуни се използват като детергенти, дезинфектанти и дерматологични средства. Те са смеси от обикновени натриеви и калиеви сапуни с багрила, аромати и различни дезинфектанти или лекарства (например зелен сапун, катран, ихтиол, карболов, сярен, хлорфенол, сулсен сапун).

Като стабилизатори за лекарствени форми във фармацията, такива високомолекулни природни повърхностноактивни вещества като протеини (включително желатин), гуми, нискомолекулни естествени вещества - сапонини, палмитат, натриев или калиев лаурат, както и синтетични повърхностно активни вещества - tweens (сорбитали) и др. . са използвани.

Детергентите, широко използвани в ежедневието (всъщност сапуни, шампоани, препарати за миене на съдове, прахове за пране и др.), се произвеждат на базата на повърхностно активни вещества като натриев (или калиев) стеарат, олеат и палмитат, както и производни на сулфанола ( двойка-натриев додецилбензенсулфонат).

Twin-80 Sulfanol

1.6. Изотерма на повърхностното напрежение. Уравнението

Шишковски
Зависимостта на повърхностното напрежение на разтворите на повърхностно активни вещества от тяхната концентрация се изразява при всяка дадена постоянна температура чрез изотерми. Общият изглед на такава изотерма е показан на фиг. 1.1. Изотермата на повърхностното напрежение напуска точката  0 по оста y, което съответства на повърхностното напрежение на чист разтворител. С увеличаване на концентрацията на повърхностно активното вещество повърхностното напрежение постепенно намалява, като се стреми към определена минимална постоянна стойност, характерна за всяко дадено повърхностно активно вещество.

Ориз. 1.1. Общ изглед на изотермата на повърхностното напрежение
Изотермите на повърхностното напрежение могат да бъдат описани с помощта на уравнението на Б. Шишковски (1908):

където  - повърхностно напрежение на разтвора на повърхностно активното вещество;  - понижаване на повърхностното напрежение на разтвор на повърхностно активно вещество с концентрация С в сравнение с  0 - повърхностното напрежение на разтворителя (напр. вода) при дадена температура; а и б - константи. Постоянна а характеристика на всяка хомоложна серия; коефициент б индивидуално за всяко отделно повърхностно активно вещество.

1.7. Свойства на повърхностно активните вещества: повърхностна активност, хидрофилен

липофилен баланс

Може да се характеризира способността на повърхностноактивните вещества да понижават повърхностното напрежение повърхностна активност, което зависи главно от дължината на въглеводородния радикал в молекулата на повърхностно активното вещество. Повърхностната активност е производна на повърхностното напрежение на разтвора на повърхностно активно вещество спрямо неговата концентрация

Знакът минус показва, че с увеличаване на концентрацията на повърхностно активното вещество повърхностното напрежение на неговия разтвор намалява.

За истински разтворими повърхностноактивни вещества повърхностната активност се определя от началния участък на изотермата на повърхностното напрежение (фиг. 1.2) при концентрация, стремяща се към нула.

Ориз. 1.2. Определяне на повърхностната активност на повърхностноактивните вещества чрез изотерма

повърхностно напрежение

За да се намери, се изтегля допирателна към изотермата на повърхностното напрежение в точката, съответстваща на  0 . Допирателната се удължава, докато пресече оста на концентрация. Повърхностната активност се изчислява като тангенс на наклона на допирателната към оста x:

За мицелообразуващите повърхностноактивни вещества повърхностната активност може да се изчисли по формулата

където  0 и  мин - съответно повърхностното напрежение на чист разтворител и най-малката постоянна стойност на повърхностното напрежение при достигане на критичната концентрация на мицелизация (вижте точка 1.8).

Зависимостта на повърхностната активност от структурата на молекулите на повърхностноактивните вещества се описва от правилото на P. E. Duclos - I. Traube:

Увеличаване на дължината на въглеводородния радикал в молекулата на повърхностноактивното вещество с една -CH група 2 води до увеличаване на повърхностната активност с 3-5 пъти (приблизително 3,2 пъти).

Това правило се спазва главно за водни разтвори на истински разтворими повърхностноактивни вещества, като нисши карбоксилни киселини и алифатни алкохоли. За органичните среди правилото на Duclos-Traube е обърнато, т.е. повърхностната активност намалява с увеличаване на дължината на въглеводородния радикал.

Друга важна количествена характеристика на повърхностноактивните вещества е хидрофилно-липофилен баланс (GLB). Изразява се в безразмерни числа.  :

където ( б +  ) е афинитетът (енергията на взаимодействие на Гибс) на неполярната част на молекулата на повърхностно активното вещество към въглеводородната течност ( б е коефициент, зависещ от естеството на повърхностноактивното вещество,  - афинитет на група CH 2 ,  - брой групи CH 2  във въглеводородния радикал); а е афинитетът на полярната група към водата.

Колкото по-висока е хидрофилността на повърхностноактивното вещество, толкова по-голям е неговият HLB. Има скала от числа на HLB (D. Davis, 1960-те; Griffin) в диапазона от 1 до 40. Номерът на HLB в тази скала може да бъде изчислен чрез сумата от номерата на групите, присвоени на всяка група от атоми, включени в молекулата на повърхностноактивното вещество:

HLB =  номера на хидрофилни групи +

+  номера на хидрофобни групи + 7

Ето някои групови номера според Грифин:

хидрофилни групи
SOOK	COONa	-COOH	-О	=О
21,1	19,1	2,4	1,9	1,3
хидрофобни групи
=CH	CH 2 	- CH 3	=C=
0,475	0,475	0,475	0,475

При практическото определяне на HLB се използват така наречените референтни точки, които са HLB числата на някои повърхностно активни вещества: олеинова киселина - 1, триетаноламин - 12, натриев олеат - 18.

Въпреки че концепцията за HLB е доста формална, тя позволява грубо да се определят областите на приложение на повърхностноактивните вещества. Например:

1.8. Мицелизация в MPAS разтвори. критичен

концентрация на мицела. разтваряне
Мицеларно-образуващи повърхностноактивни вещества в ниски концентрации съществуват в разтвори под формата на отделни молекули или йони. С увеличаване на концентрацията на разтвора техните молекули (йони) се свързват една с друга, като първоначално образуват димери, тримери и други асоциати. След превишаване на определена концентрация, характерна за всяко дадено повърхностно активно вещество, наречена критична концентрация на мицели (CMC), повърхностно активните вещества съществуват в разтвор под формата на специален вид образувания, наречени мицели. За повечето повърхностно активни вещества CMC се намира в рамките на 10 - 5 - 10 - 2 mol/l.

Под мицела на повърхностно активното вещество се разбира съвкупност от амфифилни молекули, чиито лиофилни групи са превърнати в съответния разтворител, а лиофобните групи са свързани помежду си, образувайки ядрото на мицелата. Процесът на образуване на мицели е обратим, тъй като при разреждане на разтвора мицелите се разпадат на молекули и йони.

Във водни разтвори при концентрации, малко надвишаващи CMC, се образуват сферични мицели ("мицели на Хартли"). Вътрешната част на мицелите на Gartley се състои от преплитащи се въглеводородни радикали, а полярните групи на молекулите на повърхностноактивното вещество се превръщат във водна фаза. Диаметърът на такива мицели е приблизително равен на удвоената дължина на молекулите на повърхностно активното вещество. Броят на молекулите в мицела (степента на агрегация) нараства до определена граница (обикновено 30-100 молекули), след което не се променя с по-нататъшно повишаване на концентрацията, но броят на мицелите се увеличава.

При по-високи концентрации мицелите на Gartley взаимодействат помежду си, което води до тяхната деформация. Те могат да приемат цилиндрична, дисковидна, пръчковидна, ламеларна форма („мицели на McBain“). При концентрации приблизително 10 - 50 пъти по-високи от CMC (т.нар. CMC 2), мицелите придобиват верижна ориентация и заедно с молекулите на разтворителя могат да образуват желатиново тяло. Когато неутрални соли (NaCl, KCl, NH 4 NO 3 и др.) се добавят към такива концентрирани мицеларни разтвори на повърхностноактивни вещества, солите лишават мицелите от вода, навлизаща в хидратиращата обвивка (дехидратиращи мицели) и улесняват свързването на мицели. В този случай повърхностноактивното вещество, в зависимост от плътността, се утаява или изплува на повърхността. Това освобождаване на повърхностноактивни вещества от мицеларни разтвори се нарича осоляване.

В неводни среди по време на мицелизацията се появяват „обърнати“ мицели, в централната част на които има полярни групи, заобиколени от слой въглеводородни радикали по периферията. Такива мицели обикновено съдържат значително по-малко повърхностноактивни молекули (30-40), отколкото във водна среда.

При добавяне на неразтворими в дадена среда вещества към мицеларни разтвори на повърхностно активни вещества, особено течни, и при разбъркване е възможно разтваряне, тоест проникването на молекулите на тези вещества в мицелите. И така, въглеводородите и мазнините се разтварят с водни разтвори на сапуни и протеини (директно разтваряне), водата и полярните вещества се разтварят с мицеларни разтвори на повърхностноактивни вещества в неполярни органични разтворители (обратна солюбилизация).

Феноменът солюбилизация се използва в лекарствената технология за приготвяне на течни лекарствени форми от вещества, които са неразтворими във вода. Такива дозирани форми се наричат солюбилизирани, а неразтворимите във вода лекарствени вещества (например мастноразтворими витамини), които са част от мицелите, се наричат солюбилизати. Въпреки това, такива дозирани форми трябва да се използват с повишено внимание, тъй като когато се разреждат, мицелите на повърхностноактивното вещество ще се разлагат, което ще доведе до освобождаване на големи капки или зърна от солюбизата.

Колоидната химия изучава физикохимичните свойства на дисперсните системи - системи, една от фазите на които е съвкупност от много малки частици. Такива системи са широко разпространени в природата, в ежедневието, в технологиите, строителството и други области на дейност, а също и, което е важно, във фармацията. Законите на колоидна химия са в основата на процесите на приготвяне на дозирани форми, тяхното съхранение и стареене. Следователно познаването на основите на колоидна химия е необходимо за фармацевтите от общото ниво, както и за технолозите на химическото и фармацевтичното производство, производството на продукти, използвани в парфюмерията, козметиката и в ежедневието.

Този "Курс" използва същата модулна система на представяне като в тома по физическа химия. Същото важи и за дизайна на текста и за търсачката. Поради факта, че материалът, включен във всеки раздел е едно цяло, в книгата няма разделение на лекции.

Авторът изразява своята дълбока благодарност към целия персонал на Пятигорската държавна фармацевтична академия и по-специално към персонала на катедрата по физична и колоидна химия на PGFA, чиито съвети, критики и помощ бяха използвани при подготовката на курса на лекциите и писането тази публикация, искрена благодарност към рецензентите за старателния анализ на ръкописа и за конструктивните бележки преди отпечатването.

ПРИЕТИ НАЗНАЧЕНИЯ

А – адсорбционна стойност

а - 1) линейни размери на частиците

2) термодинамична активност

° С – 1) моларна концентрация

2) обемна концентрация

д – 1) степен на дисперсия

д – диаметър

2) енергия

Ф - сила

GS - свободна повърхностна енергия

ж - ускорение поради гравитацията

2) енталпия

аз - интензитет на светлината

j diff - дифузионен поток

К - 1) адсорбционна константа

равновесие

2) обменна константа

3) константа на скоростта на коагулация

К ’ – моларен коефициент на мътност

к - 1) Болцманова константа

л - дължина

М - моларна маса

м - тегло

NA - Числото на Авогадро

н – 1) количество вещество (mol)

2) показател на пречупване

3) брой частици

П - коагулационна способност

стр - налягане

В – обемен дебит

Р - универсална газова константа

r - радиус

С - 1) площ

2) ентропия

С sed - константа на утаяване

С sp - специфична повърхност

т - температура

т - време

V - сила на звука

v – скорост

w - Работа

z – йонен заряд

а - степен на подуване

б - съотношение на пяна

G - повърхностен излишък

g - праг на коагулация

д х – средно срязване на частиците при

Брауново движение

d е дебелината на двойния електрически

д - диелектричната константа

д 0 - електрическа константа

z - електрокинетичен потенциал

j - 1) обемна концентрация

2) електротермодинамичен

потенциал

з - вискозитет

q - 1) контактен ъгъл на намокряне

2) граница на провлачване

л - 1) хидрофилно-липофилно

2) дължина на вълната

н - частична концентрация

стр - 1) геометрична константа

2) осмотично налягане

r - плътност

С - сума

с - 1) повърхностно напрежение

2) плътност на заряда

w - ъглова скорост на въртене

ОСНОВНИ ФИЗИЧЕСКИ КОНСТАНТИ

Числото на Авогадро NA 6,02252´1023 mol-1

Числото на Фарадей Ф 96487 C/mol-eq

Болцманова константа к 1,3804´10-23 J/K

Универсална газова константа Р 8,314 J/mol K =

1,98725 cal/mol K =

0,082057 L atm/mol K

Електрическа константа д 0 8.´1012 f/m

ВЪВЕДЕНИЕ

1. Предмет на колоидна химия, нейното място сред природните науки

дисциплини и значение за фармацията, медицината и биологията

колоидна химия- наука, която изучава дисперсни системи и повърхностни явления. Разтворите на макромолекулни вещества в много отношения са сходни по свойства с дисперсните системи, поради което се разглеждат и в хода на колоидна химия.

През 1861 г. английският химик Т. Греъм, продължавайки работата на Ф. Селми (1845), предлага да се разделят всички химикали на два класа според способността им да образуват разтвори с рязко различни свойства. Разтворите на вещества от един клас - "кристалоиди" по терминологията на Греъм - са стабилни, преминават непроменени през растителни и животински мембрани, когато се изпаряват, те обикновено дават кристални утайки, дифузията в тях протича сравнително бързо, в повечето случаи те са прозрачни (това са така наречените истински решения). Разтворите на вещества от друг клас най-често са нестабилни (лабилни), при преминаване през мембрани те често се разделят или променят свойствата си, когато се изпаряват, се образуват аморфни утайки, често не поддаващи се на повторно разтваряне, дифузията в такива разтвори е много бавно и в повечето случаи имат мътност. Този клас вещества, според гръцкото име на типичните им представители - растителни гуми и животински лепила, Т. Греъм нарича колоиди (от гръцки kolla - лепило), а образуваните от тях разтвори - колоидни разтвори. И въпреки че по-късно се оказа, че разделянето на веществата на кристалоиди и колоиди е незаконно, тъй като едни и същи вещества могат да образуват както истински, така и колоидни разтвори при различни условия, терминът "колоидни разтвори", както и името на науката "колоидни химия, произлизаща от него » са запазени. Сега обаче тези концепции са вложени с различно съдържание, което ще бъде разгледано по-долу.

Повечето от истинските тела около нас са съставени от малки частици - вариациипотопени във всяка среда (течна, твърда или газообразна). Дисперсиите включват частици с най-разнообразни форми - зърна, бучки, филми, нишки, въздушни мехурчета, течни капки, капиляри и др. Съвкупността от тези дисперсии, заедно със средата, в която са разпределени, образува дисперсна система. По този начин дисперсните системи се състоят от непрекъснат дисперсионна средаи дисперсна фаза- набор от всички вариации.

Примери за естествени дисперсни системи са скали, почви, пясък, прах, дим, облаци и мъгла; растителни и животински тъкани, клетки и вътреклетъчни образувания на растения, животни, микроорганизми, както и самите микроорганизми – бактерии и вируси. Много продукти на производство също са диспергирани системи, например строителни материали, метални сплави, хартия, тъкани, хранителни продукти и много дозирани форми (прахове, емулсии, суспензии, аерозоли).
и др.). От това следва, че процесите на лекарствената технология не могат да бъдат експертно контролирани без познаване на основните свойства на дисперсните системи.

Въпреки малкия размер на дисперсиите, общата повърхност, която ги отделя от дисперсионната среда, е много голяма. Поради тази причина в дисперсните системи, повърхностни явления, които до голяма степен определят техните свойства. Повърхностните явления включват процеси, протичащи на границата, разделяща съседните (конюгирани) фази. По този начин биохимичните процеси в живите организми протичат на различни интерфейси, като мембрани, които образуват мембраните на клетки, ядра, митохондрии и т.н. е необходимо да се знае теорията на повърхностните явления.

Колоидната химия има и друг обект на изследване - макромолекулните вещества (HMW) и техните разтвори. Въпросът е, че HMW макромолекулите имат размери, съизмерими с размерите на много малки дисперсии. Следователно техните решения имат много общи свойства с дисперсните системи. Необходимостта от изследване на HMW се дължи и на факта, че в състава на тъканите и клетките на тялото, цитоплазмата, кръвта и др. влизат естествени високомолекулни вещества – протеини, полизахариди, нуклеинови киселини. Като лекарства се използват разтвори на различни HMS, следователно и фармакологът, и фармацевтът трябва да познават свойствата и структурните особености на такива системи и да са запознати с методите за тяхното изследване.

Притежавайки като предмети на изследване предимно реални обекти в цялото им разнообразие от свойства, колоидна химия завършва общото химическо образование. В същото време има всички основания да наричаме науката за дисперсните системи и повърхностните явления физическа химия на реалните тела.

2. Признаци на обекти от колоидна химия

Обектите на колоидна химия се характеризират с две общи черти – хетерогенност и дисперсност. Всички специални свойства, присъщи на тях, са последствия или функции на хетерогенност и дисперсия.

Хетерогенност(полифаза) - знак, показващ наличието на интерфейсен интерфейс. За разлика от други хетерогенни системи, дисперсните системи имат висока степен на фрагментация и голям брой частици от дисперсната фаза.

дисперсия(фрагментиране) се определя от размера на частиците на дисперсната фаза. Колкото по-малки са линейните размери на частиците на фазата, толкова по-голяма е нейната дисперсност. Количествената дисперсия може да се изрази със следните характеристики:

1) линейни размеричастици а . Измерение а в системата SI - m. При изометрична форма на частици - кубична или сферична, линейните размери означават диаметъра или ръба на куба, а при нишки, капиляри, филми и други неизометрични частици, това е дължината на най-малката ос на частицата.

2) степен на дисперсия д , често наричан просто дисперсия. д е реципрочната стойност на линейните размери на частиците д = 1/а . Измерение д в системата SI - m-1. д може да се разглежда като броя на частиците, които пасват на единица дължина, т.е. на 1 m.

3) специфична повърхност Sud , определя се от съотношението на междинната повърхност към обема или към масата на частиците на дисперсната фаза. Има два вида специфична повърхност:

- Специфична повърхност по обем:

където н - брой частици, С е повърхностната площ на една частица, V е обемът на една частица. Измерение С уд V m2/m3 (или по-малко правилно m-1).

В много случаи дисперсиите спонтанно приемат форма, близка до сферична или кубична. Това се дължи на факта, че от всички геометрични тела сферата и кубът имат най-малката повърхност за един и същ обем. Следователно има прости формули за изчисляване С уд V :

където r - радиус на частиците, д - диаметърът му;

- за системи с кубични частици

където а -дължина на ръба на куба.

- Специфична повърхност по маса:

където м е масата на една частица. Като м = r V , където r е плътността на частиците, тогава можем да запишем: . означава,

- за системи със сферични частици

;

- за системи с кубични частици:

И трите характеристики на дисперсията са взаимосвързани: с намаление а дисперсията се увеличава д и специфична повърхност Sud .

С намаляване на количествената характеристика - размера на частиците - с постигането на определена степен на дисперсия настъпва качествена промяна в свойствата на хетерогенна система, а именно: от различни физични и химични свойства повърхностните явления придобиват водеща роля . Тази качествена особеност започва да се проявява, когато размерът на частиците на дисперсната фаза намалее до 10-4 ¸ 10-6 m и е особено изразен при системи с размери на частици 10-7 ¸ 10-9 m. Именно такива системи които всъщност са обектите на изследване на колоидна химия ( колоидни системи). Затова е обичайно да се говори за частици колоидни размерии за специалните колоидно състояниевещества, като по този начин се подчертава уникалността на системите с изключително малки частици.

3. Кратка историческа характеристика

Основател на колоидна химия се счита за Т. Греъм, който изпълнява през 60-те години на XIX век. първите систематични изследвания на колоидни разтвори. Впоследствие колоидна химия усвоява резултатите, получени в други области на физиката и химията и в края на 19 - началото на 20 век. в се превърна в самостоятелен клон на химията.

Въз основа на механичната теория на капилярността, разработена в началото на 19 век.
Създават Т. Юнг и П. Лаплас и термодинамиката на повърхностните явления
Дж. У. Гибс през 1870-те години формулира основните насоки на изследване в колоидна химия: изследване на процесите на образуване на нова фаза в хомогенни системи, термодинамична стабилност на колоидни системи и количествено описание на адсорбцията върху фазовата граница. Концепциите за структурата на електрическия двоен слой, разработени през 1853 г. от Г. Хелмхолц, направиха възможно обяснението на електрокинетичните и капилярните явления. Създаването на теорията за разсейването на светлината от J. Rayleigh допринесе за количественото изследване на оптичните свойства на колоидни системи. Проучване
J. Perrin, T. Svedberg и R. Zsigmondy за Брауновското движение въз основа на теорията, създадена през 1905 г. от А. Айнщайн и М. Смолуховски, направи възможно да се докаже реалността на съществуването на молекули и правилността на молекулярно-кинетичните концепции . През 1903 г. той открива феномена хроматография и разработва хроматографски метод за разделяне и анализиране на смеси от вещества. Въз основа на кинетичната теория на адсорбцията, предложена през 1917 г. от I. Langmuir, са разработени методи за изследване на състоянието на молекулите на повърхностноактивното вещество в мономолекулните адсорбционни слоеве. През 1928 г. той открива намаляването на адсорбционната якост („ефект на Ребиндер“) и през 40-те – 50-те години на миналия век, въз основа на развитието на това направление и изследванията на структурообразуването в дисперсните системи, създава физикохимична механика. Физическата теория за стабилността на колоидни системи е разработена през 1937 г. съвместно и независимо от тях от Е. Вервей и Дж. Овербек („теорията на DLVO“).

Основните области на изследване в съвременната колоидна химия са термодинамиката на повърхностните явления, изследването на адсорбцията на веществата, свойствата на дисперсните системи, структурата на двойния електрически слой, създаването и усъвършенстването на колоидно-химични методи за анализ и изследвания и др.

I. ПОВЪРХНОСТЕН ЕФЕКТ

ГЛАВА 1

СТРУКТУРНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ПОВЪРХНОСТНИЯ СЛОЙ. ПОВЪРХНОСТНО НАПРЕЖЕНИЕ

1.1. Повърхностна енергия на Гибс. Повърхностно напрежение

Тази енергия, придадена на повърхностния слой и определяща неговата стабилност, според Дж. У. Гибс е т.нар. свободна повърхностна енергия GS , пропорционално на площта на фазовия интерфейс:

GS = с С , (1.1)

където с е коефициентът на пропорционалност, наречен повърхностно напрежение. физическо значение с - свободна повърхностна енергия на единица площ на фазовия интерфейс или, в противен случай, работата на обратимо изотермично образуване на единица площ на фазовата граница. SI измерение с - J/m2.

Повърхностното напрежение може също да се разглежда като сила, действаща на единица дължина на повърхностния контур и стремяща се да намали повърхността до минимум за дадено съотношение на фазовите обеми. В този случай размерът с по-удобно е да се изрази в N/m.

1.2. Начини за намаляване на свободната повърхностна енергия

Всички системи, включително дисперсните, са склонни към равновесие. От курса по физическа химия е известно, че в този случай винаги има тенденция към спонтанно намаляване на енергията на Гибс г . Това важи и за свободната повърхностна енергия на дисперсните системи GS .

В този случай, в съответствие с уравнение (1.1), намалението г С може да се постигне по следните начини:

а) При постоянна стойност на повърхностното напрежениечрез намаляване на интерфейсния интерфейс:

д г С = с д С .

Намаляването на интерфейсната площ може от своя страна също да се извърши по два начина:

Спонтанно приемане от частици с такава геометрична форма, която съответства на минимум свободна повърхностна енергия. Така че, при липса на външни силови влияния, капка течност приема формата на топка.

Асоцииране (агрегиране) на малки частици в по-големи (агрегати). В този случай се постига много по-голямо усилване на енергията, тъй като при комбиниране фазовият интерфейс намалява много значително.

б) При постоянна площ на фазовия интерфейсчрез намаляване на повърхностното напрежение:

д г С = С д с .

1.3. Повърхностноактивни вещества

Способността за понижаване на повърхностното напрежение се притежава от органични вещества с асиметрични, дифиличенмолекули, които съдържат както полярни (хидрофилни), така и неполярни (липофилни) групи. Хидрофилните групи (-OH, -COOH, -SO3H, -NH2 и т.н.) осигуряват афинитет към повърхностноактивното вещество във вода, хидрофобните (обикновено въглеводородни радикали, както алифатни, така и ароматни) осигуряват афинитет на повърхностно активното вещество към неполярна среда. Вътрешното повърхностно напрежение на повърхностно активното вещество трябва да бъде по-малко от това на дадено твърдо вещество или течност. В адсорбционния слой на фазовата граница амфифилните молекули са ориентирани по енергийно най-благоприятен начин: хидрофилни групи - към полярната фаза, хидрофобни - към неполярната.

Графично молекулата на повърхностно активното вещество е представена със символа ¡¾¾¾, в който кръгът означава хидрофилна група, а линията - хидрофобна.

1.4. Класификация на повърхностноактивните вещества

- По размер на молекулата Повърхностноактивните вещества се разделят на високомолекулни (например протеини) и ниско молекулно тегло (по-голямата част от повърхностноактивните вещества, изброени в други видове класификация).

- Според вида на хидрофилните групи различавам нейонен (нейонен) и йонна (йоногенни) повърхностно активно вещество.

- Поведение в разтвора всички повърхностно активни вещества се разделят на наистина разтворими колоиден (или мицеларна, MPAV). Първата група включва голям брой водоразтворими амфифилни органични съединения с малки въглеводородни радикали (алкохоли, феноли, нисши карбоксилни киселини и техните соли, амини). Веществата от този тип съществуват в разтвор като отделни молекули или йони до концентрации, съответстващи на тяхната разтворимост.

1.5. Приложение на повърхностноактивни вещества

Повърхностноактивните вещества се използват като флотационни агенти, диспергатори, емулгатори, детергенти, компоненти на пожарогасителни състави, козметика и др. Повърхностноактивните вещества играят важна роля в биологичните процеси.

Twin-80 Sulfanol

1.6. Изотерма на повърхностното напрежение. Уравнението

Шишковски

Зависимостта на повърхностното напрежение на разтворите на повърхностно активни вещества от тяхната концентрация се изразява при всяка дадена постоянна температура чрез изотерми. Общият изглед на такава изотерма е показан на фиг. 1.1. Изотермата на повърхностното напрежение напуска точката с 0 по оста y, което съответства на повърхностното напрежение на чист разтворител. С увеличаване на концентрацията на повърхностно активното вещество повърхностното напрежение постепенно намалява, като се стреми към определена минимална постоянна стойност, характерна за всяко дадено повърхностно активно вещество.

Ориз. 1.1. Общ изглед на изотермата на повърхностното напрежение

Изотермите на повърхностното напрежение могат да бъдат описани с помощта на уравнението на Б. Шишковски (1908):

https://pandia.ru/text/78/117/images/image012_28.gif" width="204" height="29 src=">,

където с - повърхностно напрежение на разтвора на повърхностно активното вещество; д с - понижаване на повърхностното напрежение на разтвор на повърхностно активно вещество с концентрация С в сравнение с с 0 - повърхностното напрежение на разтворителя (напр. вода) при дадена температура; а и б - константи. Постоянна а характеристика на всяка хомоложна серия; коефициент б индивидуално за всяко отделно повърхностно активно вещество.

1.7. Свойства на повърхностно активните вещества: повърхностна активност, хидрофилен

липофилен баланс

Ориз. 1.2. Определяне на повърхностната активност на повърхностноактивните вещества чрез изотерма

повърхностно напрежение

За да се намери, се изтегля допирателна към изотермата на повърхностното напрежение в точката, съответстваща на с 0 .Допирателната се удължава, докато пресече оста на концентрация. Повърхностната активност се изчислява като тангенс на наклона на допирателната към оста x:

https://pandia.ru/text/78/117/images/image017_20.gif" width="108" height="49 src="> ,

където ( б + Й н ) е афинитетът (енергията на взаимодействие на Гибс) на неполярната част на молекулата на повърхностно активното вещество към въглеводородната течност ( б е коефициент, зависещ от естеството на повърхностноактивното вещество, Й - афинитет на група - CH2-, н - брой групи - CH2 - във въглеводородния радикал); а е афинитетът на полярната група към водата.

HLB = å номера на хидрофилни групи +

+ å номера на хидрофобни групи + 7

Ето някои групови номера според Грифин:

хидрофилни групи


хидрофобни групи

Инструментариум

Тема: Изучаване на колоидни разтвори.

Дисциплина : Химия

добре : 2

семестър : 3

Съставено : Поливанова Т.В., учител по химия, първа квалификационна категория

Москва

2015

съдържание:

Мотивация на темата …………………………… …..страница 4

Цели и задачи..………………………. .p. 4

Информационен блок ……………... стр. 5

Блок за управление ……………….стр. осемнадесет

1.Мотивационна тема

Колоидните системи са широко разпространени в природата. Протеините, кръвта, лимфата, въглехидратите, пектините са в колоидно състояние. Много индустрии (хранителни, текстилни, каучукови, кожени, бои и лакове, керамични индустрии, технологии за изкуствени влакна, пластмаси, смазочни материали) са свързани с колоидни системи. Производството на строителни материали (цимент, бетон, свързващи разтвори) се основава на познаването на свойствата на колоидите. Въглищната, торфната, минната и нефтената промишленост се занимават с диспергирани материали (прах, суспензии, пяна). Колоидната химия е от особено значение в процесите на минерална обработка, раздробяване, флотация и мокро обогатяване на руди. Фото и кинематографските процеси също са свързани с използването на колоидно диспергирани системи.

Обектите на колоидна химия включват цялото разнообразие от форми на растителния и животинския свят, по-специално типичните колоидни образувания са мускулни и нервни клетки, клетъчни мембрани, влакна, гени, вируси, протоплазма, кръв. Следователно колоидният учен И. И. Жуков заявява, че „човек по същество е ходещ колоид“. В светлината на това, технологията на лекарствата (мехлеми, емулсии, суспензии, аерозоли, прахове), ефектът на различни лекарства върху тялото не може да се представи без познаване на колоидна химия.

2. Цели и задачи.

Цел: придобиване на систематични знания за колоидно-дисперсните системи, в зависимост от признаците на класификация, за методите за получаване, почистване и стабилност на дисперсните системи и способност за прилагане на тези знания към специфични системи, намиращи се в биологични обекти.

задачи:

образователен:

да запознае учениците с понятието дисперсни системи, колоидни разтвори.

да запознае учениците с методите за получаване на колоидни разтвори.

обяснява на учениците методите за пречистване на колоидни разтвори, структурата на мицелите.

да запознае учениците със свойствата на колоидни разтвори.

развиващи се:

да продължи и разшири познавателната дейност на учениците, както и техните представи за методите за получаване на колоидни разтвори.

продължават да развиват и разширяват разбиранията на учениците за диализата, електродиализата, ултрафилтрацията, съставните части на колоидна частица и тяхното практическо значение в ежедневието.

отглеждане:

продължават да култивират внимание, наблюдателност, естетически чувства, умения за работа с техника.

Информационен блок.

Дисперсни системи – хетерогенни системи, в които едно вещество (дисперсна фаза) е равномерно разпределено в друго (дисперсионна среда). Свойства на материята във фрагментирана (разпръснато ) състояние се различават значително от свойствата на същото вещество, което е под формата на твърдо тяло или някакъв обем течност.

Има няколко различни класификации на дисперсните частици: според размера на частиците, според състоянието на агрегиране на дисперсната фаза и дисперсионната среда, според естеството на взаимодействието на частиците от дисперсната фаза с молекулите на дисперсионната среда, според до термодинамична и кинетична стабилност.

В зависимост от размера на частиците на дисперсната фаза а се разграничават следните дисперсни системи

Дисперсни системи

Размер на частиците

име

а ≤ 10 -9 м

Истински решения

а = 10 -9 –10 -7 м

колоидни системи

а ≥ 10 -7 –10 -5 м

Груби системи

Класификацията на дисперсните системи според състоянието на агрегиране на дисперсната фаза и дисперсионната среда е дадена в табл.

Класификация на дисперсните системи

разпръснато

фаза

Дисперсионна среда

Газ

Течност

Солиден

Газ

Не е формиран

Пяна

твърда пяна

Течност

Спрей

Емулсия

твърда емулсия

Солиден

Аерозол, прах

Суспензия и сол

твърд сол

Колоидното състояние е характерно за много вещества, ако техните частици са с размер 10ˉ 7 до 10 5 виж. Общата им повърхност е огромна и има повърхностна енергия, поради която може да адсорбира частици от разтвора. Получената колоидна частица се наричамицел . Той има сложна структура и се състои от ядро, адсорбирани йони и противойони.

Ако разтворителят взаимодейства с ядрото на частиците, тогавалиофилна колоиди, ако не взаимодейства, тогавалиофобни колоиди.

Справка по история

Обикновено се смята, че основателят на колоидна химия е английският учен Томас Греъм (1805-1869), който през 50-60-те години на миналия век въвежда в обращение основните колоидно-химични понятия. Не бива обаче да забравяме, че той е имал предшественици и преди всичко - Якоб Берцелиус, италианският химик Франческо Селми. През 30-те годиниXIXвек, Берцелиус описва редица утайки, които преминават през филтъра при измиване (силициева и ванадиева киселини, сребърен хлорид, пруско синьо и др.). Берцелиус нарече тези утайки, преминаващи през филтъра, „разтвори“, но в същото време посочи техния близък афинитет с емулсии и суспензии, със свойствата на които е добре запознат. Франческо Селми през 50-те годиниXIXвек, продължи работата си в тази посока, търсейки физико-химични разлики между системите, образувани от утайки, преминаващи през филтър (той ги нарече „псевдо-разтвори“) и обикновените истински разтвори.

Английският учен Майкъл Фарадей (*) през 1857 г. синтезира колоидни разтвори на злато - суспензияAuвъв вода с размери на частиците от 1 до 10 nm. и разработени методи за тяхното стабилизиране.

Тези „псевдо-разтвори“ разсейват светлината, разтворените в тях вещества се утаяват при добавяне на малки количества соли, преходът на веществото в разтвор и утаяването от него не са придружени от промяна в температурата и обема на системата, което обикновено се наблюдава при разтваряне на кристални вещества.

Томас Греъм развива тези идеи за разликата между "псевдо-решения" и истински решения и въвежда концепцията за "колоид". Греъм открива, че вещества, способни да образуват желатинови аморфни утайки, като алуминиев хидроксид, албумин, желатин, дифундират във вода с бавна скорост в сравнение с кристалните вещества (NaCl, захароза). В същото време кристалните вещества лесно преминават през пергаментови черупки в разтвор („диализират“), докато желатиновите вещества не преминават през тези черупки. Вземайки лепилото като типичен представител на желатинозни, недифундиращи и недиализиращи вещества, Греъм им дава общоприетото име „колоид”, т.е. като лепило (от гръцката дума colla - лепило). Той нарече кристалните вещества и веществата, които са добри за дифузия и диализа, "кристалоиди".

Мицела и нейната структура

Колоидната частица е ядро от слабо разтворимо вещество с колоидна дисперсия, върху чиято повърхност се адсорбират електролитните йони на разтвора. Йоните на електролита осигуряват стабилността на зола, така че този електролит се нарича йонен стабилизатор. Това означава, че колоидна частица е комплекс, състоящ се от ядро, заедно с адсорбционен слой от противойони. Агрегат от частица или ядро е вещество с кристална структура, състоящо се от стотици или хиляди атоми, йони или молекули, заобиколени от йони. Ядрото заедно с адсорбирани йони се нарича гранула. Така че гранулата има определен заряд. Около него се събират противоположно заредени йони, което му придава цялостна електрическа неутралност. Цялата система, състояща се от гранула и околните йони, се нарича мицела и е електрически неутрална. Течната фаза около мицела се нарича междумицеларна течност. Това може да бъде представено като следната кратка диаграма:

гранула, т.е. колоидна частица = ядро + адсорбционен слой + противойонен слой + дифузен слой

мицел = гранула + противойони

сол = мицели + интермицеларна течност.

Да разгледаме като пример солта As 2 С 3 (Фигура 7). За да се получи този зол, арсеновата киселина трябва да се третира със сероводород. Текущата реакция може да се запише по следния начин:

2H 3 AsO 3 + 3H 2 С= Като 2 С 3 + 6H 2 О

Излишъкът на H 2 S играе ролята на йонен стабилизатор в тази система. Х 2 S частично се дисоциира на йони:

Х 2 S↔HS - + Х +

От тези HS йони - йони се адсорбират върху повърхността на ядрото на мицела As 2 С 3 , така че в тази система:

[Като 2 С 3 ] н - мерна единица

[Като 2 С 3 ] н , m HS - - ядро

([Като 2 С 3 ] н , m HS - ,(m-x)Х + } - х - гранула

([Като 2 С 3 ] н , m HS - ,(m-x)Х + } - хХ + - мицел

Ядрата на мицелите имат кристална структура. Процесът на образуване на колоидни частици е проучен подробно от V.A. Каргин и З.Я. Берестнева през 1953 г. с помощта на електронен микроскоп и създава нова теория. Според тази теория механизмът на образуване на колоидна частица протича на два етапа: първо се образуват сферични частици, които са в аморфно състояние, а след това вътре в аморфните частици се появяват малки кристали. Поради появата на кристални структури вътре в аморфните частици се създава напрежение и според минималната вътрешна енергия на системата се подчинява на условията (∆Н<0, ∆S<0), |∆Н| >|Т∆S|, ∆G<0) происходит самопроизвольный процесс распада на множество мелких кристаллических частиц и эти кристаллы становятся центром мицеллы. Скорость кристаллизации для различных золей различна.

Методи за получаване на колоидни разтвори

Колоидни разтвори могат да бъдат получени:

1. Дисперсионни методи на базата на смачкване или диспергиране на големи частици от вещество до колоидни размери. Диспергирането може да се извърши чрез механично смилане, електрическо пръскане и така нататък.

Дисперсните методи включват– процесът на образуване на золи от гелове или насипни седименти под действието на пептизатори (в повечето случаи електролити), адсорбирани върху повърхността на колоидни ядра и улесняващи взаимодействието им с дисперсионната среда.

2. кондензационни методи , въз основа на агрегирането на молекули или йони на по-големи частици. Агрегацията на частиците може да се извърши по различни начини.

При кондензационния метод растежът на частиците спира много преди образуването на термодинамично стабилен интерфейс. Следователно колоидни системи, независимо от начина на приготвяне, сатермодинамично нестабилна . С течение на времето, в резултат на стремежа към термодинамично по-благоприятно състояние, колоидни системи престават да съществуват поради коагулация - процесът на уголемяване на частиците.

Физико-химичната кондензация се отнася до метода за заместване на разтворителя, който се свежда до факта, че веществото, от което се предполага, че се получава золът, се разтваря в подходящ разтворител в присъствието на стабилизатор (или без него) и след това разтворът се смесва с излишък от друга течност, в която веществото е неразтворимо. В резултат на това се образува зол. Така се получават серни золи, колофон. Поради което в този случай настъпва насищане.

Химическият метод на кондензация се основава на реакции, водещи до образуване на твърд продукт.

а) Реакции на възстановяване.

Например, получаване на золи на злато и сребро чрез взаимодействието на соли на тези метали с редуциращи агенти:

2KAuO2 + 3HCHO + K2CO3 → 2Au + 3HCOOK + KHCO3 + H2O.

(·nAuO2–·(n–x)К+)x–·xК+ – златен зол мицел.

б) Реакции на окисляване.

Например, получаване на серен зол:

2H2S + O2 → 2S + 2H2O.

Мицелната структура на получения зол може да бъде представена със следната формула:

{ · nS5O62–· 2(n–x)H+)· 2xH+.

в) Обменни реакции. Например, получаване на зол на бариев сулфат.

При използване на обменни реакции съставът на мицелите зависи от реда, в който се изливат разтворите на реагентите!

г) Реакции на хидролиза.

Например, червено-кафяв зол от железен (III) хидроксид се получава чрез добавяне на малко количество железен (III) хлорид към вряща вода: FeCl3 + H2O → Fe(OH)3 + 3HCl.

Структурата на Fe(OH)3 зол мицелите, в зависимост от това кой йон е стабилизатор, може да се изрази с формулите:

{ · nFeO+· (n–x)Cl–)x+· xCl–

или { · nFe3+· 3(n–x)Cl–)3x+· 3xCl–

или { · nH+· (n–x)Cl–)x+· xCl-.

Пример за производство на колоидни системи чрез кристализация е кристализацията от свръхнаситен разтвор на захароза при производството на захар. Процесът на десублимация протича по време на образуването на облаци, когато при преохладени условия веднага се образуват кристали от водна пара, а не водни капки.

Свойства на колоидни системи:

разсейване на светлината (опалесценция) (показва хетерогенността, многофазовия характер на системата).

Опалесценцията става особено забележима, ако, както направи Тиндал ( прокарайте лъч от сближаващи се лъчи през колоиден разтвор, като поставите леща между източника на светлина и кюветата с разтвора. В този случай разтворите, които са прозрачни в пропусната светлина, проявяват всички свойства на мътна среда при странично осветяване. В колоидна течност, наблюдавана отстрани, се образува ярък светещ конус (конус на Тиндал).

бавна дифузия

ниско осмотично налягане

колоидни разтвори са способни на диализа, т.е. могат да бъдат отделени от примеси с помощта на мембрана

способни на коагулация (разрушаване) на системата при: добавяне на примеси, промяна на T, смесване и др.

понякога се открива явлението електрофореза, т.е. частиците в системата може да имат заряд.

Стабилност на колоидни разтвори

Има кинетична и агрегатна стабилност на колоидни системи.Кинетична стабилност свързано със способността на частиците от дисперсната фаза да спонтанно термично движение в разтвор, което е известно като Брауново движение. Такова хаотично движение на частиците предотвратява връзката им. Обикновено колоидните разтвори са кинетично стабилни и тяхното разрушаване настъпва само след нарушаване на агрегатната стабилност на разтвора.

Агрегатна стабилност поради факта, че адсорбцията на йони (молекули) от околната среда се извършва върху повърхността на колоидни частици.

Вещество, което се адсорбира върху ядрата на частиците и повишава стабилността на колоидни разтвори, се нарича стабилизатор. При йонен стабилизатор се появяват двойни електрически слоеве около ядрата на мицелите, което затруднява комбинирането им. В случай на молекулен стабилизатор, върху адсорбираните молекули поради междумолекулните сили на взаимодействие, от молекулите на дисперсионната среда възникват солватни обвивки (слоеве), които предотвратяват асоциирането на частиците.

Разрушаване на колоидни разтвори

Процесът на уголемяване на колоидни частици, водещ до намаляване на степента на диспергиране на диспергирано вещество, се наричакоагулация . Коагулацията или слепването на частиците води до утаяване (утаяване) на големи агрегати под формата на утайка.

Намаляването на стабилността на колоидните системи се причинява от въвеждането на електролити, които променят структурата на дифузния слой от йони. Освен това само онези йони (коагулатори), които носят заряд, съгласно едноименния закон със заряда на противойона на колоидна частица, имат коагулиращ ефект в електролита. Коагулиращият ефект на йона на коагулатора е толкова по-голям, колкото по-голям е неговият заряд.

Коагулация - спонтанен процес, произтичащ от желанието на системата да премине в състояние с по-ниска повърхностна енергия и по-ниска стойност на изобарния потенциал. Процесът на утаяване на коагулираното вещество също протича спонтанно. Коагулацията може да се дължи на различни причини, най-ефективното действие на електролитите. Минималната концентрация на електролит в разтвор, който причинява коагулация, се нарича праг на коагулация. Коагулацията се получава и при изместване на два зола с различни признаци на заряд на частиците. Това явление се нарича взаимна коагулация.

Метод за пречистване на колоидни разтвори

чрез диализа

При получаване на колоидни системи, освен дисперсната фаза, в състава им присъстват в големи количества киселини, основи и соли. За да се гарантира стабилността на колоидния разтвор, в разтвора трябва да присъства малко електролит, но излишният електролит трябва да бъде отстранен. Отстраняването на излишно количество електролит от колоиден разтвор се нарича отстраняване на електролит от колоиден разтвор. При пречистване на колоидни разтвори се използват методи за диализа, ултрафилтрация и електродиализа.

Особеност на диализата е, че колоидният разтвор и електролитите, присъстващи в него, се отделят от чистия разтворител (вода) с помощта на полупропусклива мембрана (фиг. 4). Молекулите и йоните, способни да преминат през такава мембрана, ще преминат в разтвор, докато се установи равновесие между концентрациите на молекули и йони от двете страни на мембраната. Чрез периодична смяна на разтворителя е възможно золът да се изчисти от примеси до известна степен. За диализа обикновено се използват колодийни филми, както и прегради от целулозен ацетат, целофан и други материали. Заедно с това се използват и естествени филми, например стените на пикочния мехур.

Колоиден разтвор (А) се излива в съд, покрит с мембрана (В), след което се потапя в съд, пълен с чиста вода (В). Водата във външния съд се сменя периодично, т.е. използва се проточен диализатор с непрекъсната смяна на водата. Стените на пикочния мехур или други мембрани имат много малки дупки (диаметърът им е 20-30 микрона). Молекули или йони могат да преминат през тези дупки, но не и колоидни частици. Електролитите, съдържащи се в пепелта, дифундират във вода и се отмиват от колоиден разтвор през мембраната. Чрез смяна на водата колоидният разтвор може да бъде пречистен до известна степен.

метод на електродиализа

При електродиализата диализата се ускорява от действието на електрически ток. Между две мембрани M 1 тях 2 поставя се колоиден разтвор, който трябва да се почисти от електролити (фиг. 5). В страничните части на съда, в които непрекъснато преминава чиста вода (разтворител), има електроди. При преминаване на електрически ток положително заредените йони се насочват към катода и отрицателно заредени към анода. Електролитните йони, преминали през мембраната, се събират в частта на съда, където са монтирани електродите. Пречистеният зол остава в средната част на съда между двете мембрани. Този метод се използва главно при пречистване на органични колоиди. В индустрията се използва широко за получаване на чист желатин, лепило.

метод на ултрафилтрация

Колоидните разтвори могат да бъдат пречистени чрез филтрирането им през полупропускливи мембрани. Ултрафилтърът се състои от фуния на Бюхнер (1), мембрана (2), колба на Бюнзен (3) и помпа (4) (фиг. 6). За да се ускори ултрафилтрацията се извършва под налягане. С помощта на определена мембрана е възможно да се филтрира колоиден разтвор от електролита, както и золите един от друг. За да направите това, диаметрите на отвора на мембраната трябва да са по-големи от частиците на един зол и по-малки от частиците на друг зол.

Използване в медицината

В медицината колоидни разтвори се използват навсякъде. Ето няколко примера за тяхното използване. което представлява малки метални частици, диспергирани във вода, използвани при лечението на изгаряния, и дванадесетопръстника, за измиване на носната лигавица, за да се предотврати разпространението на вирусни инфекции.

Фармацевтичната индустрия предлага широка гама от колоидни разтвори за различни цели. Сред тях има универсални средства, които могат да се използват като заздравяване на рани при изгаряния, хемороиди; противовъзпалителни - при хрема, тонзилит, синузит; аналгетици - за облекчаване на зъбобол и не само. Те включват колоиден разтвор "Милениум". Гелът съдържа алое, пшеничен протеин, женшен, витамин Е и други полезни добавки. Много лекарства за локално приложение всъщност са колоидни разтвори. За ставите, например, се използва "Artro Complex", който съдържа такъв полезен компонент като хрущяла от акула.

Приложение в ежедневието и индустрията

Колоидните разтвори са в основата на детергентите и почистващите повърхностноактивни вещества. Замърсителите проникват в мицелите и по този начин се отстраняват от повърхността.

Друг важен аспект от използването на мицелообразуващи повърхностноактивни вещества е производството на полимери, по-специално латекси, поливинил алкохол и лепила от растителен произход. На базата на емулсия се получават различни пластмаси, заместители на кожа. За почистване се използват и повърхностноактивни вещества и питейна вода.

Предимствата на козметиката на базата на колоидни разтвори са проникването на активни вещества през човешката кожа и структурата на косъма. Такива продукти се използват ефективно срещу стареене. Те включват по-специално гелът Millennium Neo. Колоидният разтвор помага на съдържащите се в него компоненти да достигнат до дълбоките слоеве на кожата, заобикаляйки епидермиса.

литература:

Пустовалова Л.М., Никанорова И.Е. Обща химия. - Ростов н/Д: Феникс, 2006. - 478 с.

Stromberg A.G., Semchenko D.P. Физическа химия. - М.: Висше училище, 2003. - 527 с.

Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическа и колоидна химия. - М.: Висше училище, 1990. - 487 с.

Болдирев А.И. Демонстрационни експерименти по физична и колоидна химия. - М.: Висше училище, 1976. - 256 с.

Контролен блок

Тест на тема: "Разпръснати системи"

Помислете за фигурата, изобразяваща дисперсна система. Назовете основните му компоненти:

Биологичният гел е:

хрущял

въздух

облаци

речна вода

3 .

Разпределете дисперсните системи в отделни групи в зависимост от състоянието на агрегиране на дисперсната фаза и дисперсионната среда: телесни течности, пясъчни бури, въздух, свързан газ с маслени капчици, крем, пяна, цветни стъкла, текстилни тъкани, газирани напитки, медицински и козметични продукти , газиран шоколад, мляко, тухли и керамика, природен газ, влажна почва, скали, хоросани, пасти, смог, прахове, масло, прах във въздуха, гелове, изпарения, сплави, мъгла, золи.

Фаза сряда

г - газообразно вещество;Ф - течно вещество;т - твърдо

Приликата на суспензиите и емулсиите е, че:

те са хетерогенни системи

частиците се виждат с просто око

лесно падат

всички отговори са верни

Емулсията е:

мляко

пяна

желе

мъгла

Грубите системи включват:

решение

сол

окачване

гел

Дисперсната фаза на керамичните продукти е:

1) твърдо

2) газ

3) течност

4) зависи от вида на керамичния продукт

емулсиите включват:

1) крем

2) речна тиня

3) цветно стъкло

4) текстилни тъкани

Дисперсна фаза на газирани напитки:

1) азот

2) вода

3) въглероден диоксид

4) кислород

10.

Посочете фигурата, илюстрираща ефекта на Тиндал в колоидни и истински разтвори:

11.

Аерозолът е:

1) прах

2) облак прах

3) лак за коса

4) всички отговори са верни

12.

Хроматографията е:

метод за разделяне на хетерогенни смеси

вид дисперсна система

дисперсионна среда

метод за разделяне на хомогенни смеси

13.

Емулсията е система, образувана от:

1) твърдо и газообразно

2) две различни течности

3) течност и газ

4) течни и твърди

14.

Установете съответствие между примери за дисперсни системи и тяхното име:

ДИСПЕРСИВНА СИСТЕМА

ПРИМЕР

1) окачване

А) мляко

2) емулсия

Б) яйчен белтък

3) колоиден разтвор

Б) суспензия от тиня

4) решение

Г) захарен разтвор

СТАНДАРТИ НА ОТГОВОРИТЕ

Не е лесно да се разбере какво е колоидна защита и какво отношение има тя към обикновения човек. Световната мрежа е пълна с различни научни статии в областта на химията и анатомията. Все пак би било полезно всеки от нас да разбере този труден въпрос, защото всеки ден се сблъскваме с това явление.

Колоидната защита е свойството да предпазва колоидни системи от коагулация. За да се разбере това определение, е необходимо да се разберат всички термини по ред.

Колоидни системи и какво е това

Първо е необходимо да се разбере какво е колоидна система. Това е формация или вещество, което има няколко компонента в състава си. Частиците от компоненти пристигат в различни фази или състояния. В природата има три основни състояния: твърдо, течно, газообразно.

Има няколко вида колоидни системи:

течни аерозоли (например мъгла);
твърди аерозоли (перистообразни облаци);
пяна (сапунена пяна);
твърда пяна (стиропор);
емулсия (мляко);
твърда паста (перла);
золи или разтвори (паста за зъби);
твърдо окачване (пластмаса).

Често в природата колоидните системи се представят като течни разтвори, в които има твърди частици.

Разтворът е хомогенна смес, която се състои от няколко компонента. Всички те пристигат в една фаза или състояние на агрегатиране. Течното агрегатно състояние е присъщо на разтвора. Колоидният разтвор е вещество, което съдържа твърди частици. Размерът им е толкова малък, че не надвишава 0,1 микрона. Въпреки че, ако желаете, частиците могат да се видят дори от обикновен човек. Необходимо е само разтворът да се постави в прозрачен съд под пряка слънчева светлина. Те ще помогнат да се види хетерогенността на структурата. Обобщавайки, можем да кажем, че колоиден разтвор е течност, която се състои от няколко компонента, един от които е твърди частици.

Мистериозна коагулация

Следващият неясен термин в определението е коагулация. Преводът на тази дума от латински означава нищо повече от кондензация или съкращаване. Ако опростим доколкото е възможно научното значение, тогава коагулацията е процес на комбиниране или слепване на твърди частици по време на контакт. Импулсът за започване на такава реакция може да бъде естествен сблъсък в момента на Брауновото движение на частиците, влиянието на електрическо поле или механичен ефект (например вибрация или активно смесване).

Повечето от нас дори не се замислят колко често се сблъскваме с процеса на коагулация в ежедневието. Виждайки кисело мляко, на добрата домакиня никога не би му хрумнало, че наблюдава процеса на коагулация. Основните признаци на коагулация са:

появата на утайка;
повишена мътност на течността;
флокулентни образувания.

Коагулацията се използва широко в медицината. Например, това е чудесен начин да се справите с паякообразните вени по лицето и тялото. Съвременните козметолози действат върху съда с лазер, което го кара да се слепва. С течение на времето той напълно се разтваря.

Трябва да се отбележи, че коагулацията е естествено явление, а не изобретение на човечеството. Съвременните учени са намерили приложение само на това чудо.

Тази техника се използва широко в индустрията. Например, чудили ли сте се някога как работят нашите водни филтри? Филтърът се състои от вещество, способно да прикрепи нежелани частици замърсители към своите молекули, като същевременно не реагира с молекулите на водата.

На този етап е напълно възможно да се очертае линия, че колоидна защита е свойство на няколко компонента на разтвора, включително твърди частици, да не се слепват и обединяват помежду си, а да остават независими.

Трябва да се отбележи, че има едно условие, при което колоидна защита запазва свойствата си - наличието на малко количество макромолекулни вещества. Това означава, че за да не се комбинират частиците помежду си, е необходимо в състава на разтвора да има защитни вещества, тоест такива, които предотвратяват залепването. Например, това са протеини, нишесте, агар-агар и други.

Колоидна защита в човешкото тяло

В основата си човек се състои изцяло от колоидни системи, които съществуват само ако има колоидна защита. Перфектните примери за тези системи са кръвта и обикновените малки клетки.

Всяка клетка на нашето тяло се състои от ядро, лизозома, рибозома, комплекс на Голджи, хиалоплазма и мембрана. Защитно вещество, което предотвратява слепването на компонентите на клетката, е протеин, за чийто синтез е отговорно ядрото. Хиалоплазмата е основата на колоидна система, просто казано течност. Всички останали компоненти могат условно да се нарекат твърди частици. Те ефективно изпълняват функциите си само ако са независими един от друг.

Вторият поразителен пример за колоидна система е кръвта. В този случай течната среда е плазма, която се състои от вода, протеин, аминокиселини, поли- и монозахариди и много други. Частиците, които не трябва да се слепват, са еритроцити, тромбоцити, левкоцити.

Също така, протеинът, съдържащ се в плазмата, предотвратява натрупването на холестеролни мастни капчици. Ако колоидна защита на кръвоносната система отслаби, холестеролът ще се натрупва, комбинира и отлага по стените на кръвоносните съдове и вътрешните органи.

Разбира се, от гледна точка на учените, това описание е доста условно и съмнително. Това обаче ще помогне на обикновения човек да разбере основните принципи на колоидна защита.

Колоидна защита във фармацевтичните продукти. Колоидно сребро

Както бе споменато по-рано, учените широко използват феномена на колоидна защита в индустрията, медицината, козметологията, хранително-вкусовата промишленост и фармацевтиката. Най-популярната разработка на последното е колоидно сребро.

От древни времена лекарите и химиците са знаели за антибактериалните свойства на среброто. Използвайки феномена на колоидна защита, учените са разработили хранителни разтвори с добавка на сребърни йони, които не могат да се комбинират от защитни вещества. Така стана възможно да се използва сребро през устата. Колоидното сребро се използва като естествен антибиотик. Има експерименти за използването на сребро в борбата срещу рак, СПИН, туберкулоза и заболявания на пикочно-половата система.

Не забравяйте, че среброто е тежък метал, поради което се отделя доста бавно от човешкото тяло, а също така има кумулативен ефект. Сребърните йони лесно се абсорбират в кръвоносната система, навлизайки в стомашно-чревния тракт. Черният дроб, кожата, лигавиците, бъбреците, далакът, костният мозък, стените на капилярите, ендокринните жлези, лещата и роговицата на окото са склонни да натрупват и отлагат сребърни йони. С течение на времето прекомерното натрупване на сребро в човешкото тяло може да причини "аргиоза". Това заболяване се проявява в промяна в цвета на очите, кожата и лигавиците.

В момента оралната и интравенозна употреба на колоидно сребро е забранена в повечето страни. Въпреки лечебните свойства, които природата е надарила със сребро, то е опасно за човешкото тяло. Тъй като колоидно сребро е абсолютно достъпно на фармацевтичния пазар, от вас зависи да решите дали да го използвате или не.

Течна хроматография HPLC анализ хроматография

Показатели за качеството на образователните услуги на университета Образователни услуги с високо ниво на качество