Физическа и колоидна химия. Колоидна защита Колоидни системи и какво представляват те

ГЛАВА 1

СТРУКТУРНИ ОСОБЕНОСТИ НА ПОВЪРХНОСТНИЯ СЛОЙ. ПОВЪРХНОСТНО НАПРЕЖЕНИЕ

1.1. Повърхностна енергия на Гибс. Повърхностно напрежение

Междуфазната 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.

Всякакви твърди или течно веществов най-простия случай се състои от молекули от един 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, защото изпитват по-голямо привличане от молекулите в по-голямата част от кондензираната фаза, отколкото от газовите молекули 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 .

Поради това течните и твърдите тела спонтанно придобиват минималния възможен обем и практически не се свиват, а тяхното разтягане и разкъсване изисква значителен разход на енергия.

Тази енергия, предавана на повърхностния слой и определяща неговата стабилност, според Дж. У. Гибс е т.нар. свободна повърхностна енергия Ж С , пропорционална на повърхността на интерфейса:

Ж С =  С , (1.1)

Където  - коефициент на пропорционалност, нар коефициент на повърхностно напрежение. Физически смисъл  - свободна повърхностна енергия на единица интерфейсна площ или, с други думи, работата на обратимо изотермично образуване на единица интерфейсна площ. SI измерение  - J/m 2.

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

Съществуването на повърхностно напрежение обяснява следните добре известни факти: капки вода не проникват през малки дупки и пространства между нишките на платовете за чадъри или палатки; водните паяци и насекомите могат да тичат по повърхността на водата, поддържани от невидим повърхностен филм, капките дъжд или мъгла придобиват сферична форма и т.н.

При раздробяване на твърдо или течно тяло общата междуфазова повърхност се увеличава, поради което все по-голяма част от молекулите му се озовават на повърхността, а делът на молекулите, разположени в обема, намалява. Следователно, колкото по-малки са частиците, толкова по-голям дял от термодинамичните функции, включително енергията на Гибс на частицата, принадлежи на повърхностните молекули.
1.2. Начини за намаляване на свободната повърхностна енергия
Всяка система, включително разпръснатите, се стреми към равновесие. От курса физическа химияизвестно е, че в този случай винаги има тенденция към спонтанно намаляване на енергията на Гибс Ж . Това важи и за свободната повърхностна енергия на дисперсните системи Ж С .

Освен това, в съответствие с уравнение (1.1), намалението Ж С може да се постигне по следните начини:

а) При постоянно повърхностно напрежениечрез намаляване на интерфейсния интерфейс:

Ж С =   С .

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

 Спонтанно усвояване от частици на геометрична форма, която съответства на минималната свободна повърхностна енергия. По този начин, при липса на външни силови въздействия, капка течност придобива формата на топка.

 Комбиниране (агрегация) на малки частици в по-големи (агрегати). В този случай се постига много по-голяма печалба от енергия, тъй като при комбиниране фазовият интерфейс намалява много значително.

От това следва, че имайки голям запас от повърхностна енергия, дисперсните системи са фундаментално агрегативно нестабилнии се стремят спонтанно да намалят степента на дисперсия чрез комбиниране на частици от дисперсната фаза.

б) При постоянна област на интерфейсачрез намаляване на повърхностното напрежение:

Ж С = С  .

В много случаи, включително при производството на лекарствени форми, когато е необходимо да се поддържат постоянни размери на частиците на дисперсната фаза в системата, намаляването на междуфазовото повърхностно напрежение е най-важният и често единственият начин за поддържане на степента на дисперсност.

Намаляването на повърхностното напрежение се постига чрез въвеждане в дисперсната система повърхностноактивни вещества (Повърхностно активно вещество), които имат способността да се концентрират (адсорбират) на границата и чрез тяхното присъствие намаляват повърхностното напрежение.

1.3. Повърхностноактивни вещества

Имат способността да намаляват повърхностното напрежение органична материяс асиметрични дифиленмолекули, които съдържат както полярни (хидрофилни), така и неполярни (липофилни) групи. Хидрофилните групи (-OH, -COOH, -SO 3 H, -NH 2 и т.н.) осигуряват афинитета на повърхностноактивното вещество във водата, докато хидрофобните групи (обикновено въглеводородни радикали, както алифатни, така и ароматни) осигуряват афинитета на повърхностноактивното вещество към неполярни среди. Собственото повърхностно напрежение на повърхностно активното вещество трябва да бъде по-малко от това на даденото твърдо или течно вещество. В адсорбционния слой на фазовата граница амфифилните молекули са ориентирани по най-енергетично благоприятния начин: хидрофилни групи - към полярната фаза, хидрофобни - към неполярната фаза.

Графично молекулата на повърхностно активното вещество се представя със символа , в който кръгът означава хидрофилна група, а линията означава хидрофобна.

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

 По вид на хидрофилните групи диференцират нейонни (нейонни) И йонни (йонни) повърхностно активно вещество.

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

Йонните се дисоциират в разтвор на йони, някои от които действително имат повърхностна активност, докато други не. В зависимост от знака на заряда на повърхностноактивния йон повърхностноактивните вещества се разделят на катионно активен, анион-активенИ амфотерни.

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

Второ 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 отчита от катионни (главно производни на алкиламини, първични, вторични и третични) и амфотерни повърхностноактивни вещества (например аминокиселини, протеини). Много алкалоиди също са катионни повърхностноактивни вещества.

 Поведение в разтвор всички повърхностноактивни вещества се разделят на истински-разтворими колоиден (или мицелообразуващи, MPAV). Първата група включва голямо числосилно разтворим във вода дифилен органични съединенияс 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.

От особен интерес са колоидните повърхностно активни вещества. Те са тези, които намират най-широко приложение в практиката, включително за стабилизиране на дисперсни системи, и се разбират основно с термина ПАВ. Тяхната основна отличителна черта е способността да образуват термодинамично стабилни ( лиофилен) хетерогенни дисперсни системи - мицеларни повърхностно активни разтвори. Минималният брой С атоми в молекулите на MPAS е 8–12, т.е. тези съединения имат доста голям въглеводороден радикал.
1.5. Приложение на ПАВ

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.

Във фармацията повърхностноактивните вещества се използват предимно под формата медицински сапунии стабилизатори за такива дозирани форми като емулсии, суспензии, колоидни разтвори, солюбилизирани системи.

Медицинските сапуни се използват като перилни, дезинфектанти и дерматологични средства. Те са смеси от обикновен натриев и калиев сапун с багрила, аромати и някои дезинфектанти или лекарства (например зелен сапун, катран, ихтиол, карбол, сяра, хлорфенол, сулсенов сапун).

Като стабилизатори за лекарствени форми се използват високомолекулни естествени повърхностно активни 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. във фармацията.

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

Twin-80 сулфанол

1.6. Изотерма на повърхностното напрежение. Уравнението

Шишковски
Зависимостта на повърхностното напрежение на разтворите на ПАВ от тяхната концентрация се изразява при всяка дадена постоянна температура чрез изотерми. Обща форматакава изотерма е показана на фиг. 1.1. Изотермата на повърхностното напрежение напуска точката  0 на оста y, което съответства на повърхностното напрежение на чист разтворител. С увеличаване на концентрацията на ПАВ, повърхностното напрежение постепенно намалява, клонейки към определена минимална постоянна стойност, характерна за всяко дадено ПАВ.

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;  - намаляване на повърхностното напрежение на разтвора на повърхностно активното вещество с концентрация СЪС в сравнение с  0 - повърхностно напрежение на разтворител (например вода) при дадена температура; А И b - константи. Константа А характеристика на всяка хомоложна серия; коефициент b индивидуално за всяко отделно ПАВ.

1.7. Свойства на повърхностно активното вещество: повърхностна активност, хидрофилен

липофилен баланс

Може да се характеризира способността на повърхностноактивните вещества да намаляват повърхностното напрежение повърхностна активност, което зависи главно от дължината на въглеводородния радикал в молекулата на повърхностно активното вещество. Повърхностната активност е производната на повърхностното напрежение на разтвор на повърхностно активно вещество въз основа на неговата концентрация

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

За наистина разтворимите повърхностноактивни вещества повърхностната активност се определя от началната част на изотермата на повърхностното напрежение (фиг. 1.2) при концентрация, клоняща към нула.

Ориз. 1.2. Определяне на повърхностната активност на ПАВ чрез изотерма

повърхностно напрежение

За да го намерите, се начертава допирателна към изотермата на повърхностното напрежение в точката, съответстваща на  0 . Допирателната се удължава, докато пресече концентрационната ос. Повърхностната активност се изчислява като тангенс на ъгъла на наклон на допирателната към абсцисната ос:

За повърхностно активни вещества, образуващи мицели, повърхностната активност може да се изчисли с помощта на 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 мицели (виж параграф 1.8).

Зависимостта на повърхностната активност от структурата на молекулите на повърхностно активното вещество се описва от правилото на P. E. Duclos - I. Traube:

Увеличаване на дължината на въглеводородния радикал в молекулата на ПАВ с една -СН 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 наистина разтворими повърхностно активни 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 ПАВ е хидрофилно-липофилен баланс (GLB). Изразява се в безразмерни числа  :

Където ( b +  ) – афинитет (енергия на взаимодействие на Гибс) на неполярната част на молекулата на повърхностно активното вещество към въглеводородната течност ( b – коефициент в зависимост от естеството на повърхностноактивното вещество,  - афинитет за една група CH 2 ,  - брой на CH 2  групите във въглеводородния радикал); А – афинитет на полярната група към водата.

Колкото по-висока е хидрофилността на повърхностно активното вещество, толкова по-голям е неговият HLB. Има скала на HLB числата (D. Davis, 1960; Griffin), вариращи от 1 до 40. HLB числото по тази скала може да се изчисли от сумата от номерата на групите, присвоени на всяка група атоми, включени в молекулата на повърхностно активното вещество:

HLB =  номера на хидрофилни групи +

+  номера на хидрофобни групи + 7

Ето някои групови номера според Грифин:

хидрофилни групи
SOOC	COONa	COOH	ОХ	=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 практическо определение HLB използват така наречените референтни точки, които са HLB числата на някои повърхностноактивни вещества: олеинова киселина - 1, триетаноламин - 12, натриев олеат - 18.

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

1.8. Образуване на мицели в разтвори на MPAS. Критичен

мицелна концентрация. Разтваряне
Мицелообразуващите повърхностно активни 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 помежду си, като първоначално образуват димери, тримери и други асоциати. След превишаване на определена концентрация, характерна за всяко ПАВ, наречена критична мицелна концентрация (CMC), MPAS съществува в разтвор под формата на специален вид образувания, наречени мицели. За повечето повърхностноактивни вещества CMC е в диапазона 10 - 5 - 10 - 2 mol/l.

Мицелът на повърхностно активното вещество се разбира като съвкупност от амфифилни молекули, чиито лиофилни групи са обърнати към съответния разтворител, а лиофобните групи са свързани помежду си, образувайки ядрото на мицела. Процесът на мицелизация е обратим, тъй като при разреждане на разтвора мицелите се разпадат на молекули и йони.

Във водни разтвори при концентрации, малко по-високи от CMC, се образуват сферични мицели („мицели на Хартли“). Вътрешността на мицелите на Хартли се състои от преплетени въглеводородни радикали, а полярните групи от молекули на повърхностно активното вещество са обърнати към водната фаза. Диаметърът на такива мицели е приблизително равен на удвоената дължина на молекулите на повърхностно активното вещество. Броят на молекулите в една мицела (степен на агрегация) се увеличава до определена граница (обикновено 30 - 100 молекули), след което не се променя с по-нататъшно увеличаване на концентрацията, но броят на мицелите се увеличава.

При по-високи концентрации мицелите на Хартли взаимодействат помежду си, което води до тяхната деформация. Те могат да имат цилиндрична, дисковидна, пръчковидна, плочевидна форма („мицели на Макбен“). При концентрации приблизително 10 - 50 пъти по-високи от CMC (т.нар. CMC 2), мицелите придобиват верижна ориентация и заедно с молекулите на разтворителя са в състояние да образуват желатинообразно тяло. Когато се добавят неутрални соли към такива концентрирани мицеларни разтвори на повърхностноактивни вещества - NaCl, KCl, NH 4 NO 3 и др. - солите отнемат водата, влизаща в хидратната обвивка от мицелите (мицелите се дехидратират) и улесняват интегрирането на мицелите . В този случай повърхностно активното вещество, в зависимост от плътността, се утаява или изплува на повърхността. Това отделяне на ПАВ от мицеларни разтвори се нарича изсоляване.

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

При добавяне на вещества, неразтворими в дадена среда, особено течни, към мицеларни разтвори на повърхностноактивни вещества и при разбъркване е възможно солюбилизация, тоест проникването на молекулите на тези вещества в мицелите. Така въглеводородите и мазнините се разтварят водни разтворисапуни и протеини (директна солюбилизация), вода и полярни вещества - мицеларни разтвори на ПАВ в неполярни органични разтворители (обратна солюбилизация).

Явлението солюбилизация се използва в технологията на лекарствата за получаване на течни лекарствени форми от неразтворими във вода вещества. Такива лекарствени форми се наричат солюбилизирани, а водонеразтворимите лекарствени вещества (например мастноразтворими витамини), включени в мицелите, се наричат солюбилизати. Въпреки това, тези дозирани форми трябва да се използват с повишено внимание, тъй като когато се разреждат, мицелите на повърхностно активното вещество ще се разпаднат, което ще доведе до освобождаване на големи капки или зърна от солюбилизата.

Колоидната химия изучава физикохимичните свойства на дисперсни системи - системи, една от фазите на които е сбор от много малки частици. Такива системи са широко разпространени в природата, в ежедневието, в технологиите, строителството и други области на дейност, както и, което е важно, във фармацията. Законите на колоидната химия са в основата на процесите на приготвяне на лекарствените форми, тяхното съхранение и стареене. Следователно познанията по основи на колоидната химия са необходими както на общите фармацевти, така и на технолозите в химическото и фармацевтичното производство, производството на продукти, използвани в парфюмерията, козметиката и в бита.

Този „Курс“ използва същата модулна презентационна система, както в тома, посветен на физическата химия. Същото важи и за дизайна на текста и търсачката. Поради факта, че материалът, включен във всеки раздел, е едно цяло, книгата не е разделена на лекции.

Авторът изказва дълбока благодарност на всички служители на Пятигорската държавна фармацевтична академия и по-специално на служителите от катедрата по физическа и колоидна химия на Пермския държавен университет по физика, чиито съвети, критични коментари и помощ бяха използвани при подготовката на курса от лекциите и написването на тази публикация и искрена благодарност на рецензентите за техния старателен анализ на ръкописа и за техните конструктивни коментари преди отпечатването.

ПРИЕТИ НОТАЦИИ

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

Е - сила

Г.С. - свободна повърхностна енергия

ж – ускорение на гравитацията

2) енталпия

аз - интензитет на светлината

й diff - дифузионен поток

К - 1) адсорбционна константа

равновесие

2) обменна константа

3) константа на скоростта на коагулация

К ’ – моларен коефициент на мътност

к - 1) Константа на Болцман

л - дължина

М - моларна маса

м - тегло

N.A. - Числото на Авогадро

н – 1) количество вещество (mol)

2) индекс на пречупване

3) брой частици

П – коагулираща способност

стр - налягане

Q – обемна скорост на потока

Р - универсална газова константа

r - радиус

С – 1) площ

2) ентропия

С sed - константа на утаяване

С sp – специфична повърхност

T - температура

T - време

V - сила на звука

v – скорост

w - Работа

z – йонен заряд

а – степен на подуване

b - коефициент на пяна

G - повърхностен излишък

g - праг на коагулация

д х – средно изместване на частиците при

Брауново движение

d - дебелина на двоен електрически

д - диелектрична константа

д 0 – електрическа константа

z - електрокинетичен потенциал

й - 1) обемна концентрация

2) електротермодинамичен

потенциал

ч - вискозитет

р - 1) контактен ъгъл

2) граница на провлачване

л - 1) хидрофилно-липофилен

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 скоростзавъртане

ОСНОВНИ ФИЗИЧНИ КОНСТАНТИ

Числото на Авогадро N.A. 6.02252´1023 mol-1

Числото на Фарадей Е 96487 C/mol-екв

Константа на Болцман к 1.3804´10-23 J/K

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

1,98725 кал/мол K =

0,082057 l atm/mol К

Електрическа константа д 0 8.´1012 F/m

ВЪВЕДЕНИЕ

1. Предметът на колоидната химия, нейното място сред природните науки

дисциплини и последици за фармацията, медицината и биологията

Колоидна химия- наука, която изучава дисперсни системи и повърхностни явления. Разтворите на високомолекулни вещества са в много отношения подобни по свойства на дисперсните системи, така че те също се разглеждат в хода на колоидната химия.

През 1861 г. английският химик Т. Греъм, продължавайки работата на Ф. Селми (1845), предлага да се раздели всичко химически веществав два класа според способността им да образуват разтвори с рязко различни свойства. Разтворите на вещества от същия клас - "кристалоиди" по терминологията на Греъм - са стабилни, преминават непроменени през растителни и животински мембрани, при изпаряване те обикновено дават кристални утайки, дифузията в тях протича сравнително бързо, в повечето случаи те са прозрачни (това са така наречените истински разтвори). Разтворите на вещества от друг клас най-често са нестабилни (лабилни), когато преминават през мембрани, те често се разделят или променят свойствата си, когато се изпаряват, се образуват аморфни утайки, които често не могат да бъдат повторно разтворени, дифузията в такива разтвори протича много бавно , като в повечето случаи са мътни . Този клас вещества Гръцко имеТ. Греъм нарича типичните им представители – растителни гуми и животински лепила – колоиди (от гръцки kolla – лепило), а образуваните от тях разтвори – колоидни разтвори. И въпреки че по-късно стана ясно, че разделянето на веществата на кристалоиди и колоиди е неправилно, тъй като едни и същи вещества могат да образуват както истински, така и колоидни разтвори при различни условия, терминът „колоидни разтвори“, както и производното име на науката „ колоидна химия” “ са запазени. Сега обаче тези понятия имат различно съдържание, което ще бъде разгледано по-долу.

Повечето от реалните тела около нас се състоят от малки частици - вариациипотопени във всяка среда (течна, твърда или газообразна). Дисперсиите включват частици с най-разнообразна форма - зърна, бучки, филми, нишки, въздушни мехурчета, капки течност, капиляри и др. Съвкупността от такива дисперсии, заедно със средата, в която са разпределени, образуват дисперсна система. По този начин дисперсните системи се състоят от непрекъсната дисперсионна средаИ диспергирана фаза- съвкупността от всички вариации.

Примери за естествени диспергирани системи включват 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 промишлени продукти също са дисперсни системи, например строителни материали, метални сплави, хартия, тъкани, хранителни продукти и много дозирани форми (прахове, емулсии, суспензии, аерозоли)
и т.н.). 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 те са особено забележими. повърхностни явления, които до голяма степен определят свойствата им. Повърхностните явления включват процеси, протичащи на границата, разделяща контактуващите (спрегнати) фази. По този начин биохимичните процеси в живите организми протичат на различни интерфейси, като мембрани, които образуват мембраните на клетките, ядрата, митохондриите и т.н. За подробно разглеждане на тези процеси в нормални и патологични състояния, както и процеси, включващи лекарствени вещества , знанията са необходими теории за повърхностни явления.

Колоидната химия има още един обект на изследване - високомолекулни вещества (ВМВ) и техните разтвори. Факт е, че макромолекулите на EMV имат размери, сравними с размерите на много малки дисперсии. Следователно техните решения са много общи свойствас разпръснати системи. Необходимостта от изучаване на EMV се дължи и на факта, че в състава на тъканите и клетките на тялото, цитоплазмата, кръвта и др. влизат естествени високомолекулни вещества - протеини, полизахариди, нуклеинова киселина. Разтвори на различни EMV се използват като лекарства, така че както фармакологът, така и фармацевтът трябва да познават свойствата и структурните характеристики на такива системи и да владеят методите за тяхното изследване.

Имайки за обекти на изследване предимно реални обекти в цялото многообразие на техните свойства, колоидната химия завършва общото химическо образование. В същото време има всички основания науката за дисперсните системи и повърхностните явления да се нарече физическа химия на реалните тела.

2. Признаци на обекти на колоидна химия

Обектите на колоидната химия се характеризират с две общи характеристики- хетерогенност и дисперсия. Всички специални свойства, присъщи на тях, са следствия или функции на хетерогенност и дисперсност.

Разнородност(многофазен) - знак, показващ наличието на междуфазен интерфейс. За разлика от други хетерогенни системи, дисперсните системи имат висока степенфрагментация и голям брой частици от дисперсна фаза.

дисперсност(фрагментация) се определя от размера на частиците на дисперсната фаза. Колкото по-малки са линейните размери на фазовите частици, толкова по-голяма е дисперсността му. Количествено дисперсността може да се изрази чрез следните характеристики:

1) линейни размеричастици А . Измерение А в системата SI - м. При изометрична форма на частица - 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 наричана 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 се побират на единица дължина, т.е. на 1 m.

3) специфична повърхност Sud , определена от съотношението на междуфазната 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 - повърхностна площ на една частица, V - обем на една частица. Измерение С победи V m2/m3 (или по-малко правилно m-1).

В много случаи дисперсиите спонтанно придобиват форма, близка до сферична или кубична. Това се дължи на факта, че от всички геометрични теласферата и кубът имат най-малка повърхност за същия обем. Следователно има прости формули за изчисление С победи V :

Където r - радиус на частицата, д - неговия диаметър;

- за системи с кубични частици

Където А -дължина на ръба на куба.

- Специфична повърхност по маса:

Където м - маса на една частица. защото м = r V , Където r е плътността на материята на частиците, тогава можем да запишем: . означава,

- за системи със сферични частици

;

- за системи с кубични частици:

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

С намаляване на количествената характеристика - размер на частиците - с постигане на определена степен на дисперсност, настъпва качествена промяна в свойствата на хетерогенната система, а именно: от различни физически и химични свойстваВодеща роля придобиват повърхностните явления. Тази качествена уникалност започва да се проявява, когато размерът на частиците на дисперсната фаза намалява до 10-4 ¸ 10-6 m и е особено ясно изразен в системи с частици с размер 10-7 ¸ 10-9 m. такива системи, които всъщност са обект на изследване на колоидната химия ( колоидни системи). Затова е прието да се говори за частици колоидни размерии относно специалните колоидно състояниевещества, като по този начин се подчертава уникалността на системите с изключително малки частици.

3. Кратък исторически очерк

За основател на колоидната химия се смята Т. Греъм, който извършва през 60-те години на 19 век. първите систематични изследвания на колоидни разтвори. Впоследствие колоидната химия усвоява резултатите, получени в други области на физиката и химията и в края на XIX– началото на 20 век V. се обособява в самостоятелен клон на химията.

Въз основа на механичната теория за капилярността, разработена през началото на XIX V.
Т. Йънг и П. Лаплас и термодинамиката на повърхностните явления, създадени
Дж. У. Гибс през 1870 г. формулира основните насоки на изследване в колоидната химия: изследване на процесите на образуване на нова фаза в хомогенни системи, термодинамичната стабилност на колоидните системи и количествено описание на адсорбцията на границата. Идеите за структурата на двойния електрически слой, разработени през 1853 г. от Г. Хелмхолц, позволиха да се обяснят електрокинетичните и капилярните явления. Създаването на теорията за разсейване на светлината от J. Rayleigh допринесе за количественото изследване на оптичните свойства на колоидните системи. Проучване
J. Perrin, T. Svedberg и R. Zsigmondy на Брауновото 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 явлението 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 ПАВ в мономолекулни адсорбционни слоеве. През 1928 г. той открива адсорбционното намаляване на якостта („ефект на Ребиндер“), а през 40-те и 50-те години на миналия век, въз основа на развитието на тази посока и изследванията на структурообразуването в дисперсни системи, създава физикохимична механика. Физическа теорияСтабилността на колоидните системи е разработена през 1937 г. заедно и независимо от тях от E. Verwey и J. Overbeck („DLFO теория“).

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

I. ПОВЕРИТЕЛНИ ФЕНОМЕНИ

ГЛАВА 1

СТРУКТУРНИ ОСОБЕНОСТИ НА ПОВЪРХНОСТНИЯ СЛОЙ. ПОВЪРХНОСТНО НАПРЕЖЕНИЕ

1.1. Повърхностна енергия на Гибс. Повърхностно напрежение

В най-простия случай всяко твърдо или течно вещество се състои от молекули от един 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, защото изпитват по-голямо привличане от молекулите в по-голямата част от кондензираната фаза, отколкото от газовите молекули 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.

Тази енергия, предавана на повърхностния слой и определяща неговата стабилност, според Дж. У. Гибс е т.нар. свободна повърхностна енергия Г.С. , пропорционална на повърхността на интерфейса:

Г.С. = с С , (1.1)

Където с - коефициент на пропорционалност, нар коефициент на повърхностно напрежение. Физически смисъл с - свободна повърхностна енергия на единица интерфейсна площ или, с други думи, работата на обратимо изотермично образуване на единица интерфейсна площ. SI измерение с - J/m2.

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

1.2. Начини за намаляване на свободната повърхностна енергия

Всяка система, включително разпръснатите, се стреми към равновесие. От курса на физическата химия е известно, че в този случай винаги има тенденция към спонтанно намаляване на енергията на Гибс Ж . Това важи и за свободната повърхностна енергия на дисперсните системи Г.С. .

Освен това, в съответствие с уравнение (1.1), намалението Ж С може да се постигне по следните начини:

а) При постоянно повърхностно напрежениечрез намаляване на интерфейсния интерфейс:

д Ж С = с д С .

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

Спонтанно усвояване от частици с геометрична форма, която съответства на минималната свободна повърхностна енергия. По този начин, при липса на външни силови въздействия, капка течност придобива формата на топка.

Комбинация (агрегация) на малки частици в по-големи (агрегати). В този случай се постига много по-голяма печалба от енергия, тъй като при комбиниране фазовият интерфейс намалява много значително.

б) При постоянна област на интерфейсачрез намаляване на повърхностното напрежение:

д Ж С = С д с .

1.3. Повърхностноактивни вещества

Органични вещества с асиметрични, дифиленмолекули, които съдържат както полярни (хидрофилни), така и неполярни (липофилни) групи. Хидрофилните групи (-OH, -COOH, -SO3H, -NH2 и т.н.) осигуряват афинитета на повърхностноактивното вещество във вода, докато хидрофобните групи (обикновено въглеводородни радикали, както алифатни, така и ароматни) осигуряват афинитета на повърхностноактивното вещество към неполярни медии. Собственото повърхностно напрежение на повърхностно активното вещество трябва да бъде по-малко от това на даденото твърдо или течно вещество. В адсорбционния слой на фазовата граница амфифилните молекули са ориентирани по най-енергетично благоприятния начин: хидрофилни групи - към полярната фаза, хидрофобни - към неполярната фаза.

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

1.4. Класификация на ПАВ

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

- По вид на хидрофилните групи диференцират нейонни (нейонни) И йонни (йонни) повърхностно активно вещество.

- Поведение в разтвор всички повърхностноактивни вещества се разделят на истински-разтворими колоиден (или мицелообразуващи, MPAV). Първата група включва голям брой силно разтворими 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 ПАВ

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

Twin-80 сулфанол

1.6. Изотерма на повърхностното напрежение. Уравнението

Шишковски

Зависимостта на повърхностното напрежение на разтворите на ПАВ 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 на оста y, което съответства на повърхностното напрежение на чист разтворител. С увеличаване на концентрацията на ПАВ, повърхностното напрежение постепенно намалява, клонейки към определена минимална постоянна стойност, характерна за всяко дадено ПАВ.

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 - намаляване на повърхностното напрежение на разтвора на повърхностно активното вещество с концентрация СЪС в сравнение с с 0 - повърхностно напрежение на разтворител (например вода) при дадена температура; А И b - константи. Константа А характеристика на всяка хомоложна серия; коефициент b индивидуално за всяко отделно ПАВ.

1.7. Свойства на повърхностно активното вещество: повърхностна активност, хидрофилен

липофилен баланс

Ориз. 1.2. Определяне на повърхностната активност на ПАВ чрез изотерма

повърхностно напрежение

За да го намерите, се начертава допирателна към изотермата на повърхностното напрежение в точката, съответстваща на с 0 .Допирателната се удължава, докато пресече концентрационната ос. Повърхностната активност се изчислява като тангенс на ъгъла на наклон на допирателната към абсцисната ос:

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

Където ( b + Y н ) – афинитет (енергия на взаимодействие на Гибс) на неполярната част на молекулата на повърхностно активното вещество към въглеводородната течност ( b – коефициент в зависимост от естеството на повърхностноактивното вещество, Y - афинитет за група - CH2-, н - брой на групите - СН2- във въглеводородния радикал); А – афинитет на полярната група към водата.

HLB = å числа на хидрофилни групи +

+ å номера на хидрофобни групи + 7

Ето някои групови номера според Грифин:

хидрофилни групи


хидрофобни групи

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

Инструментариум

Тема: Изследване на колоидни разтвори.

Дисциплина : Химия

добре : 2

Семестър : 3

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

Москва

2015

Съдържание:

Мотивация на темата ………………… …..стр.4

Цели и задачи..………………………. .страница 4

Информационен блок……………... стр. 5

Блок за управление……………….стр. 18

1. Мотивация на темата

Колоидните системи са широко разпространени в природата. Белтъците, кръвта, лимфата, въглехидратите, пектините са в колоидно състояние. Много индустрии (храни, текстил, каучук, кожа, бои и лакове, керамика, технология за изкуствени влакна, пластмаси, смазочни материали) са свързани с колоидни системи. Производството на строителни материали (цимент, бетон, свързващи вещества) се основава на познаване на свойствата на колоидите. Въглищната, торфената, 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. Фотографските и кинематографските процеси също са свързани с използването на колоидни дисперсни системи.

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

2. Цели и задачи.

Мишена: придобиване на системни знания за колоидни дисперсни системи в зависимост от класификационните характеристики, методите за получаване, пречистване и стабилност на дисперсните системи и способността за прилагане на тези знания към специфични системи, открити в биологични обекти.

Задачи:

образователен:

Да се запознаят студентите с понятието дисперсни системи, колоидни разтвори.

запознаване на студентите с методите за получаване на колоидни разтвори.

Обяснете на учениците как се пречистват колоидни разтвори и структурата на мицелите.

да запознае учениците със свойствата на колоидните разтвори.

развитие:

продължаване и разширяване на познавателната дейност на учениците, както и техните идеи за методите за получаване на колоидни разтвори.

продължават да развиват и разширяват разбирането на учениците за диализа, електродиализа, ултрафилтрация, компонентиколоидни частици и тяхното практическо значение в ежедневието.

възпитаване:

продължете да култивирате внимание, наблюдателност, естетически чувства и 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 натрошено вещество (разпръснато ) състояние се различава значително от свойствата на същото вещество под формата на твърдо вещество или някакъв обем течност.

Има няколко различни класификации на дисперсни частици: по размер на частиците, по състояние на агрегация на дисперсната фаза и дисперсионната среда, по естеството на взаимодействието на частиците на дисперсната фаза с молекулите на дисперсионната среда, по термодинамични и кинетична стабилност.

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

Дисперсни системи

Размер на частиците

Име

a ≤ 10 -9 м

Верни решения

а = 10 -9 –10 -7 м

Колоидни системи

a ≥ 10 -7 –10 -5 м

Груби системи

Класификацията на дисперсните системи според агрегатните състояния на дисперсната фаза и дисперсионната среда е дадена в таблицата

Класификация на дисперсните системи

Разпръснато

фаза

Дисперсионна среда

Газ

Течност

Твърди

Газ

Не се формира

пяна

Плътен дунапрен

Течност

Аерозол

Емулсия

Твърда емулсия

Твърди

Аерозол, прах

Суспензия и сол

Твърд разтвор

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

Ако разтворителят взаимодейства със сърцевината на частицата, тогавалиофилен колоиди, ако не взаимодействат, тогавалиофобни колоиди.

Историческа справка

Обикновено се смята, че основоположник на колоидната химия е английският учен Томас Греъм (1805-1869), който през 50-60-те години на миналия век въвежда в обращение основните колоидно-химични концепции. 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 филтър при измиване (силициева и ванадова киселина, сребърен хлорид, пруско синьо и др.). Берцелиус нарича тези утайки, преминаващи през филтъра, „разтвори“, но в същото време той изтъква техния близък афинитет с емулсии и суспензии, с чиито свойства е бил добре запознат. Франческо Селми през 50-те годиниXIXвекове, продължава работата в тази посока, търсейки физикохимичните разлики между системите, образувани от утайки, преминаващи през филтър (той ги нарича „псевдо-разтвори“) и обикновените истински разтвори.

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

Тези „псевдоразтвори“ разсейват светлината, разтворените в тях вещества се утаяват при добавяне на малки количества соли, преходът на веществото в разтвора и утаяването от него не е придружено от промяна на температурата и обема на системата, което обикновено се наблюдава при разтваряне на кристални вещества.

Томас Греъм разви тези идеи за разликата между "псевдо-разтвори" и истински разтвори и въведе понятието "колоид". Греъм откри, че вещества, способни да образуват желатинови аморфни утайки, като алуминиев хидроксид, албумин, желатин, дифундират във вода с ниска скорост в сравнение с кристалните вещества (NaCl, захароза). В същото време кристалните вещества лесно преминават през пергаментни черупки в разтвор („диализират“), но желатиновите вещества не преминават през тези черупки. Приемайки лепилото за типичен представител на желатинови, недифузионни и недиализни вещества, Греъм им дава общото наименование „колоид“, т.е. лепилоподобни (от гръцката дума kolla - лепило). Той нарече кристалните вещества и веществата, които са добри при дифузия и диализа, „кристалоиди“.

Мицела и неговата структура

Колоидната частица е ядро от слабо разтворимо вещество с колоидна дисперсия, върху чиято повърхност са адсорбирани йони от електролитния разтвор. Електролитните йони осигуряват стабилността на зола, така че този електролит се нарича йонен стабилизатор. Това означава, че колоидната частица е комплекс, състоящ се от ядро заедно с адсорбционен слой от противойони. Агрегат от частици или ядро е вещество с кристална структура, състоящо се от стотици или хиляди атоми, йони или молекули, заобиколени от йони. Ядрото заедно с адсорбираните йони се нарича гранула. Така че гранулата има определен заряд. Противоположно заредените йони се събират около него, което му придава цялостна електрическа неутралност. Цялата система, състояща се от гранула и заобикалящите я йони, се нарича мицел и е електрически неутрална. Течната фаза около мицела се нарича интермицеларна течност. Това може да бъде представено в следната кратка диаграма:

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

мицел = гранула + противойони

сол = мицели + интермицеларна течност.

Нека разгледаме като пример зола As 2 С 3 (Фигура 7). За да се получи този зол, арсеновата киселина трябва да се третира със сероводород. Възникналата реакция може да се напише по следния начин:

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

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

з 2 S↔HS - + з +

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

[ Като 2 С 3 ] н - мерна единица

[ Като 2 С 3 ] н , mHS - - сърцевина

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

([ Като 2 С 3 ] н , mHS - ,(m-x)н + } - хн + - мицел

Мицелните ядра имат кристална структура. Процесът на образуване на колоидни частици е подробно изследван 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 възникването на кристални структури вътре в аморфните частици се създава напрежение и според минималната вътрешна енергия на системата, при спазване 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

Колоидните разтвори могат да се приготвят:

1. Чрез дисперсионни методи въз основа на раздробяване или диспергиране на големи частици от вещество до колоидни размери. Диспергирането може да се извърши чрез механично смилане, електрическо пръскане и т.н.

Разпръснатите методи включват– процесът на образуване на золи от гелове или рохкави утайки под действието на пептизатори (в повечето случаи електролити), адсорбирани на повърхността на колоидни ядра и улесняващи тяхното взаимодействие с дисперсионната среда.

2. Кондензационни методи , на базата на агрегацията на молекули или йони в по-големи частици. Агрегирането на частици може да се осъществи по различни начини.

При метода на кондензация растежът на частиците спира много преди образуването на термодинамично стабилен интерфейс. Следователно колоидните системи, независимо от начина на приготвяне, сатермодинамично нестабилен . С течение на времето, в резултат на желанието за термодинамично по-благоприятно състояние, колоидните системи престават да съществуват поради коагулация - процесът на уголемяване на частиците.

Физико-химичната кондензация се отнася до метода на 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 золове и колофон. Поради което в този случай възниква ситост.

Методът на химическата кондензация се основава на реакции, водещи до образуването на твърд продукт.

а) Редукционни реакции.

Например получаването на златни и сребърни золи чрез взаимодействие 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) Окислителни реакции.

Например, получаване на серен зол:

2H2S + O2 → 2S + 2H2O.

Структурата на мицела на получения зол може да бъде представена със следната формула:

{ · nS5O62–· 2(n–x)H+)· 2xH+.

в) Обменни реакции. Например получаването на сол на бариев сулфат.

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

г) Реакции на хидролиза.

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

Структурата на Fe(OH)3 зол мицела, 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 получаване на колоидни системи чрез кристализация е кристализацията от свръхнаситен разтвор на захароза при производството на захар. Процесът на десублимация възниква по време на образуването на облаци, когато при условия на свръхохладено състояние от водна пара веднага се образуват кристали, а не водни капки.

Свойства на колоидните системи:

разсейване на светлината (опалесценция) (показва хетерогенност, многофазна система).

Опалесценцията става особено забележима, ако, както направи Тиндал, ( прекарайте лъч от събиращи се лъчи през колоидния разтвор, като поставите леща между източника на светлина и кюветата с разтвора. В този случай разтвори, които са прозрачни при преминаваща светлина, проявяват всички свойства на мътна среда при странично осветление. В колоидна течност, гледана отстрани, се образува ярък светещ конус (конус на Тиндал).

бавна дифузия

ниско осмотично налягане

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

способен на коагулация (разрушаване) на системата при: добавяне на примеси, промяна на Т, разбъркване и др.

понякога се открива явлението електрофореза, т.е. частиците в една система могат да имат заряд.

Стабилност на колоидните разтвори

Прави се разлика между кинетична и агрегатна стабилност на колоидните системи.Кинетична стабилност се свързва със способността на частиците на дисперсната фаза към спонтанно топлинно движение в разтвора, което е известно като брауново движение. Такова хаотично движение на частиците предотвратява тяхното свързване. Обикновено колоидните разтвори са кинетично стабилни и тяхното разрушаване настъпва само след нарушаване на агрегатната стабилност на разтвора.

Стабилност на агрегата се дължи на факта, че адсорбцията на йони (молекули) от околната среда се извършва върху повърхността на колоидните частици.

Вещество, което се адсорбира върху ядрата на частиците и повишава стабилността на колоидните разтвори, се нарича стабилизатор. С йонен стабилизатор се появяват двойни електрически слоеве около мицелните ядра, което затруднява интегрирането им. С молекулярен стабилизатор солватните обвивки (слоеве) на молекулите на дисперсионната среда възникват върху адсорбираните молекули поради сили на междумолекулно взаимодействие, които пречат на обединяването на частиците.

Разрушаване на колоидни разтвори

Процесът на уголемяване на колоидните частици, водещ до намаляване на степента на дисперсност на диспергираното вещество, се наричакоагулация . Коагулацията или слепването на частиците води до отлагане (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 като заряда на противойона на колоидната частица, имат коагулиращ ефект в електролита. Коагулиращият ефект на коагулиращия йон е толкова по-голям, колкото по-голям е зарядът му.

Коагулация – спонтанен процес, който възниква поради 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 възниква спонтанно. Коагулацията може да се дължи на различни причини, най-ефективното действие на електролитите. Минималната концентрация на електролит в разтвор, която предизвиква коагулация, се нарича коагулационен праг. Коагулация възниква и при разместване на два зола с различни знаци на заряда на частиците. Това явление се нарича взаимна коагулация.

Метод за пречистване на колоидни разтвори

чрез метод на диализа

При приготвянето на колоидни системи освен дисперсната фаза в състава им се съдържат големи количества киселини, основи и соли. За да се гарантира стабилността на колоиден разтвор, малко електролит трябва да се съдържа в разтвора, но излишният електролит трябва да се отстрани. Отстраняването на излишния електролит от колоиден разтвор се нарича отстраняване на електролита от колоидния разтвор. При пречистване на колоидни разтвори се използват методи на диализа, ултрафилтрация и електродиализа.

Особеността на диализата е, че колоидният разтвор и присъстващите в него електролити 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 можете да почистите зола от примеси до известна степен. За диализа обикновено се използват колодиеви филми, както и прегради от целулозен ацетат, целофан и други материали. Заедно с това се използват и естествени филми, например стените на пикочния мехур.

Колоидният разтвор (A) се излива в съд, покрит с мембрана (B), след което се потапя в съд, пълен с чиста вода (C). Водата във външния съд се сменя периодично, т.е. Използва се поточен диализатор с непрекъсната смяна на водата. Стените на пикочния мехур или други мембрани имат много малки отвори (диаметърът им е 20-30 микрона). Молекули или йони могат да преминават през тези отвори, но не и колоидни частици. Електролитите, съдържащи се в пепелта, дифундират във вода и се измиват от колоидния разтвор през мембраната. Чрез смяна на водата колоидният разтвор може да се пречисти до известна степен.

чрез метод на електродиализа

При електродиализата диализата се ускорява чрез действието на електрически ток. Между две мембрани М 1 тях 2 поставя се колоиден разтвор, който трябва да бъде изчистен 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, а отрицателно заредените - 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 две мембрани. Този метод се използва главно при пречистване на органични колоиди. В индустрията се използва широко за получаване на чист желатин и лепило.

ултрафилтрационен метод

Колоидните разтвори могат да бъдат пречистени чрез филтриране през полупропускливи мембрани. Ултрафилтърът се състои от фуния на Бюхнер (1), мембрана (2), колба на Бунзен (3) и помпа (4) (фиг. 6). За да се ускори, ултрафилтрацията се извършва под налягане. С помощта на определена мембрана можете да филтрирате колоидния разтвор от електролита, както и золите един от друг. За да направите това, диаметрите на отворите на мембраната трябва да бъдат по-големи от частиците на единия зол и по-малки от частиците на другия зол.

Използване в медицината

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

Фармацевтичната индустрия предлага голям избор от колоидни разтвори за различни цели. Сред тях има универсални средства, които могат да се използват като средства за заздравяване на рани при изгаряния и хемороиди; противовъзпалително – при хрема, възпалено гърло, синузит; аналгетици – за облекчаване на зъбобол и др. Те включват колоидния разтвор "Милениум". Гелът съдържа алое, пшеничен протеин, женшен, витамин Е и други полезни добавки. Много фармацевтични продукти за външна употреба всъщност са колоидни разтвори. За ставите се използва например „Arthro Complex“, който съдържа такъв полезен компонент като хрущял от акула.

Приложение в бита и индустрията

Колоидните разтвори формират основата на детергентите и почистващите повърхностно активни вещества. Замърсителите проникват в мицела и по този начин се отстраняват от повърхността.

Друг важен аспект от използването на мицелообразуващи повърхностноактивни вещества е производството на полимери, по-специално латекси, поливинилалкохол и лепила от растителен произход. На базата на емулсия се получават различни пластмаси и изкуствени кожи. Повърхностно активните вещества се използват и за почистване и питейна вода.

Предимствата на козметиката, базирана на колоидни разтвори, са в проникването на активните вещества през човешката кожа и структурата на косата. Такива продукти се използват ефективно срещу стареенето. Те включват по-специално гел Millennium Neo. Колоидният разтвор помага на компонентите, които съдържа, 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. Физикохимия. – 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 опити по физична и колоидна химия. – М.: Висше училище, 1976. – 256 с.

Контролен блок

Тест по темата: „Дисперсни системи“

Разгледайте картината, 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 агрегатното състояние на дисперсната фаза и дисперсионната среда: телесни течности, пясъчни бури, въздух, асоцииран газ с маслени капки, крем, пяна, цветни стъкла, текстилни тъкани, газирани напитки, медицински и козметични продукти , газиран шоколад, мляко, тухли и керамика, природен газ, влажна почва, камъни, хоросани, пасти, смог, прахове, масло, прах във въздуха, гелове, изпарения, сплави, мъгла, золи.

Фаза сряда

Ж – газообразно вещество;И – течно вещество;T – твърдо

Приликите между суспензиите и емулсиите са, че:

това са разнородни системи

частиците се виждат с просто око

лесно се установяват

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 ефервесцентни напитки:

1) азот

2) вода

3) въглероден диоксид

4) кислород

10.

Представете снимка, 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) твърди и газообразни

2) две различни течности

3) течност и газ

4) течни и твърди

14.

Свържете примери за дисперсни системи с техните имена:

ДИСПЕРСНА СИСТЕМА

ПРИМЕР

1) окачване

А) мляко

2) емулсия

Б) яйчен белтък

3) колоиден разтвор

Б) суспензия от утайка

4) разтвор

Г) захарен разтвор

СТАНДАРТНИ ОТГОВОРИ

Не е лесно да се разбере какво е колоидна защита и какво е отношението й към обикновения човек. Световната мрежа е препълнена с различни научни статии в областта на химията и анатомията. Въпреки това би било полезно всеки от нас да разбере този труден въпрос, тъй като всеки ден се сблъскваме с това явление.

Колоидната защита е свойството за защита на колоидните системи от коагулация. За да разберете това определение, е необходимо да разберете всички термини по ред.

Колоидни системи и какво представляват

Първо, необходимо е да се разбере какво е колоидна система. Това е образувание или вещество, което съдържа няколко компонента. Частиците на компонентите пристигат в различни фази или състояния. В природата има три основни състояния: твърдо, течно и газообразно.

Има няколко вида колоидни системи:

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

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

Разтворът е хомогенна смес, която се състои от няколко компонента. Всички те пристигат в една и съща фаза или състояние на агрегиране. Разтворът се характеризира с течно агрегатно състояние. Колоидният разтвор е вещество, което съдържа твърди частици. Техният размер е толкова малък, че не надвишава 0,1 микрона. Въпреки че, ако желаете, дори обикновен човек може да види частиците. Просто трябва да поставите разтвора в прозрачен съд на пряка слънчева светлина. Те ще ви помогнат да видите хетерогенността на структурата. Обобщавайки, можем да кажем, че колоидният разтвор е течност, която се състои от няколко компонента, единият от които е твърди частици.

Мистериозна коагулация

Следващият неясен термин в дефиницията е коагулацията. Преводът на тази дума от латински означава нищо повече от удебеляване или коагулация. За да се опрости научното значение, доколкото е възможно, коагулацията е процес на комбиниране или слепване на твърди частици по време на контакт. Импулсът за началото 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 добра домакиня никога не би хрумнало, че наблюдава процеса на коагулация. Основните признаци на коагулация са:

появата на утайка;
увеличаване на мътността на течността;
флокулентни образувания.

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

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

Тази техника се използва широко в индустрията. Например чудили ли сте се как работят нашите филтри за пречистване на вода? Филтърът се състои от вещество, което е в състояние да прикрепи нежелани частици замърсители към своите молекули, без да реагира с водните молекули.

На този етап е напълно възможно да се тегли линията, че колоидната защита е свойството на няколко компонента на разтвора, включително твърди частици, да не се слепват и да се обединяват помежду си, а да останат независими.

Трябва да се отбележи, че има едно условие, при което колоидната защита запазва свойствата си - наличието на малко количество високомолекулни вещества. Това означава, че за да не се комбинират частиците помежду си, е необходимо в разтвора да има защитни вещества, т.е. тези, които ще предотвратят адхезията. 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. Отлични примери за тези системи са кръвта и обикновена малка клетка.

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

Вторият ярък пример за колоидна система е кръвта. В този случай течната среда е плазма, която се състои от вода, протеини, аминокиселини, поли- и монозахариди и много други. Частиците, които не трябва да се слепват, са червените кръвни клетки, тромбоцитите и левкоцитите.

Освен това протеинът, съдържащ се в плазмата, предотвратява сливането на мастните капки холестерол. Ако колоидната защита на кръвоносната система отслабне, холестеролът ще се натрупа, комбинира и ще се отложи по стените на кръвоносните съдове и вътрешните органи.

Разбира се, от гледна точка на учените това описание е доста произволно и съмнително. Въпреки това, той ще помогне на обикновения човек да разбере основните принципи на действие на колоидната защита.

Колоидна защита във фармацевтиката. Колоидно сребро

Както бе споменато по-рано, учените широко използват феномена на колоидната защита в промишлеността, медицината, козметологията, хранително-вкусовата промишленост и фармацевтиката. Най-популярното развитие на последното е колоидното сребро.

От древни времена лекарите и химиците са знаели за антибактериалните свойства на среброто. Възползвайки се от феномена на колоидната защита, учените са разработили хранителни разтвори с добавка на сребърни йони, чиято комбинация е предотвратена от защитни вещества. Така стана възможно среброто да се приема през устата. Колоидното сребро се използва като естествен антибиотик. Има експерименти с използване на сребро в борбата срещу рак, СПИН, туберкулоза и заболявания на пикочно-половата система.

Не забравяйте, че среброто е тежък метал, така че се отстранява доста бавно от човешкото тяло и има кумулативен ефект. Сребърните йони лесно се абсорбират в кръвоносната система, навлизайки в стомашно-чревния тракт. Черният дроб, кожата, лигавиците, бъбреците, далака, костния мозък, капилярните стени, 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 промени в цвета на очите, кожата и лигавиците.

Понастоящем пероралната и интравенозната употреба на колоидно сребро е забранена в повечето страни. Въпреки лечебните свойства, които природата е надарила със среброто, то е опасно за човешкото тяло. Тъй като колоидното сребро е абсолютно достъпно на фармацевтичния пазар, зависи от вас да решите дали да го консумирате или да се въздържате.

Основни характеристики на земните и корабните магнитни полета

Задачи за определяне на разстояния с помощта на градусна мрежа Как се изчисляват разстояния с помощта на успоредник