Fizikalna i koloidna kemija. Koloidna zaštita Koloidni sustavi i što su oni

POGLAVLJE 1

ZNAČAJKE STRUKTURE POVRŠINSKOG SLOJA. POVRŠINSKA NAPETOST

1.1. Površinska Gibbsova energija. Površinska napetost

Međufazna površina može postojati samo ako u sustavu postoji tekuća ili čvrsta faza. Oni određuju oblik i strukturu površinskog sloja - prijelaznog područja iz jedne faze u drugu.

Bilo koja čvrsta ili tekuća tvar u najjednostavnijem slučaju sastoji se od molekula jedne vrste. Međutim, stanje onih molekula koje se nalaze na površini razlikuje se od stanja molekula koje se nalaze u masi krute ili tekuće faze, budući da nisu sa svih strana okružene drugim sličnim molekulama. Površinske molekule uvlače se u tekućinu ili krutinu jer doživljavaju veću privlačnost od molekula u masi kondenzirane faze nego od molekula plina s druge strane površine. Ovo privlačenje uzrokuje skupljanje površine što je više moguće i rezultira određenom silom u ravnini površine koja se naziva sila površinska napetost .

Stoga tekuća i čvrsta tijela spontano poprimaju najmanji mogući volumen i praktički se ne mogu stlačiti, a njihovo rastezanje i pucanje zahtijevaju znatan utrošak energije.

Ta energija koja se prenosi površinskom sloju i određuje njegovu stabilnost je, prema J. W. Gibbsu, tzv. slobodna površinska energija G S , proporcionalno površini sučelja:

G S =  S , (1.1)

Gdje  - koeficijent proporcionalnosti, tzv koeficijent površinske napetosti. Fizičko značenje  - slobodna površinska energija po jedinici površine sučelja ili, drugim riječima, rad reverzibilne izotermne formacije po jedinici površine sučelja. SI dimenzija  - J/m 2.

Površinska napetost se također može smatrati silom koja djeluje po jedinici duljine površinske konture, a teži smanjenju površine na minimum za dani omjer volumena faze. U ovom slučaju, dimenzija  pogodnije je izraziti u N/m.

Postojanje površinske napetosti objašnjava sljedeće dobro poznate činjenice: kapljice vode ne prodiru kroz male rupe i razmake između niti tkanine kišobrana ili šatora; vodeni pauci i kukci mogu trčati po površini vode, poduprti nevidljivim površinskim filmom, kapi kiše ili magle poprimaju sferni oblik itd.

Pri drobljenju čvrstog ili tekućeg tijela povećava se ukupna međufazna površina, zbog čega sve veći dio njegovih molekula završava na površini, a smanjuje se udio molekula koje se nalaze u volumenu. Stoga, što su čestice manje, to veći udio termodinamičkih funkcija, uključujući Gibbsovu energiju čestice, pripada površinskim molekulama.
1.2. Načini smanjenja slobodne površinske energije
Svaki sustav, uključujući i one raspršene, teži ravnoteži. Iz tečaja fizička kemija poznato je da u tom slučaju uvijek postoji tendencija spontanog smanjenja Gibbsove energije G . To vrijedi i za slobodnu površinsku energiju disperznih sustava G S .

Štoviše, u skladu s jednadžbom (1.1), smanjenje G S može se postići na sljedeće načine:

A) Pri konstantnoj površinskoj napetosti smanjenjem međufaznog sučelja:

G S =   S .

Smanjenje površine sučelja može se pak izvesti na dva načina:

 Spontano usvajanje česticama geometrijskog oblika koji odgovara minimalnoj slobodnoj površinskoj energiji. Dakle, u nedostatku vanjskih utjecaja sila, kap tekućine poprima oblik lopte.

 Spajanje (agregacija) sitnih čestica u veće (agregate). U ovom slučaju postiže se puno veći energetski dobitak, budući da se spajanjem fazno sučelje vrlo značajno smanjuje.

Iz toga slijedi da, imajući veliku zalihu površinske energije, disperzirani sustavi su fundamentalno agregatno nestabilni te nastoje spontano smanjiti stupanj disperzije spajanjem čestica disperzne faze.

b) Na konstantnom području sučelja smanjenjem površinske napetosti:

G S = S  .

U mnogim slučajevima, uključujući i proizvodnju oblika lijeka, kada je potrebno održavati konstantne veličine čestica disperzne faze u sustavu, smanjenje površinske napetosti je najvažniji, a često i jedini način da se održi stupanj disperzije.

Smanjenje površinske napetosti postiže se uvođenjem u disperzni sustav surfaktanti (Surfaktant), koji imaju sposobnost koncentriranja (adsorbiranja) na sučelju i svojom prisutnošću smanjuju površinsku napetost.

1.3. Surfaktanti

Imaju sposobnost smanjenja površinske napetosti organska tvar s asimetričnim difiličan molekule koje sadrže i polarne (hidrofilne) i nepolarne (lipofilne) skupine. Hidrofilne skupine (-OH, -COOH, -SO 3 H, -NH 2 itd.) osiguravaju afinitet površinski aktivne tvari u vodi, dok hidrofobne skupine (obično ugljikovodični radikali, i alifatski i aromatski) osiguravaju afinitet površinski aktivne tvari za nepolarni mediji. Vlastita površinska napetost površinski aktivne tvari mora biti manja od one dane krutine ili tekućine. U adsorpcijskom sloju na faznoj granici amfifilne molekule su orijentirane na energetski najpovoljniji način: hidrofilne skupine - prema polarnoj fazi, hidrofobne - prema nepolarnoj fazi.

Grafički se molekula surfaktanta prikazuje simbolom , u kojem krug označava hidrofilnu skupinu, a crta hidrofobnu.

1.4. Klasifikacija surfaktanata
 Prema veličini molekule Surfaktanti se dijele na velike molekularne težine (na primjer, proteini) i niske molekularne težine (velika većina površinski aktivnih tvari navedenih u drugim vrstama klasifikacije).

 Po vrsti hidrofilnih skupina razlikovati neionski (neionski) I ionski (ionski) surfaktant.

Neionske tvari postoje u otopini u obliku nedisociranih molekula (na primjer, Tweens ili sorbitali, alkoholi).

Ionski se u otopini disociraju na ione od kojih neki stvarno imaju površinsku aktivnost, dok drugi nemaju. Ovisno o predznaku naboja površinski aktivnog iona, tenzidi se dijele na kationski aktivan, anionski aktivan I amfoteran.

U praksi se najčešće koriste anionski tenzidi: karboksilne kiseline i njihove soli (sapuni), alkil sulfati, alkil sulfonati, alkilaril sulfonati, fenoli, tanini i dr.

Drugo mjesto po važnosti zauzimaju neionski tenzidi - alifatski alkoholi, njihovi polioksietilenski eteri različite prirode, lipidi.

Znatno manji, ali stalno rastući udio u proizvodnji tenzida imaju kationski (uglavnom derivati alkilamina, primarni, sekundarni i tercijarni) i amfoterni tenzidi (npr. aminokiseline, proteini). Mnogi alkaloidi su također kationski surfaktanti.

 Ponašanje u otopini sve tenzide dijelimo na pravi-topljiv i koloidni (ili micelotvorni, MPAV). Prva grupa uključuje veliki broj visoko topljiv u vodi difilan organski spojevi s malim ugljikovodičnim radikalima (alkoholi, fenoli, niže karboksilne kiseline i njihove soli, amini). Tvari ove vrste postoje u otopini kao pojedinačne molekule ili ioni, do koncentracija koje odgovaraju njihovoj topivosti.

Posebno su zanimljivi koloidni tenzidi. Oni se najčešće koriste u praksi, pa tako i za stabilizaciju disperznih sustava, a prvenstveno se podrazumijevaju pod pojmom surfaktant. Njihova glavna značajka razlikovanja je sposobnost stvaranja termodinamički stabilnih ( liofilni) heterogeni disperzni sustavi - otopine micelarnih tenzida. Minimalni broj C atoma u molekulama MPAS je 8-12, tj. ovi spojevi imaju prilično veliki ugljikovodični radikal.
1.5. Primjena surfaktanata

Surfaktanti se koriste kao flotacijska sredstva, disperzanti, emulgatori, deterdženti, komponente sredstava za gašenje požara, kozmetike itd. Surfaktanti imaju važnu ulogu u biološkim procesima.

U farmaciji se površinski aktivne tvari koriste uglavnom u obliku medicinski sapuni i stabilizatori za takve oblike doziranja kao što su emulzije, suspenzije, koloidne otopine, solubilizirani sustavi.

Medicinski sapuni se koriste kao deterdženti, dezinficijensi i dermatološka sredstva. To su mješavine običnog natrijevog i kalijevog sapuna s bojama, mirisima i određenim dezinficijensima ili lijekovima (na primjer, zeleni sapun, katran, ihtiol, karbolni, sumporni, klorofenolni, sulsen sapun).

Kao stabilizatori za oblike doziranja koriste se visokomolekularni prirodni tenzidi kao što su proteini (uključujući želatinu), gume, prirodne tvari niske molekulske mase - saponini, palmitat, natrijev ili kalijev laurat, kao i sintetski tenzidi - Tweens (sorbitali) itd. u farmaciji.

Deterdženti koji se široko koriste u svakodnevnom životu (sapuni, šamponi, deterdženti za pranje posuđa, praškovi za pranje itd.) izrađeni su na bazi tenzida poput stearata, oleata i natrijevog (ili kalijevog) palmitata, kao i derivata sulfanola ( par-natrij dodecilbenzensulfonat).

Twin-80 sulfanol

1.6. Izoterma površinske napetosti. Jednadžba

Šiškovskog
Ovisnost površinske napetosti otopina površinski aktivnih tvari o njihovoj koncentraciji izražava se pri svakoj zadanoj konstantnoj temperaturi izotermama. Opći obrazac takva je izoterma prikazana na sl. 1.1. Izoterma površinske napetosti napušta točku  0 na y-osi, što odgovara površinskoj napetosti čistog otapala. S povećanjem koncentracije tenzida, površinska napetost postupno opada, težeći određenoj minimalnoj konstantnoj vrijednosti karakterističnoj za svaki dani tenzid.

Riža. 1.1. Opći prikaz izoterme površinske napetosti
Izoterme površinske napetosti mogu se opisati pomoću jednadžbe B. Shishkovsky (1908.):

Gdje  - površinska napetost otopine surfaktanta;  - smanjenje površinske napetosti otopine surfaktanta s koncentracijom S u usporedbi sa  0 - površinska napetost otapala (na primjer, vode) na određenoj temperaturi; A I b - konstante. Konstantno A karakteristika svake homologne serije; koeficijent b individualno za svaki pojedini surfaktant.

1.7. Svojstva surfaktanta: površinska aktivnost, hidrofilan

lipofilna ravnoteža

Može se karakterizirati sposobnost surfaktanata da smanje površinsku napetost površinska aktivnost, što uglavnom ovisi o duljini ugljikovodičnog radikala u molekuli surfaktanta. Površinska aktivnost je derivat površinske napetosti otopine surfaktanta na temelju njegove koncentracije

Predznak minus pokazuje da se s povećanjem koncentracije surfaktanta površinska napetost njegove otopine smanjuje.

Za stvarno topljive površinski aktivne tvari, površinska aktivnost je određena početnim dijelom izoterme površinske napetosti (slika 1.2) pri koncentraciji koja teži nuli.

Riža. 1.2. Određivanje površinske aktivnosti surfaktanta izotermom

površinska napetost

Da bi se to pronašlo, povlači se tangenta na izotermu površinske napetosti u točki koja odgovara  0 . Tangenta se produljuje dok ne presiječe os koncentracije. Površinska aktivnost izračunava se kao tangens kuta nagiba tangente na os apscise:

Za površinski aktivne tvari koje stvaraju micele, površinska aktivnost može se izračunati pomoću formule

Gdje  0 I  min - odnosno, površinska napetost čistog otapala i najmanja konstantna vrijednost površinske napetosti kada se postigne kritična koncentracija micela (vidi stavak 1.8.).

Ovisnost površinske aktivnosti o strukturi molekula surfaktanta opisana je pravilom P. E. Duclosa - I. Traubea:

Povećanje duljine ugljikovodičnog radikala u molekuli surfaktanta za jednu -CH skupinu 2 dovodi do povećanja površinske aktivnosti za 3-5 puta (približno 3,2 puta).

Ovo se pravilo uglavnom poštuje za vodene otopine stvarno topljivih površinski aktivnih tvari, kao što su niže karboksilne kiseline i alifatski alkoholi. Za organske medije, Duclos-Traubeovo pravilo je obrnuto, tj. površinska aktivnost opada s povećanjem duljine ugljikovodičnog radikala.

Druga važna kvantitativna karakteristika surfaktanta je hidrofilno-lipofilna ravnoteža (GLB). Izražava se bezdimenzionalnim brojevima  :

Gdje ( b +  ) – afinitet (energija Gibbsove interakcije) nepolarnog dijela molekule surfaktanta prema tekućini ugljikovodika ( b – koeficijent ovisno o prirodi površinski aktivne tvari,  - afinitet po jednoj skupini CH 2 ,  - broj CH 2  skupina u ugljikovodikovom radikalu); A – afinitet polarne skupine prema vodi.

Što je veća hidrofilnost surfaktanta, to je veći njegov HLB. Postoji ljestvica HLB brojeva (D. Davis, 1960.; Griffin) u rasponu od 1 do 40. HLB broj na ovoj ljestvici može se izračunati iz zbroja brojeva skupina dodijeljenih svakoj skupini atoma uključenih u molekulu surfaktanta:

HLB =  brojevi hidrofilnih skupina +

+  brojevi hidrofobnih skupina + 7

Evo nekoliko grupnih brojeva prema Griffinu:

hidrofilne skupine
SOOC	COONa	COOH	OH	=O
21,1	19,1	2,4	1,9	1,3
hidrofobne skupine
=CH	CH 2 	CH 3	=C=
0,475	0,475	0,475	0,475

Na praktična definicija HLB koriste takozvane referentne točke, a to su HLB brojevi nekih površinski aktivnih tvari: oleinska kiselina - 1, trietanolamin - 12, natrijev oleat - 18.

Iako je koncept HLB-a prilično formalan, on omogućuje grubo određivanje područja primjene surfaktanata. Na primjer:

1.8. Stvaranje micela u MPAS otopinama. Kritično

koncentracija micela. Solubilizacija
Tenzidi koji stvaraju micele u niskim koncentracijama postoje u otopinama u obliku pojedinačnih molekula ili iona. Kako se koncentracija otopine povećava, njihove molekule (ioni) se međusobno povezuju, u početku tvoreći dimere, trimere i druge suradnike. Nakon prekoračenja određene koncentracije karakteristične za svaki surfaktant, koja se naziva kritična koncentracija micela (CMC), MPAS postoje u otopini u obliku posebne vrste tvorevina koje se nazivaju micele. Za većinu površinski aktivnih tvari CMC je u rasponu od 10 - 5 - 10 - 2 mol/l.

Micela surfaktanta podrazumijeva se kao skup amfifilnih molekula, čije su liofilne skupine okrenute prema odgovarajućem otapalu, a liofobne skupine su međusobno povezane, tvoreći jezgru micele. Proces micelizacije je reverzibilan, jer kada se otopina razrijedi, micele se raspadaju na molekule i ione.

U vodenim otopinama u koncentracijama nešto višim od CMC nastaju kuglaste micele („Hartleyeve micele”). Unutrašnjost Hartley micela sastoji se od isprepletenih ugljikovodičnih radikala, a polarne skupine molekula surfaktanta okrenute su prema vodenoj fazi. Promjer takvih micela približno je jednak dvostrukoj duljini molekula surfaktanta. Broj molekula u miceli (stupanj agregacije) raste do određene granice (obično 30 - 100 molekula), nakon čega se daljnjim povećanjem koncentracije ne mijenja, ali raste broj micela.

Pri većim koncentracijama Hartley micele međusobno djeluju što dovodi do njihove deformacije. Mogu biti cilindrični, diskasti, štapićasti, pločasti (“McBen micele”). Pri koncentracijama približno 10 - 50 puta većim od CMC (tzv. CMC 2), micele poprimaju lančanu orijentaciju i zajedno s molekulama otapala mogu formirati želatinasto tijelo. Kada se takvim koncentriranim micelarnim otopinama površinski aktivnih tvari dodaju neutralne soli - NaCl, KCl, NH 4 NO 3 itd. - soli oduzimaju vodu koja ulazi u hidratacijsku ljusku iz micela (micele dehidriraju) i olakšavaju integraciju micela. . U tom slučaju, surfaktant se, ovisno o gustoći, taloži ili ispliva na površinu. Ovo odvajanje surfaktanata iz micelarnih otopina naziva se isoljavanje.

U nevodenim medijima tijekom micelizacije nastaju “obrnute” micele u čijem se središnjem dijelu nalaze polarne skupine, koje su na periferiji okružene slojem ugljikovodičnih radikala. Takve micele obično sadrže znatno manje molekula surfaktanta (30 - 40) nego u vodenim medijima.

Dodavanjem tvari netopljivih u određenom mediju, osobito tekućih, micelarnim otopinama površinski aktivnih tvari, te uz miješanje, moguće je solubilizacija, odnosno prodiranje molekula tih tvari u micele. Tako dolazi do solubilizacije ugljikovodika i masti vodene otopine sapuni i proteini (izravna solubilizacija), voda i polarne tvari - micelarne otopine površinski aktivnih tvari u nepolarnim organskim otapalima (reverzna solubilizacija).

Fenomen solubilizacije koristi se u tehnologiji lijekova za pripravu tekućih oblika lijekova od tvari netopljivih u vodi. Takvi oblici doziranja nazivaju se solubilizirani, a ljekovite tvari netopljive u vodi (na primjer, vitamini topljivi u mastima) uključene u micele nazivaju se solubilizati. Međutim, ove oblike doziranja treba koristiti s oprezom, budući da će se prilikom razrjeđivanja micele surfaktanta raspasti, što će dovesti do oslobađanja velikih kapi ili zrnaca solubilizata.

Koloidna kemija proučava fizikalno-kemijska svojstva disperznih sustava - sustava, čija je jedna od faza skup vrlo malih čestica. Takvi sustavi su rašireni u prirodi, u svakodnevnom životu, u tehnici, građevinarstvu i drugim područjima djelatnosti, a također, što je važno, iu farmaciji. Zakoni koloidne kemije temelj su procesa pripreme oblika lijeka, njihovog skladištenja i starenja. Stoga je poznavanje osnova koloidne kemije neophodno kako farmaceutima opće struke, tako i tehnolozima u kemijskoj i farmaceutskoj proizvodnji, proizvodnji proizvoda koji se koriste u parfumeriji, kozmetici iu svakodnevnom životu.

Ovaj “Tečaj” koristi isti modularni sustav prezentacije kao u svesku posvećenom fizičkoj kemiji. Isto vrijedi i za dizajn teksta i tražilicu. S obzirom na to da je gradivo sadržano u svakom dijelu jedinstvena cjelina, knjiga nije podijeljena na predavanja.

Autor izražava duboku zahvalnost svim zaposlenicima Pyatigorsk State Pharmaceutical Academy, a posebno djelatnicima Odsjeka za fizikalnu i koloidnu kemiju Permskog državnog sveučilišta za fiziku, čiji su savjeti, kritički komentari i pomoć korišteni u pripremi tečaja predavanja i pisanja ove publikacije, te iskrenu zahvalnost recenzentima na njihovoj mukotrpnoj analizi rukopisa i njihovim konstruktivnim komentarima prije odlaska u tisak.

PRIHVAĆENE BILJEŠKE

A – adsorpcijska vrijednost

A - 1) linearne veličine čestica

2) termodinamička aktivnost

C – 1) molarna koncentracija

2) volumna koncentracija

D – 1) stupanj disperzije

d – promjer

2) energija

F - sila

G.S. - slobodna površinska energija

g – ubrzanje sile teže

2) entalpija

ja – intenzitet svjetla

j diff - difuzijski tok

K - 1) adsorpcijska konstanta

ravnoteža

2) konstanta razmjene

3) konstanta brzine koagulacije

K ’ – molarni koeficijent zamućenja

k - 1) Boltzmannova konstanta

l - duljina

M - molekulska masa

m - težina

N.A. - Avogadrov broj

n – 1) količina tvari (mol)

2) indeks loma

3) broj čestica

P – sposobnost zgrušavanja

str - pritisak

Q – volumetrijska brzina protoka

R - univerzalna plinska konstanta

r - radijus

S – 1) područje

2) entropija

S sed - konstanta taloženja

S sp – specifična površina

T - temperatura

t - vrijeme

V - volumen

v – ubrzati

w - Posao

z – ionski naboj

a – stupanj otekline

b - omjer pjene

G - površinski višak

g - koagulacijski prag

D x – prosječni pomak čestica pri

Brownovo gibanje

d - debljina dvostruke električne

e - dielektrična konstanta

e 0 – električna konstanta

z - elektrokinetički potencijal

j - 1) volumna koncentracija

2) elektrotermodinamički

potencijal

h - viskoznost

q - 1) kontaktni kut

2) granica razvlačenja

l - 1) hidrofilno-lipofilni

2) valna duljina

n - djelomična koncentracija

str - 1) geometrijska konstanta

2) osmotski tlak

r - gustoća

S - zbroj

s - 1) površinska napetost

2) gustoća naboja

w - kutna brzina rotacija

OSNOVNE FIZIKALNE KONSTANTE

Avogadrov broj N.A. 6,02252´1023 mol-1

Faradayev broj F 96487 C/mol-ekv

Boltzmannova konstanta k 1,3804´10-23 J/K

Univerzalna plinska konstanta R 8,314 J/mol K =

1,98725 kal/mol K =

0,082057 l atm/mol K

Električna konstanta e 0 8.´1012 F/m

UVOD

1. Predmet koloidne kemije, njezino mjesto među prirodnim znanostima

discipline i implikacije za farmaciju, medicinu i biologiju

Koloidna kemija- znanost koja proučava disperzne sustave i površinske pojave. Otopine visokomolekularnih tvari u mnogim su aspektima slične svojstvima disperziranim sustavima, pa se također razmatraju u tijeku koloidne kemije.

Godine 1861. engleski kemičar T. Graham, nastavljajući rad F. Selmija (1845.), predložio je podjelu svega kemijske tvari u dvije klase prema njihovoj sposobnosti stvaranja otopina s oštro različitim svojstvima. Otopine tvari iste klase - "kristaloidi" u Grahamovoj terminologiji - stabilne su, prolaze nepromijenjene kroz biljne i životinjske membrane, nakon isparavanja obično daju kristalne taloge, difuzija u njima se odvija relativno brzo, u većini slučajeva su prozirne (to su takozvana prava rješenja). Otopine tvari druge klase najčešće su nestabilne (labilne), pri prolasku kroz membrane često se odvajaju ili mijenjaju svojstva, pri isparavanju nastaju amorfni talozi koji se često ne mogu ponovno otopiti, difuzija u takvim otopinama odvija se vrlo sporo , a u većini slučajeva su mutne . Ova klasa tvari grčko ime T. Graham je njihove tipične predstavnike - biljne gume i životinjska ljepila nazvao koloidima (od grč. kolla - ljepilo), a otopine koje oni tvore - koloidnim otopinama. I premda je kasnije postalo jasno da je podjela tvari na kristaloide i koloide netočna, budući da iste tvari mogu tvoriti i prave i koloidne otopine pod različitim uvjetima, pojam "koloidne otopine", kao i izvedeni naziv znanosti " koloidna kemija" " su sačuvani. Međutim, sada ti pojmovi imaju drugačiji sadržaj, o čemu će biti riječi u nastavku.

Većina stvarnih tijela oko nas sastoji se od malih čestica - odstupanja uronjen u bilo koji medij (tekući, čvrsti ili plinoviti). Disperzije obuhvaćaju čestice najrazličitijih oblika - zrnca, grudice, filmove, niti, mjehuriće zraka, kapljice tekućine, kapilare itd. Ukupnost takvih disperzija, zajedno s medijem u kojem su raspoređene, tvori disperzni sustav. Dakle, disperzni sustavi se sastoje od kontinuiranog disperzijski medij I disperzirana faza- ukupnost svih varijanti.

Primjeri prirodnih raspršenih sustava uključuju stijene, tlo, pijesak, prašinu, dim, oblake i maglu; biljna i životinjska tkiva, stanice i unutarstanične tvorevine biljaka, životinja, mikroorganizama, kao i same mikroorganizme – bakterije i viruse. Mnogi industrijski proizvodi također su disperzni sustavi, na primjer, građevinski materijali, metalne legure, papir, tkanine, prehrambeni proizvodi i mnogi oblici doziranja (prašci, emulzije, suspenzije, aerosoli)
itd.). Iz toga proizlazi da se procesi tehnologije lijekova ne mogu stručno kontrolirati bez poznavanja osnovnih svojstava disperznih sustava.

Unatoč maloj veličini disperzija, ukupna površina koja ih odvaja od disperzijskog medija je vrlo velika. Zbog toga su u disperziranim sustavima posebno uočljivi. površinske pojave, koji uvelike određuju njihova svojstva. Površinski fenomeni uključuju procese koji se odvijaju na granici koja razdvaja kontaktne (konjugirane) faze. Dakle, biokemijski procesi u živim organizmima odvijaju se na različitim sučeljima, kao što su membrane koje tvore membrane stanica, jezgre, mitohondrije itd. Za detaljno razmatranje ovih procesa u normalnim i patološkim stanjima, kao i procesa koji uključuju ljekovite tvari , znanje je potrebno teorije površinskih pojava.

Koloidna kemija ima još jedan predmet proučavanja - tvari velike molekulske mase (HMW) i njihove otopine. Činjenica je da EMV makromolekule imaju veličine usporedive s veličinama mnogih malih disperzija. Stoga njihova rješenja imaju mnogo opća svojstva s disperziranim sustavima. Potreba za proučavanjem EMV je i zbog činjenice da sastav tkiva i stanica tijela, citoplazme, krvi itd. uključuje prirodne visokomolekularne tvari - proteine, polisaharide, nukleinske kiseline. Otopine različitih EMV koriste se kao lijekovi, stoga i farmakolog i farmaceut moraju poznavati svojstva i strukturne značajke takvih sustava te ovladati metodama njihovog proučavanja.

Imajući za predmet istraživanja uglavnom stvarne objekte u svoj raznolikosti njihovih svojstava, koloidna kemija zaokružuje opće kemijsko obrazovanje. U isto vrijeme, postoji svaki razlog da se znanost o raspršenim sustavima i površinskim fenomenima nazove fizikalnom kemijom stvarnih tijela.

2. Znakovi koloidnih kemijskih objekata

Objekte koloidne kemije karakteriziraju dva zajedničke karakteristike- heterogenost i disperzija. Sva posebna svojstva koja su im svojstvena su posljedice ili funkcije heterogenosti i disperznosti.

Heterogenost(višefazni) - znak koji ukazuje na prisutnost međufaznog sučelja. Za razliku od ostalih heterogenih sustava, disperzni sustavi imaju visok stupanj fragmentacija i veliki broj čestica disperzne faze.

disperznost(fragmentacija) određena je veličinom čestica disperzne faze. Što su linearne dimenzije čestica faze manje, to je njihova disperznost veća. Kvantitativno, disperznost se može izraziti sljedećim karakteristikama:

1) linearne dimenziječestice A . Dimenzija A u SI sustavu - m. U slučaju izometričnog oblika čestice - kubične ili sferne, linearne dimenzije označavaju promjer ili rub kocke, a u slučaju niti, kapilara, filmova i drugih neizometrijskih čestica - ovaj je duljina najmanje osi čestice.

2) stupanj disperzije D , često se jednostavno naziva disperzija. D je recipročna vrijednost linearnih dimenzija čestica D = 1/a . Dimenzija D u SI sustavu – m-1. D može se smatrati brojem čestica koje stanu po jedinici duljine, tj. po 1 m.

3) specifična površina Sud , određeno omjerom međufazne površine prema volumenu ili prema masi čestica dispergirane faze. Postoje dvije vrste specifične površine:

- Specifična površina prema volumenu:

Gdje n - broj čestica, S - površina jedne čestice, V - volumen jedne čestice. Dimenzija S pobijediti V m2/m3 (ili manje ispravno m-1).

U mnogim slučajevima disperzije spontano poprimaju oblik blizak sfernom ili kubičnom. To je zbog činjenice da od svih geometrijska tijela kugla i kocka imaju najmanju površinu za isti volumen. Stoga postoje jednostavne formule za izračun S pobijediti V :

Gdje r - radijus čestice, d - njegov promjer;

- za sustave s kubičnim česticama

Gdje A - duljina ruba kocke.

- Specifična površina po masi:

Gdje m - masa jedne čestice. Jer m = r V , Gdje r je gustoća čestične tvari, tada možemo napisati: . Sredstva,

- za sustave sa sfernim česticama

;

- za sustave s kubičnim česticama:

Sve tri karakteristike disperznosti su međusobno povezane: s smanjenjem A disperzija se povećava D i specifične površine Sud .

Sa smanjenjem kvantitativne karakteristike - veličine čestica - uz postizanje određenog stupnja disperzije, dolazi do kvalitativne promjene svojstava heterogenog sustava, i to: od različitih fizikalnih i kemijska svojstva Površinski fenomeni dobivaju vodeću ulogu. Ta se kvalitativna jedinstvenost počinje očitovati kada se veličina čestica disperzne faze smanji na 10-4 ¸ 10-6 m, a posebno je jasno izražena u sustavima s česticama veličine 10-7 ¸ 10-9 m. Upravo je takvi sustavi koji su zapravo objekti proučavanja koloidne kemije ( koloidni sustavi). Stoga je uobičajeno govoriti o česticama koloidne veličine i o posebnim koloidno stanje tvari, čime se naglašava jedinstvenost sustava s iznimno malim česticama.

3. Kratka povijesna crtica

Utemeljiteljem koloidne kemije smatra se T. Graham, koji je 60-ih godina 19.st. prva sustavna istraživanja koloidnih otopina. Nakon toga, koloidna kemija apsorbirala je rezultate dobivene u drugim područjima fizike i kemije te u potkraj XIX– početak 20. stoljeća V. formirala u samostalnu granu kemije.

Na temelju mehaničke teorije kapilarnosti razvijene u početkom XIX V.
T. Young i P. Laplace, te termodinamiku površinskih pojava stvorio
J. W. Gibbs 1870-ih formulirao je glavne smjerove istraživanja u koloidnoj kemiji: proučavanje procesa stvaranja nove faze u homogenim sustavima, termodinamičku stabilnost koloidnih sustava i kvantitativni opis adsorpcije na međupovršini. Ideje o strukturi dvostrukog električnog sloja koje je 1853. godine razvio G. Helmholtz omogućile su objašnjenje elektrokinetičkih i kapilarnih pojava. Stvaranje teorije raspršenja svjetlosti J. Rayleigha pridonijelo je kvantitativnom proučavanju optičkih svojstava koloidnih sustava. Studija
J. Perrina, T. Svedberga i R. Zsigmondyja Brownovog gibanja temeljenog na teoriji koju su 1905. godine stvorili A. Einstein i M. Smoluchowski, omogućilo je dokazivanje realnosti postojanja molekula i ispravnosti molekularno-kinetičkih koncepata. Godine 1903. otkrio je fenomen kromatografije i razvio kromatografsku metodu za odvajanje i analizu smjesa tvari. Na temelju kinetičke teorije adsorpcije koju je 1917. predložio I. Langmuir, razvijene su metode za proučavanje stanja molekula surfaktanta u monomolekularnim adsorpcijskim slojevima. Godine 1928. otkrio je adsorpcijsko smanjenje čvrstoće ("Rehbinderov efekt"), au 1940-im i 50-im godinama, na temelju razvoja ovog smjera i proučavanja stvaranja strukture u disperznim sustavima, stvorio je fizikalno-kemijsku mehaniku. Fizikalna teorija Stabilnost koloidnih sustava razvili su 1937. zajedno s njima i neovisno o njima E. Verwey i J. Overbeck (“teorija DLFO”).

Glavna područja istraživanja suvremene koloidne kemije su termodinamika površinskih pojava, proučavanje adsorpcije tvari, svojstva disperznih sustava, struktura dvostrukog električnog sloja, stvaranje i usavršavanje koloidno-kemijskih metoda analize i istraživanja. itd.

I. POVJERLJIVI FENOMENI

POGLAVLJE 1

ZNAČAJKE STRUKTURE POVRŠINSKOG SLOJA. POVRŠINSKA NAPETOST

1.1. Površinska Gibbsova energija. Površinska napetost

Međufazna površina može postojati samo ako u sustavu postoji tekuća ili čvrsta faza. Oni određuju oblik i strukturu površinskog sloja - prijelaznog područja iz jedne faze u drugu.

U najjednostavnijem slučaju, svaka čvrsta ili tekuća tvar sastoji se od molekula jedne vrste. Međutim, stanje onih molekula koje se nalaze na površini razlikuje se od stanja molekula koje se nalaze u masi krute ili tekuće faze, budući da nisu sa svih strana okružene drugim sličnim molekulama. Površinske molekule uvlače se u tekućinu ili krutinu jer doživljavaju veću privlačnost od molekula u masi kondenzirane faze nego od molekula plina s druge strane površine. Ovo privlačenje uzrokuje skupljanje površine što je više moguće i rezultira određenom silom u ravnini površine koja se naziva sila površinska napetost.

Stoga tekuća i čvrsta tijela spontano poprimaju najmanji mogući volumen i praktički se ne mogu stlačiti, a njihovo rastezanje i pucanje zahtijevaju znatan utrošak energije.

Ta energija koja se prenosi površinskom sloju i određuje njegovu stabilnost je, prema J. W. Gibbsu, tzv. slobodna površinska energija G.S. , proporcionalno površini sučelja:

G.S. = s S , (1.1)

Gdje s - koeficijent proporcionalnosti, tzv koeficijent površinske napetosti. Fizičko značenje s - slobodna površinska energija po jedinici površine sučelja ili, drugim riječima, rad reverzibilne izotermne formacije po jedinici površine sučelja. SI dimenzija s - J/m2.

1.2. Načini smanjenja slobodne površinske energije

Svaki sustav, uključujući i one raspršene, teži ravnoteži. Iz kolegija fizičke kemije poznato je da u ovom slučaju uvijek postoji tendencija spontanog smanjenja Gibbsove energije G . To vrijedi i za slobodnu površinsku energiju disperznih sustava G.S. .

Štoviše, u skladu s jednadžbom (1.1), smanjenje G S može se postići na sljedeće načine:

A) Pri konstantnoj površinskoj napetosti smanjenjem međufaznog sučelja:

D G S = s D S .

Smanjenje površine sučelja može se pak izvesti na dva načina:

Spontano usvajanje česticama geometrijskog oblika koji odgovara minimalnoj slobodnoj površinskoj energiji. Dakle, u nedostatku vanjskih utjecaja sila, kap tekućine poprima oblik lopte.

Kombinacija (agregacija) malih čestica u veće (agregate). U ovom slučaju postiže se puno veći energetski dobitak, budući da se spajanjem fazno sučelje vrlo značajno smanjuje.

b) Na konstantnom području sučelja smanjenjem površinske napetosti:

D G S = S D s .

1.3. Surfaktanti

Organske tvari s asimetričnim, difiličan molekule koje sadrže i polarne (hidrofilne) i nepolarne (lipofilne) skupine. Hidrofilne skupine (-OH, -COOH, -SO3H, -NH2 itd.) osiguravaju afinitet surfaktanta u vodi, dok hidrofobne skupine (obično ugljikovodični radikali, i alifatski i aromatski) daju afinitet tenzida prema nepolarnim medijima. Vlastita površinska napetost površinski aktivne tvari mora biti manja od one dane krutine ili tekućine. U adsorpcijskom sloju na faznoj granici amfifilne molekule su orijentirane na energetski najpovoljniji način: hidrofilne skupine - prema polarnoj fazi, hidrofobne - prema nepolarnoj fazi.

Grafički, molekula surfaktanta je predstavljena simbolom ¡¾¾¾, u kojem krug označava hidrofilnu skupinu, a crta hidrofobnu.

1.4. Klasifikacija surfaktanata

- Prema veličini molekule Surfaktanti se dijele na velike molekularne težine (na primjer, proteini) i niske molekularne težine (velika većina površinski aktivnih tvari navedenih u drugim vrstama klasifikacije).

- Po vrsti hidrofilnih skupina razlikovati neionski (neionski) I ionski (ionski) surfaktant.

Neionske tvari postoje u otopini u obliku nedisociranih molekula (na primjer, Tweens ili sorbitali, alkoholi).

U praksi se najčešće koriste anionski tenzidi: karboksilne kiseline i njihove soli (sapuni), alkil sulfati, alkil sulfonati, alkilaril sulfonati, fenoli, tanini i dr.

Drugo mjesto po važnosti zauzimaju neionski tenzidi - alifatski alkoholi, njihovi polioksietilenski eteri različite prirode, lipidi.

- Ponašanje u otopini sve tenzide dijelimo na pravi-topljiv i koloidni (ili micelotvorni, MPAV). U prvu skupinu ubrajamo veliki broj visoko topljivih amfifilnih organskih spojeva s malim ugljikovodičnim radikalima (alkoholi, fenoli, niže karboksilne kiseline i njihove soli, amini). Tvari ove vrste postoje u otopini kao pojedinačne molekule ili ioni, do koncentracija koje odgovaraju njihovoj topivosti.

1.5. Primjena surfaktanata

Surfaktanti se koriste kao flotacijska sredstva, disperzanti, emulgatori, deterdženti, komponente sredstava za gašenje požara, kozmetike itd. Surfaktanti imaju važnu ulogu u biološkim procesima.

U farmaciji se površinski aktivne tvari koriste uglavnom u obliku medicinskih sapuna i stabilizatora za oblike doziranja kao što su emulzije, suspenzije, koloidne otopine i solubilizirani sustavi.

Twin-80 sulfanol

1.6. Izoterma površinske napetosti. Jednadžba

Šiškovskog

Ovisnost površinske napetosti otopina površinski aktivnih tvari o njihovoj koncentraciji izražava se pri svakoj zadanoj konstantnoj temperaturi izotermama. Opći pogled na takvu izotermu prikazan je na sl. 1.1. Izoterma površinske napetosti napušta točku s 0 na y-osi, što odgovara površinskoj napetosti čistog otapala. S povećanjem koncentracije tenzida, površinska napetost postupno opada, težeći određenoj minimalnoj konstantnoj vrijednosti karakterističnoj za svaki dani tenzid.

Riža. 1.1. Opći prikaz izoterme površinske napetosti

Izoterme površinske napetosti mogu se opisati pomoću jednadžbe B. Shishkovsky (1908.):

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

Gdje s - površinska napetost otopine surfaktanta; D s - smanjenje površinske napetosti otopine surfaktanta s koncentracijom S u usporedbi sa s 0 - površinska napetost otapala (na primjer, vode) na određenoj temperaturi; A I b - konstante. Konstantno A karakteristika svake homologne serije; koeficijent b individualno za svaki pojedini surfaktant.

1.7. Svojstva surfaktanta: površinska aktivnost, hidrofilan

lipofilna ravnoteža

Predznak minus pokazuje da se s povećanjem koncentracije surfaktanta površinska napetost njegove otopine smanjuje.

Za stvarno topljive površinski aktivne tvari, površinska aktivnost je određena početnim dijelom izoterme površinske napetosti (slika 1.2) pri koncentraciji koja teži nuli.

Riža. 1.2. Određivanje površinske aktivnosti surfaktanta izotermom

površinska napetost

Da bi se to pronašlo, povlači se tangenta na izotermu površinske napetosti u točki koja odgovara s 0 .Dirnica se produljuje dok ne presiječe os koncentracije. Površinska aktivnost izračunava se kao tangens kuta nagiba tangente na os apscise:

Za površinski aktivne tvari koje stvaraju micele, površinska aktivnost može se izračunati pomoću formule

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

Gdje ( b + Y n ) – afinitet (energija Gibbsove interakcije) nepolarnog dijela molekule surfaktanta prema tekućini ugljikovodika ( b – koeficijent ovisno o prirodi površinski aktivne tvari, Y - afinitet po skupini - CH2-, n - broj skupina - CH2- u radikalu ugljikovodika); A – afinitet polarne skupine prema vodi.

HLB = å brojevi hidrofilnih skupina +

+ å brojevi hidrofobnih skupina + 7

Evo nekoliko grupnih brojeva prema Griffinu:

hidrofilne skupine


hidrofobne skupine

U praktičnom određivanju HLB-a koriste se takozvane referentne točke, a to su HLB brojevi nekih površinski aktivnih tvari: oleinska kiselina - 1, trietanolamin - 12, natrijev oleat - 18.

Iako je koncept HLB-a prilično formalan, on omogućuje grubo određivanje područja primjene surfaktanata. Na primjer:

Alati

Tema: Proučavanje koloidnih otopina.

Disciplina : Kemija

Dobro : 2

Semestar : 3

Izmišljeno : Polivanova T.V., učiteljica kemije, prva kvalifikacijska kategorija

Moskva

2015

Sadržaj:

Motivacija teme ………………… …..str.4

Ciljevi i ciljevi..…………………………. .stranica 4

Informacijski blok……………... stranica 5

Upravljačka jedinica……………….str. 18

1. Motivacija teme

Koloidni sustavi su široko rasprostranjeni u prirodi. Proteini, krv, limfa, ugljikohidrati, pektini su u koloidnom stanju. Mnoge industrije (prehrambena, tekstilna, gumarska, kožarska, boja i lakova, keramika, tehnologija umjetnih vlakana, plastika, maziva) povezane su s koloidnim sustavima. Proizvodnja građevinskih materijala (cementa, betona, veziva) temelji se na poznavanju svojstava koloida. Industrije ugljena, treseta, rudarstva i nafte rade s raspršenim materijalima (prašina, suspenzije, pjene). Koloidna kemija je od posebnog značaja u procesima prerade minerala, drobljenja, flotacije i mokrog obogaćivanja ruda. Fotografski i kinematografski procesi također su povezani s uporabom koloidnih disperznih sustava.

Objekti koloidne kemije uključuju svu raznolikost oblika flore i faune, posebno tipične koloidne formacije su mišićne i živčane stanice, stanične membrane, vlakna, geni, virusi, protoplazma, krv. Stoga je koloidni znanstvenik I. I. Zhukov izjavio da je “čovjek u biti hodajući koloid”. U svjetlu ovoga, tehnologija lijekovi(masti, emulzije, suspenzije, aerosoli, prašci), djelovanje raznih lijekova na organizam ne može se zamisliti bez poznavanja koloidne kemije.

2. Ciljevi i ciljevi.

Cilj: stjecanje sustavnih znanja o koloidnim disperznim sustavima ovisno o klasifikacijskim karakteristikama, metodama pripreme, pročišćavanja i stabilnosti disperznih sustava te sposobnost primjene tih znanja na specifične sustave koji se nalaze u biološkim objektima.

Zadaci:

obrazovni:

Upoznati studente s pojmom disperzni sustavi, koloidne otopine.

upoznati studente s metodama dobivanja koloidnih otopina.

Objasniti učenicima način pročišćavanja koloidnih otopina i strukturu micela.

upoznati studente sa svojstvima koloidnih otopina.

razvoj:

Nastaviti i proširiti kognitivnu aktivnost učenika, kao i njihove ideje o metodama dobivanja koloidnih otopina.

nastaviti razvijati i proširivati razumijevanje učenika o dijalizi, elektrodijalizi, ultrafiltraciji, komponente koloidne čestice i njihovo praktično značenje u svakodnevnom životu.

edukacija:

nastaviti njegovati pozornost, zapažanje, estetske osjećaje i vještine rada s tehnologijom.

Informacijski blok.

Raspršeni sustavi – heterogeni sustavi u kojima je jedna tvar (disperzna faza) ravnomjerno raspoređena u drugoj (disperzijski medij). Svojstva tvari u drobljenoj (raspršena ) stanje bitno razlikuju od svojstava iste tvari u obliku krutine ili nekog volumena tekućine.

Postoji nekoliko različitih klasifikacija disperznih čestica: prema veličini čestica, prema agregacijskom stanju disperzne faze i disperzijskog medija, prema prirodi međudjelovanja čestica disperzne faze s molekulama disperzijskog medija, prema termodinamičkom i kinetička stabilnost.

Ovisno o veličini čestica disperzne faze a, razlikuju se sljedeći disperzni sustavi

Raspršeni sustavi

Veličina čestice

Ime

a ≤ 10 -9 m

Prava rješenja

a = 10 -9 –10 -7 m

Koloidni sustavi

a ≥ 10 -7 –10 -5 m

Grubi sustavi

Klasifikacija disperznih sustava prema agregatnim stanjima disperzne faze i disperzijskog medija dana je u tablici

Klasifikacija disperznih sustava

Raspršena

faza

Disperzivni medij

Plin

Tekućina

Čvrsto

Plin

Nije formirano

Pjena

Čvrsta pjena

Tekućina

Aerosol

Emulzija

Čvrsta emulzija

Čvrsto

Aerosol, prah

Suspenzija i sol

Čvrsti sol

Koloidno stanje je karakteristično za mnoge tvari ako su njihove čestice veličine 10ˉ 7 do 10 5 cm Ukupna im je površina ogromna, a posjeduje i površinsku energiju zbog koje može adsorbirati čestice iz otopine. Nastala koloidna čestica naziva semicela . Ona ima složena struktura a sastoji se od jezgre, adsorbiranih iona i protuiona.

Ako otapalo stupa u interakciju s jezgrom čestice, tadaliofilni koloidi, ako ne međusobno djeluju, tadaliofobičan koloidi.

Povijesna referenca

Obično se smatra da je utemeljitelj koloidne kemije engleski znanstvenik Thomas Graham (1805-1869), koji je 50-60-ih godina prošlog stoljeća uveo u opticaj osnovne koloidne kemijske pojmove. No, ne treba zaboraviti da je imao i prethodnike, a prije svega Jacoba Berzeliusa, talijanskog kemičara Francesca Selmija. U 30-im godinamaXIXst. Berzelius je opisao brojne sedimente koji pri ispiranju prolaze kroz filtar (silicijeva i vanadinska kiselina, srebrni klorid, prusko plavo itd.). Berzelius je te taloge koji prolaze kroz filtar nazvao "otopinama", ali je istovremeno ukazao na njihovu blisku srodnost s emulzijama i suspenzijama, s čijim je svojstvima bio dobro upoznat. Francesco Selmi 50-ih godinaXIXstoljeća, nastavio rad u tom smjeru, tražeći fizikalno-kemijske razlike između sustava formiranih sedimentima koji prolaze kroz filter (nazvao ih je "pseudo-otopine") i običnih pravih otopina.

engleski znanstvenik Michael Faraday (*) 1857. godine sintetizirao koloidne otopine zlata – suspenzijuAuu vodi, veličine čestica su od 1 do 10 nm. i razvio metode za njihovu stabilizaciju.

Ove "pseudo-otopine" raspršuju svjetlost, tvari otopljene u njima talože se kada se dodaju male količine soli, prijelaz tvari u otopinu i taloženje iz nje nije popraćeno promjenom temperature i volumena sustava, što se obično opaža kod otapanja kristalnih tvari.

Thomas Graham razvio je te ideje o razlici između "pseudo-otopina" i pravih otopina i uveo koncept "koloida". Graham je otkrio da tvari koje mogu formirati želatinozne amorfne precipitate, kao što su aluminijev hidroksid, albumin, želatina, difundiraju u vodi malom brzinom u usporedbi s kristalnim tvarima (NaCl, saharoza). Istodobno, kristalne tvari lako prolaze kroz pergamentne ljuske u otopini ("dijaliziraju"), ali želatinozne tvari ne prolaze kroz te ljuske. Uzimajući ljepilo kao tipičnog predstavnika želatinoznih, nedifuzibilnih i nedijalitičkih tvari, Graham im je dao opći naziv “koloid”, tj. ljepilo (od grčke riječi kolla - ljepilo). Kristalne tvari i tvari koje su dobre u difuziji i dijalizi nazvao je "kristaloidima".

Micel i njegova struktura

Koloidna čestica je jezgra slabo topljive tvari koloidne disperzije, na čijoj su površini adsorbirani ioni otopine elektrolita. Ioni elektrolita osiguravaju stabilnost sola, pa se ovaj elektrolit naziva ionski stabilizator. To znači da je koloidna čestica kompleks koji se sastoji od jezgre zajedno s adsorpcijskim slojem protuiona. Agregat čestica ili jezgra je tvar s kristalnom strukturom, koja se sastoji od stotina ili tisuća atoma, iona ili molekula, okruženih ionima. Jezgra zajedno s adsorbiranim ionima naziva se granula. Dakle, granula ima određeni naboj. Suprotno nabijeni ioni skupljaju se oko njega, dajući mu ukupnu električnu neutralnost. Cijeli sustav koji se sastoji od granula i iona koji ga okružuju naziva se micel i električki je neutralan. Tekuća faza koja okružuje micelu naziva se intermicelarna tekućina. Ovo se može prikazati na sljedećem kratkom dijagramu:

granula, tj. koloidna čestica = jezgra + adsorpcijski sloj + protuionski sloj + difuzni sloj

micela = granula + protuioni

sol = micele + intermicelarna tekućina.

Uzmimo kao primjer sol As 2 S 3 (Slika 7). Da bi se dobio ovaj sol, arsenska kiselina se mora tretirati sumporovodikom. Reakcija koja se javlja može se napisati na sljedeći način:

2H 3 AsO 3 + 3H 2 S= Kao 2 S 3 + 6H 2 OKO

Višak H 2 S u ovom sustavu igra ulogu ionskog stabilizatora. H 2 S djelomično disocira na ione:

H 2 S↔HS - + H +

Od tih iona, HS - ioni se adsorbiraju na površini jezgre As micele 2 S 3 , pa u ovom sustavu:

[ Kao 2 S 3 ] n - jedinica

[ Kao 2 S 3 ] n , mHS - - jezgra

([ Kao 2 S 3 ] n , mHS - ,(m-x)N + } - x - zrnce

([ Kao 2 S 3 ] n , mHS - ,(m-x)N + } - xN + - micela

Jezgre micela imaju kristalnu strukturu. Proces nastanka koloidnih čestica detaljno je proučavao V.A. Kargin i Z.Ya. Berestneva 1953. pomoću elektronskog mikroskopa i stvorio novu teoriju. Prema ovoj teoriji, mehanizam nastanka koloidne čestice odvija se u dvije faze: prvo nastaju kuglaste čestice koje su u amorfnom stanju, a zatim se unutar amorfnih čestica pojavljuju mali kristalići. Zbog nastanka kristalnih struktura unutar amorfnih čestica stvara se napetost i prema minimalnoj unutarnjoj energiji sustava, uz uvjete (∆N<0, ∆S<0), |∆Н| >|T∆S|, ∆G<0) происходит самопроизвольный процесс распада на множество мелких кристаллических частиц и эти кристаллы становятся центром мицеллы. Скорость кристаллизации для различных золей различна.

Metode dobivanja koloidnih otopina

Koloidne otopine mogu se pripremiti:

1. Metodama disperzije temelji se na drobljenju ili raspršivanju velikih čestica tvari do koloidnih veličina. Disperzija se može izvesti mehaničkim mljevenjem, električnim raspršivanjem i tako dalje.

Raspršene metode uključuju– proces stvaranja sola iz gelova ili rastresitih sedimenata pod djelovanjem peptizatora (u većini slučajeva elektrolita) adsorbiranih na površini koloidnih jezgri i olakšavajući njihovu interakciju s disperzijskim medijem.

2. Metode kondenzacije , temelji se na agregaciji molekula ili iona u veće čestice. Agregacija čestica može se postići na različite načine.

S kondenzacijskom metodom, rast čestica prestaje mnogo prije formiranja termodinamički stabilnog sučelja. Stoga su koloidni sustavi bez obzira na način pripremetermodinamički nestabilan . S vremenom, kao rezultat želje za termodinamički povoljnijim stanjem, koloidni sustavi prestaju postojati zbog koagulacije – procesa uvećanja čestica.

Fizikalno-kemijska kondenzacija odnosi se na metodu zamjene otapala, koja se svodi na to da se tvar iz koje se treba dobiti sol otopi u odgovarajućem otapalu u prisutnosti stabilizatora (ili bez njega), a zatim se otopina otopi. pomiješa se s viškom druge tekućine u kojoj je tvar netopljiva. Kao rezultat, nastaje sol. Tako se dobivaju sumporni solovi i kolofonij. Zbog čega u ovom slučaju dolazi do sitosti.

Metoda kemijske kondenzacije temelji se na reakcijama koje dovode do stvaranja krutog produkta.

a) Reakcije redukcije.

Na primjer, priprema sola zlata i srebra reakcijom soli ovih metala s redukcijskim sredstvima:

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

(·nAuO2–·(n–x)K+)x–·xK+ – micela sol zlata.

b) Reakcije oksidacije.

Na primjer, dobivanje sumpornog sola:

2H2S + O2 → 2S + 2H2O.

Struktura micele dobivenog sola može se prikazati sljedećom formulom:

{ · nS5O62–· 2(n–x)H+)· 2xH+.

c) Reakcije razmjene. Na primjer, dobivanje sol barijevog sulfata.

Pri korištenju reakcija izmjene sastav micela ovisi o redoslijedu ispuštanja otopina reagensa!

d) Reakcije hidrolize.

Na primjer, crveno-smeđi sol željezovog (III) hidroksida dobije se ako se u kipuću vodu doda mala količina željezovog (III) klorida: FeCl3 + H2O → Fe(OH)3 + 3HCl.

Struktura Fe(OH)3 sol micele, ovisno o tome koji je ion stabilizator, može se izraziti formulama:

{ · nFeO+· (n–x)Cl–)x+· xCl–

ili { · nFe3+· 3(n–x)Cl–)3x+· 3xCl–

ili { · nH+· (n–x)Cl–)x+· xCl–.

Primjer proizvodnje koloidnih sustava kristalizacijom je kristalizacija iz prezasićene otopine saharoze u proizvodnji šećera. Proces desublimacije događa se tijekom stvaranja oblaka, kada se u uvjetima prehlađenog stanja iz vodene pare odmah formiraju kristali, a ne kapljice vode.

Svojstva koloidnih sustava:

raspršenje svjetlosti (opalescencija) (ukazuje na heterogenost, višefazni sustav).

Opalescencija postaje posebno uočljiva ako, kao što je Tyndall učinio, ( propustiti snop konvergentnih zraka kroz koloidnu otopinu, postavljajući leću između izvora svjetlosti i kivete s otopinom. U tom slučaju otopine koje su prozirne u propuštenoj svjetlosti pokazuju sva svojstva mutnih medija pri bočnom osvjetljenju. U koloidnoj tekućini gledano sa strane nastaje svijetli svjetleći stožac (Tyndallov stožac).

spora difuzija

nizak osmotski tlak

koloidne otopine su sposobne za dijalizu, tj. može se odvojiti od nečistoća pomoću membrane

sposoban za koagulaciju (razaranje) sustava pri: dodavanju nečistoća, promjeni T, miješanju itd.

ponekad se otkrije fenomen elektroforeze, tj. čestice u sustavu mogu imati naboj.

Stabilnost koloidnih otopina

Razlikuju se kinetička i agregatna stabilnost koloidnih sustava.Kinetička stabilnost povezuje se sa sposobnošću čestica disperzne faze na spontano toplinsko gibanje u otopini, što je poznato kao Brownovo gibanje. Takvo kaotično kretanje čestica sprječava njihovo povezivanje. Tipično, koloidne otopine su kinetički stabilne, a njihova destrukcija se događa tek nakon što je narušena agregatna stabilnost otopine.

Stabilnost agregata je zbog činjenice da se na površini koloidnih čestica odvija adsorpcija iona (molekula) iz okoline.

Tvar koja se adsorbira na jezgri čestica i povećava stabilnost koloidnih otopina naziva se stabilizator. S ionskim stabilizatorom pojavljuju se dvostruki električni slojevi oko jezgri micela, što otežava njihovu integraciju. Kod molekularnog stabilizatora, na adsorbiranim molekulama nastaju solvatne ljuske (slojevi) molekula disperzijskog medija zbog međumolekulskih međumolekulskih sila koje ometaju sjedinjavanje čestica.

Uništavanje koloidnih otopina

Proces povećanja koloidnih čestica, koji dovodi do smanjenja stupnja disperzije raspršene tvari, naziva sezgrušavanje . Koagulacija, odnosno sljepljivanje čestica, dovodi do taloženja (taloženja) velikih nakupina u obliku taloga.

Smanjenje stabilnosti koloidnih sustava uzrokovano je uvođenjem elektrolita, koji mijenjaju strukturu difuznog sloja iona. Štoviše, samo oni ioni (koagulatori) koji nose naboj, prema istoimenom zakonu kao i naboj protuiona koloidne čestice, imaju koagulacijski učinak u elektrolitu. Koagulacijski učinak iona koagulatora je veći što je njegov naboj veći.

Zgrušavanje – spontani proces koji nastaje zbog želje sustava da prijeđe u stanje s nižom površinskom energijom i nižom vrijednošću izobarnog potencijala. Proces sedimentacije koagulirane tvari također se događa spontano. Koagulacija može biti zbog raznih razloga, najučinkovitije djelovanje elektrolita. Minimalna koncentracija elektrolita u otopini koja uzrokuje koagulaciju naziva se koagulacijski prag. Do koagulacije također dolazi kada se dva sola s različitim predznakom naboja čestica istisnu. Ova pojava se naziva međusobna koagulacija.

Metoda pročišćavanja koloidnih otopina

metodom dijalize

Pri izradi koloidnih sustava, osim disperzne faze, njihov sastav sadrži velike količine kiselina, baza i soli. Kako bi se osigurala stabilnost koloidne otopine, otopina mora sadržavati nešto elektrolita, ali se višak elektrolita mora ukloniti. Uklanjanje viška elektrolita iz koloidne otopine naziva se uklanjanjem elektrolita iz koloidne otopine. Za pročišćavanje koloidnih otopina koriste se metode dijalize, ultrafiltracije i elektrodijalize.

Posebnost dijalize je u tome što se koloidna otopina i u njoj prisutni elektroliti odvajaju od čistog otapala (vode) pomoću polupropusne membrane (slika 4). Molekule i ioni koji mogu proći kroz takvu membranu ići će u otopinu dok se ne uspostavi ravnoteža između koncentracija molekula i iona s obje strane membrane. Povremenom promjenom otapala možete u određenoj mjeri očistiti sol od nečistoća. Za dijalizu se obično koriste kolodijevi filmovi, pregrade od celuloznog acetata, celofana i drugih materijala. Uz to se koriste i prirodni filmovi, na primjer, zidovi mokraćnog mjehura.

Koloidna otopina (A) se ulije u posudu prekrivenu membranom (B), nakon čega se uroni u posudu napunjenu čistom vodom (C). Voda u vanjskoj posudi se periodički mijenja, tj. Koristi se protočni dijalizator s kontinuiranom izmjenom vode. Zidovi mjehura ili druge membrane imaju vrlo male rupe (promjer im je 20-30 mikrona). Molekule ili ioni mogu proći kroz te rupe, ali ne i koloidne čestice. Elektroliti sadržani u pepelu difundiraju u vodu i ispiru se iz koloidne otopine kroz membranu. Promjenom vode koloidna otopina može se do određene mjere pročistiti.

metodom elektrodijalize

U elektrodijalizi se dijaliza ubrzava djelovanjem električne struje. Između dvije membrane M 1 ih 2 stavlja se koloidna otopina koja mora biti očišćena od elektrolita (slika 5). U bočnim dijelovima posude, kroz koje se neprekidno propušta čista voda (otapalo), nalaze se elektrode. Prolaskom električne struje pozitivno nabijeni ioni usmjeravaju se na katodu, a negativno nabijeni na anodu. Ioni elektrolita, prolazeći kroz membranu, skupljaju se u dijelu posude gdje su postavljene elektrode. Pročišćeni sol ostaje u srednjem dijelu posude između dvije membrane. Ova se metoda uglavnom koristi u pročišćavanju organskih koloida. U industriji se široko koristi za dobivanje čiste želatine i ljepila.

metoda ultrafiltracije

Koloidne otopine mogu se pročistiti filtriranjem kroz polupropusne membrane. Ultrafilter se sastoji od Buchnerovog lijevka (1), membrane (2), Bunsenove tikvice (3) i pumpe (4) (slika 6). Da bi se ubrzala, ultrafiltracija se provodi pod pritiskom. Koristeći određenu membranu, možete filtrirati koloidnu otopinu od elektrolita, kao i solove jedne od drugih. Da bi se to postiglo, promjer otvora na membrani mora biti veći od čestica jednog sola, a manji od čestica drugog sola.

Upotreba u medicini

U medicini se koloidne otopine koriste posvuda. Evo nekoliko primjera njihove upotrebe. koje su male metalne čestice raspršene u vodi, koje se koriste u liječenju opeklina, i dvanaesnika, za ispiranje nosne sluznice radi sprječavanja širenja virusnih infekcija.

Farmaceutska industrija nudi veliki izbor koloidnih otopina za razne namjene. Među njima postoje univerzalni lijekovi koji se mogu koristiti kao sredstva za zacjeljivanje rana za opekline i hemoroide; protuupalno – kod curenja iz nosa, upale grla, sinusitisa; analgetici – za ublažavanje zubobolje i drugo. To uključuje koloidnu otopinu "Millennium". Gel sadrži aloe, proteine pšenice, ginseng, vitamin E i druge korisne dodatke. Mnogi lijekovi za vanjsku upotrebu zapravo su koloidne otopine. Za zglobove se, na primjer, koristi "Arthro Complex", koji sadrži tako korisnu komponentu kao što je hrskavica morskog psa.

Primjena u svakodnevnom životu i industriji

Koloidne otopine čine osnovu deterdženata i tenzida za čišćenje. Onečišćenja prodiru u micelu i tako se uklanjaju s površine.

Drugi važan aspekt upotrebe tenzida koji stvaraju micele je proizvodnja polimera, posebice lateksa, polivinil alkohola i ljepila biljnog podrijetla. Na bazi emulzije dobivaju se razne plastike i umjetne kože. Surfaktanti se također koriste za čišćenje i vode za piće.

Prednosti kozmetike na bazi koloidnih otopina leže u prodiranju aktivnih tvari kroz ljudsku kožu i strukturu kose. Takvi proizvodi učinkovito se koriste protiv starenja. To uključuje, posebice, Millennium Neo gel. Koloidna otopina pomaže komponentama koje sadrži doći do dubokih slojeva kože, zaobilazeći epidermu.

Književnost:

Pustovalova L.M., Nikanorova I.E. Opća kemija. – Rostov n/d: Phoenix, 2006. – 478 str.

Stromberg A.G., Semchenko D.P. Fizička kemija. – M.: Viša škola, 2003. – 527 str.

Evstratova K.I., Kupina N.A., Malakhova E.E. Fizikalna i koloidna kemija. – M.: Viša škola, 1990. – 487 str.

Boldyrev A.I. Demonstracijski pokusi iz fizikalne i koloidne kemije. – M.: Viša škola, 1976. – 256 str.

Kontrolni blok

Test na temu: “Raspršeni sustavi”

Razmotrite sliku koja prikazuje disperzni sustav. Navedite njegove glavne komponente:

Biološki gel je:

hrskavica

zrak

oblaci

riječna voda

3 .

Raspršene sustave podijeliti u posebne skupine ovisno o agregatnom stanju disperzne faze i disperzijskog medija: tjelesne tekućine, pješčane oluje, zrak, pridruženi plin s kapljicama ulja, kreme, pjene, stakla u boji, tekstilne tkanine, gazirana pića, medicinski i kozmetički proizvodi. , gazirana čokolada, mlijeko, cigle i keramika, prirodni plin, mokro tlo, kamenje, žbuke, paste, smog, praškovi, ulje, prašina u zraku, gelovi, pare, legure, magla, soli.

Faza srijede

G – plinovita tvar;I – tekuća tvar;T – čvrsta

Sličnosti između suspenzija i emulzija su sljedeće:

to su heterogeni sustavi

čestice su vidljive golim okom

lako se talože

svi odgovori su točni

Emulzija je:

mlijeko

pjena

žele

magla

Grubi sustavi uključuju:

riješenje

sol

suspenzija

gel

Disperzna faza keramičkih proizvoda je:

1) čvrsta

2) plin

3) tekućina

4) ovisi o vrsti keramičkog proizvoda

Emulzije uključuju:

1) krema

2) riječni mulj

3) staklo u boji

4) tekstilne tkanine

Disperzna faza gaziranih pića:

1) dušik

2) voda

3) ugljični dioksid

4) kisik

10.

Navedite sliku koja ilustrira Tyndallov učinak u koloidnim i pravim otopinama:

11.

Aerosol je:

1) prah

2) oblak prašine

3) lak za kosu

4) svi odgovori su točni

12.

Kromatografija je:

metoda razdvajanja heterogenih smjesa

tip disperznog sustava

disperzijski medij

metoda razdvajanja homogenih smjesa

13.

Emulzija je sustav koji čine:

1) krutina i plin

2) dvije različite tekućine

3) tekućina i plin

4) tekući i čvrsti

14.

Spojite primjere disperznih sustava s njihovim nazivima:

DISPERZNI SUSTAV

PRIMJER

1) suspenzija

A) mlijeko

2) emulzija

B) bjelanjak

3) koloidna otopina

B) suspenzija mulja

4) rješenje

D) otopina šećera

STANDARDNI ODGOVORI

Nije lako razumjeti što je koloidna zaštita i kako se ona odnosi na običnog čovjeka. Svjetska mreža prepuna je raznih znanstvenih članaka iz područja kemije i anatomije. No, bilo bi korisno da svatko od nas razumije ovo teško pitanje, jer se s ovom pojavom susrećemo svaki dan.

Koloidna zaštita je svojstvo zaštite koloidnih sustava od koagulacije. Da bismo razumjeli ovu definiciju, potrebno je razumjeti sve pojmove redom.

Koloidni sustavi i što su oni

Prvo, potrebno je razumjeti što je koloidni sustav. Ovo je formacija ili tvar koja sadrži nekoliko komponenti. Čestice komponenti dolaze u različitim fazama ili stanjima. U prirodi postoje tri glavna stanja: čvrsto, tekuće i plinovito.

Postoji nekoliko vrsta koloidnih sustava:

tekući aerosoli (na primjer, magla);
čvrsti aerosoli (cirusni oblaci);
pjena (sapunica);
tvrda pjena (pjena);
emulzija (mlijeko);
tvrda pasta (biseri);
solovi ili otopine (pasta za zube);
čvrsti ovjes (plastika).

Često se u prirodi koloidni sustavi predstavljaju kao tekuće otopine koje sadrže čvrste čestice.

Otopina je homogena smjesa koja se sastoji od nekoliko komponenti. Svi dolaze u istu fazu ili stanje agregacije. Otopina je karakterizirana tekućim agregatnim stanjem. Koloidna otopina je tvar koja sadrži čvrste čestice. Njihova veličina je toliko mala da ne prelazi 0,1 mikrona. Iako, po želji, čak i obična osoba može vidjeti čestice. Samo trebate staviti otopinu u prozirnu posudu na izravnu sunčevu svjetlost. Oni će vam pomoći da vidite heterogenost strukture. Ukratko, možemo reći da je koloidna otopina tekućina koja se sastoji od nekoliko komponenti, od kojih su jedna čvrste čestice.

Tajanstvena koagulacija

Sljedeći nejasan pojam u definiciji je koagulacija. Prijevod ove riječi s latinskog znači ništa više od zgušnjavanja ili zgrušavanja. Da pojednostavimo znanstveno značenje što je više moguće, koagulacija je proces spajanja ili lijepljenja čvrstih čestica tijekom kontakta. Poticaj za početak takve reakcije može biti prirodni sudar u trenutku Brownovog gibanja čestica, utjecaj električnog polja ili mehanički učinak (na primjer, vibracija ili aktivno miješanje).

Većina nas niti ne razmišlja o tome koliko se često u svakodnevnom životu susrećemo s procesom zgrušavanja. Vidjevši kiselo mlijeko, dobroj domaćici ne bi palo na pamet da promatra proces zgrušavanja. Glavni znakovi koagulacije su:

pojava sedimenta;
povećanje zamućenosti tekućine;
flokulentne tvorevine.

Koagulacija se široko koristi u medicini. Na primjer, ovo je izvrstan način za borbu protiv paučastih vena na licu i tijelu. Moderni kozmetolozi djeluju na plovilo laserom, što uzrokuje njegovo lijepljenje. S vremenom se potpuno otapa.

Treba napomenuti da je koagulacija prirodni fenomen, a ne izum čovječanstva. Moderni znanstvenici samo su pronašli primjenu za ovo čudo.

Ova tehnika se široko koristi u industriji. Na primjer, jeste li se ikada zapitali kako rade naši filtri za pročišćavanje vode? Filter se sastoji od tvari koja je sposobna pričvrstiti neželjene čestice onečišćenja na svoje molekule, bez reakcije s molekulama vode.

U ovoj fazi sasvim je moguće povući crtu da je koloidna zaštita svojstvo nekoliko komponenti otopine, uključujući i čvrste čestice, da se ne lijepe i sjedinjuju jedna s drugom, već da ostanu neovisne.

Treba napomenuti da postoji jedan uvjet pod kojim koloidna zaštita zadržava svoja svojstva - prisutnost male količine visokomolekularnih tvari. To znači da kako se čestice ne bi međusobno povezivale, potrebno je da u otopini postoje zaštitne tvari, odnosno one koje će spriječiti prianjanje. Na primjer, to su proteini, škrob, agar-agar i drugi.

Koloidna zaštita u ljudskom tijelu

U svojoj srži, osoba se sastoji isključivo od koloidnih sustava, koji postoje samo ako postoji koloidna zaštita. Izvrsni primjeri ovih sustava su krv i obična mala stanica.

Svaka stanica našeg tijela sastoji se od jezgre, lizosoma, ribosoma, Golgijevog kompleksa, hijaloplazme i membrane. Zaštitna tvar koja sprječava lijepljenje staničnih komponenti je protein za čiju je sintezu odgovorna jezgra. Hijaloplazma je osnova koloidnog sustava, jednostavno rečeno, tekućina. Sve ostale komponente mogu se konvencionalno nazvati čvrstim česticama. One učinkovito obavljaju svoje funkcije samo ako su neovisne jedna o drugoj.

Drugi upečatljiv primjer koloidnog sustava je krv. U ovom slučaju tekući medij je plazma koja se sastoji od vode, proteina, aminokiselina, poli- i monosaharida i još mnogo toga. Čestice koje se ne smiju lijepiti su crvene krvne stanice, trombociti i leukociti.

Također, protein sadržan u plazmi sprječava spajanje masnih kapljica kolesterola. Ako koloidna zaštita krvožilnog sustava oslabi, kolesterol će se nakupljati, spajati i taložiti na stijenkama krvnih žila i unutarnjih organa.

Naravno, sa stajališta znanstvenika, ovaj je opis prilično proizvoljan i sumnjiv. Međutim, pomoći će prosječnom čovjeku da razumije osnovne principe djelovanja koloidne zaštite.

Koloidna zaštita u lijekovima. Koloidno srebro

Kao što je ranije spomenuto, znanstvenici naširoko koriste fenomen koloidne zaštite u industriji, medicini, kozmetologiji, prehrambenoj industriji i farmaciji. Najpopularniji razvoj potonjeg je koloidno srebro.

Od davnina su liječnici i kemičari znali za antibakterijska svojstva srebra. Iskoristivši fenomen koloidne zaštite, znanstvenici su razvili prehrambene otopine s dodatkom iona srebra čije spajanje sprječavaju zaštitne tvari. Tako je postalo moguće davati srebro oralno. Koloidno srebro se koristi kao prirodni antibiotik. Postoje eksperimenti s korištenjem srebra u borbi protiv raka, AIDS-a, tuberkuloze i bolesti genitourinarnog sustava.

Ne zaboravite da je srebro teški metal, pa se sporo uklanja iz ljudskog tijela, a ima i kumulativni učinak. Ioni srebra se lako apsorbiraju u krvožilni sustav, ulazeći u gastrointestinalni trakt. Jetra, koža, sluznice, bubrezi, slezena, koštana srž, stjenke kapilara, endokrine žlijezde, leća i rožnica oka skloni su nakupljanju i taloženju iona srebra. Tijekom vremena, prekomjerno nakupljanje srebra u ljudskom tijelu može uzrokovati "argiozu". Ova se bolest očituje u promjenama boje očiju, kože i sluznica.

Trenutno je oralna i intravenska uporaba koloidnog srebra zabranjena u većini zemalja. Unatoč ljekovitim svojstvima koje je priroda obdarila srebrom, ono je opasno za ljudsko tijelo. Kako je koloidno srebro apsolutno dostupno na farmaceutskom tržištu, na vama je da odlučite hoćete li ga konzumirati ili se suzdržati.

Upoznajte zastarjele riječi!

Klasifikacija reakcija u organskoj kemiji