Üldine keemia: õpik / A. V. Žolnin; toimetanud V. A. Popkova, A. V. Žolnina. - 2012. - 400 lk.: ill.

Peatükk 13. DISPERSEESÜSTEEMIDE FÜÜSIKALINE KEEMIA

Peatükk 13. DISPERSEESÜSTEEMIDE FÜÜSIKALINE KEEMIA

Elu on eriline kolloidne süsteem, see on looduslike vete eriline kuningriik.

IN JA. Vernadski

13.1 DISPERSEISÜSTEEMID, NENDE KLASSIFIKATSIOONID, OMADUSED

Kolloidsed lahused

Kaasaegse tsivilisatsiooni materiaalne alus ning inimese ja kogu bioloogilise maailma olemasolu on seotud hajutatud süsteemidega. Inimene elab ja töötab ümbritsetuna hajutatud süsteemidest. Õhk, eriti tööruumide õhk, on hajutatud süsteem. Paljud toiduained, vahesaadused ja töödeldud tooted on hajutatud süsteemid (piim, liha, leib, või, margariin). Paljusid raviaineid toodetakse õhukeste suspensioonide või emulsioonide, salvide, pastade või kreemide kujul (protargool, kollargool, želatinool jne). Kõik elusüsteemid on hajutatud. Lihas- ja närvirakud, kiud, geenid, viirused, protoplasma, veri, lümf, tserebrospinaalvedelik – kõik need on väga hajutatud moodustised. Neis toimuvaid protsesse juhivad füüsikalised ja keemilised seadused, mida uurib hajutatud süsteemide füüsikaline keemia.

Dispergeeritud süsteemid on sellised, milles aine on enam-vähem suure killustatuse seisundis ja jaotub keskkonnas ühtlaselt. Väga hajutatud süsteemide teadust nimetatakse kolloidkeemiaks. Elusaine põhineb ühenditel, mis on kolloidses olekus.

Dispergeeritud süsteem koosneb dispersioonikeskkonnast ja dispergeeritud faasist. Hajutatud süsteemide erinevatel omadustel põhinevad hajutatud süsteemide klassifikatsioonid on mitu.

1. Vastavalt liiteseisundile dispersioonikeskkond Kõiki hajutatud süsteeme saab taandada 3 tüübini. Gaasilise ainega hajutatud süsteemid

dispersioonikeskkond - aerosoolid(suits, tööruumi õhk, pilved jne). Dispergeeritud süsteemid vedela dispersioonikeskkonnaga - lüosoolid(vahud, emulsioonid - piim, suspensioonid, hingamisteedesse sattunud tolm; veri, lümf, uriin on hüdrosoolid). Dispergeeritud süsteemid tahke dispersioonikeskkonnaga - solidosoolid(pimss, silikageel, sulamid).

2. Teised klassifikatsioonirühmad dispergeerivad süsteeme sõltuvalt hajutatud faasi osakeste suurusest. Osakeste killustumise mõõduks on kas osakeste põiksuurus – raadius (r) või

osakeste (raadiust) (r) väljendatakse sentimeetrites, siis dispersioon D on osakeste arv, mida saab ühe sentimeetri pikkuses tihedalt asetada. Lõpuks saab seda iseloomustada eripinnaga (∑), ∑ ühikud on m 2 /g või m 2 /l. Under spetsiifiline pind mõista pinnaseost (S) hajutatud faas selle

eripinna sõltuvuse koefitsient osakese kujust. Eripind on otseselt proportsionaalne dispersiooniga (D) ja pöördvõrdeline ristsuunalise osakese suurusega (r). Dispersiooni suurenemisega, s.o. kui osakeste suurus väheneb, suureneb selle eripind.

Teine klassifikatsioon jagas hajutatud süsteemid sõltuvalt hajutatud faasi osakeste suurusest järgmistesse rühmadesse (tabel 13.1): jämedad süsteemid; kolloidsed lahused; tõelisi lahendusi.

Kolloidsüsteemid võivad olla gaasilised, vedelad ja tahked. Kõige tavalisem ja uuritud vedelik (lüosoolid). Kolloidseid lahuseid nimetatakse tavaliselt lühidalt soolteks. Sõltuvalt lahusti olemusest - dispersioonikeskkond, s.o. vesi, alkohol või eeter, lüosoole nimetatakse vastavalt hüdrosoolideks, alkoholideks või eterosoolideks. Dispergeeritud faasi osakeste ja dispersioonikeskkonna vahelise interaktsiooni intensiivsuse põhjal jagatakse soolid kahte rühma: lüofiilne- intensiivne interaktsioon, mille tulemusena moodustuvad arenenud solvatatsioonikihid, näiteks protoplasma sool, veri, lümf, tärklis, valk jne; lüofoobsed soolid- dispergeeritud faasi osakeste nõrk interaktsioon dispersioonikeskkonna osakestega. Metallide soolid, hüdroksiidid, peaaegu kõik klassikalised kolloidsüsteemid. IUD-id ja pindaktiivsete ainete lahused jaotatakse eraldi rühmadesse.

Tabel 13.1. Dispergeeritud süsteemide klassifitseerimine osakeste suuruse ja nende omaduste järgi

Meie kodumaised teadlased I.G. andsid suure panuse kolloidlahuste teooriasse. Boršov, P.P. Weimarn, N.P. Peskov, D.I. Mendelejev, B.V. Deryagin, P.A. Rebinder jne.

Iga kolloidne lahus on mikroheterogeenne, mitmefaasiline, kõrge ja polüdispersne süsteem, millel on kõrge dispersiooniaste. Kolloidse lahuse tekkimise tingimuseks on ühe faasi aine lahustumatus teise faasi aines, sest ainult selliste ainete vahel saavad eksisteerida füüsikalised liidesed. Dispergeeritud faasi osakeste vahelise interaktsiooni tugevuse alusel eristatakse vabalt hajutatud ja koherentselt hajutatud süsteeme. Viimaste näideteks on bioloogilised membraanid.

Kolloidsete lahuste valmistamine toimub kahe meetodiga: suurte osakeste dispergeerimine kolloidse dispersiooniastmeni ja kondenseerimine - tingimuste loomine, mille korral aatomid, molekulid või ioonid ühendatakse kolloidse dispersiooniastmega agregaatideks.

Hüdrosoole võivad moodustada metallid, vees halvasti lahustuvad soolad, oksiidid ja hüdroksiidid ning paljud mittepolaarsed orgaanilised ained. Vees hästi lahustuvad, kuid mittepolaarsetes ühendites halvasti lahustuvad ained ei ole võimelised moodustama hüdrosoole, kuid võivad moodustada organosoole.

Nagu stabilisaatorid kasutatakse aineid, mis takistavad kolloidosakeste agregeerumist suuremateks ja nende sadenemist. See efekt saavutatakse: ühe reaktiivi, millest dispergeeritud faasi aine saadakse, väikese liiaga, pindaktiivsed ained, sealhulgas valgud ja polüsahhariidid.

Kolloidsüsteemide (10 -7 -10 -9 m) jaoks vajaliku dispersiooni saavutamiseks kasutatakse järgmist:

mehaaniline purustamine kuul- ja kolloidveskitega vedela dispergeeritud keskkonna ja stabilisaatori juuresolekul;

Ultraheli mõju (näiteks väävelhüdrosool, grafiit, metallihüdroksiidid jne);

Peptiseerimismeetod, väikese koguse elektrolüüdi lisamine - peptiseerija;

Kondensatsioonimeetodi üks variante on lahusti asendusmeetod, mille tulemusel väheneb dispergeeritud faasi aine lahustuvus. Aine molekulid kondenseeruvad kolloidse suurusega osakesteks tõelises lahuses olevate molekulide solvatatsioonikihtide hävimise ja suuremate osakeste moodustumise tulemusena. Kemikaalide alus

Keemilised kondensatsioonimeetodid hõlmavad keemilisi reaktsioone (oksüdatsioon, redutseerimine, hüdrolüüs, vahetus), mis põhjustavad teatud stabilisaatorite juuresolekul halvasti lahustuvate ainete moodustumist.

13.2. KOLLOIDLAHENDUSTE MOLEKULAR-KINETILISED OMADUSED. OSMOOS.

OSMOOTNE RÕHK

Browni liikumine on osakeste soojusliikumine kolloidsüsteemides, millel on molekulaarkineetiline iseloom. On kindlaks tehtud, et kolloidosakeste liikumine on termilise liikumisega dispersioonikeskkonna molekulide poolt neile põhjustatud juhuslike mõjude tagajärg. Seetõttu muudab kolloidosake sageli oma suunda ja kiirust. 1 sekundi jooksul võib kolloidosake oma suunda muuta üle 10 20 korra.

Difusioon on spontaanselt toimuv protsess kolloidosakeste kontsentratsiooni ühtlustamiseks lahuses nende termilise kaootilise liikumise mõjul. Difusiooninähtus on pöördumatu. Difusioonikoefitsient on arvuliselt võrdne aine kogusega, mis hajub läbi pindalaühiku ajaühikus kontsentratsioonigradiendiga 1 (s.o kontsentratsiooni muutus 1 mol/cm 3 1 cm kaugusel). A. Einstein (1906) tuletas võrrandi, mis seob difusioonikoefitsiendi dispergeeritud faasi absoluutse temperatuuri, viskoossuse ja osakeste suurusega:

Kus T- temperatuur, K; r- osakeste raadius, m; η - viskoossus, N s/m 2; B-le- Boltzmanni konstant, 1,38 10 -23; D- difusioonikoefitsient, m 2 /s.

Difusioonikoefitsient on otseselt võrdeline temperatuuriga ja pöördvõrdeline keskkonna viskoossusega (η) ja osakeste raadiusega (r). Difusiooni põhjus, nagu ka Browni liikumine, on lahusti ja aineosakeste molekulaarne kineetiline liikumine. On teada, et mida suurem on selle maht, seda väiksem on liikuva molekuli kineetiline energia (tabel 13.2).

Einsteini võrrandi abil saate hõlpsasti määrata 1 mooli aine massi, kui teate D, T,η ja r. Võrrandist (13.1) saame kindlaks teha r:

Kus R- universaalne gaasikonstant, 8,3 (J/mol-K); N a Avogadro konstant.

Tabel 13.2. Mõnede ainete difusioonikoefitsient

Kui süsteem eraldatakse süsteemi teistest osadest vaheseinaga, mis on läbilaskev ühele komponendile (näiteks vesi) ja mitteläbilaskev (näiteks lahustunud aine), muutub difusioon ühesuunaliseks (osmoos). Osmoosi tekitavat jõudu membraani pindalaühiku kohta nimetatakse osmootne rõhk. Poolläbilaskvate vaheseinte (membraanide) rolli võivad täita inimese, looma ja taime koed (põis, sooleseinad, rakumembraanid jne). Kolloidsete lahuste puhul on osmootne rõhk madalam kui pärislahustes. Difusiooniprotsessiga kaasneb potentsiaalide erinevuse tekkimine ioonide erineva liikuvuse ja kontsentratsioonigradiendi (membraanipotentsiaali) tekke tulemusena.

Sedimentatsioon. Osakeste jaotumist ei mõjuta mitte ainult difusioon, vaid ka gravitatsiooniväli. Kolloidsüsteemi kineetiline stabiilsus sõltub kahe teguri toimest, mis on suunatud vastastikku vastandlikes suundades: gravitatsioonijõust, mille mõjul osakesed settivad, ja jõust, mille mõjul osakesed kalduvad hajuma kogu ruumala ulatuses ja asumisele vastu seista.

Kolloidlahuste optilised omadused. Valguse hajumine. D. Rayleighi võrrand. Kolloidseid ja tõelisi lahuseid on esmapilgul võimatu eristada. Hästi ettevalmistatud sool on peaaegu puhas läbipaistev vedelik. Selle mikroheterogeensust saab tuvastada spetsiaalsete meetoditega. Kui valgustamata kohas asuv sool on valgustatud kitsa kiirega, siis küljelt vaadatuna on näha valguskoonus, mille tipp asub kohas, kus kiir siseneb ebahomogeensesse ruumi. See on nn Tyndalli koonus - külgvalgustuse all täheldatud kolloidide hägune helendus on nn. Faraday-Tyndalli efekt.

Selle kolloididele iseloomuliku nähtuse põhjuseks on see, et kolloidosakeste suurus on väiksem kui pool valguse lainepikkusest ja hajumise tagajärjel täheldatakse valguse difraktsiooni, osakesed helendavad, muutudes iseseisvaks valgusallikaks kiir muutub nähtavaks.

Valguse hajumise teooria töötas välja 1871. aastal Rayleigh, kes tuletas sfääriliste osakeste jaoks võrrandi, mis seob langeva valguse intensiivsuse (I 0) ja süsteemi ruumalaühiku kohta hajutatud valguse intensiivsusega (I p).

Kus mina, mina 0- hajutatud ja langeva valguse intensiivsus, W/m2; kp - Rayleighi konstant, dispergeeritud faasi ainete ja dispersioonikeskkonna ainete murdumisnäitajatest sõltuv konstant, m -3; koos v- sooli osakeste kontsentratsioon, mol/l; λ - langeva valguse lainepikkus, m; r- osakeste raadius, m.

13.3. KOLLOIDOSAKESTE STRUKTUURI MITSELLAARNE TEOORIA

Mitsellid moodustavad sooli hajutatud faasi ja mitsellidevaheline vedelik moodustab dispersioonikeskkonna, mis sisaldab lahustit, elektrolüütide ioone ja mitteelektrolüütide molekule. Mitsell koosneb elektriliselt neutraalsest agregaadist ja ioonosakest. Kolloidosakese mass kontsentreerub peamiselt agregaadis. Täitematerjalil võib olla nii amorfne kui ka kristalne struktuur. Vastavalt Paneth-Fajansi reeglile adsorbeeruvad agregaadi kristallvõrestikku kuuluvad (või sellega isomorfsed) ioonid agregaadile pöördumatult, moodustades agregaadi aatomitega tugevad sidemed. Selle näitajaks on nende ühendite lahustumatus. Neid kutsutakse potentsiaali määravad ioonid. Agregaat omandab laengu ioonide selektiivse adsorptsiooni või pinnamolekulide ioniseerimise tulemusena. Niisiis moodustavad agregaat- ja potentsiaali määravad ioonid mitselli südamiku ja tuuma ümber vastupidise märgiga rühmaioonid - vastasioonid. Agregaat moodustab koos mitselli ioonse osaga kahekordse elektrikihi (adsorptsioonikihi). Täitematerjali koos adsorptsioonikihiga nimetatakse graanuliks. Graanuli laeng võrdub vastasioonide ja potentsiaali määravate ioonide laengute summaga. Iooniline

osa mitsellist koosneb kahest kihist: adsorptsioon ja difuusne. See viib lõpule elektriliselt neutraalse mitselli moodustumise, mis on kolloidlahuse aluseks. Mitselli on kujutatud kujul kolloidne keemiline valem.

Vaatleme hüdrosoolmitsellide struktuuri, kasutades näidet baariumsulfaadi kolloidse lahuse moodustumisest BaCl 2 liia tingimustes:

Vähelahustuv baariumsulfaat moodustab kristalse agregaadi, mis koosneb m BaSO 4 molekulid. Adsorbeeritud seadme pinnale n Ba 2+ ioonid. Tuuma pinnaga on seotud 2 (n -x) kloriidioonid C1 - . Ülejäänud vastasioonid (2x) asuvad hajuskihis:

Naatriumsulfaadi liiaga saadud baariumsulfaadi soolmitselli struktuur on kirjutatud järgmiselt:

Ülaltoodud andmetest järeldub, et kolloidosakese laengu märk sõltub kolloidlahuse saamise tingimustest.

13.4. ELEKTROKINEETILINE POTENTSIAAL

KOLLOIDSED OSAKED

Zeta-(ζ )-potentsiaal.ζ-potentsiaali laengu suurus määrab graanuli laengu. Selle määrab potentsiaali määravate ioonide laengute ja adsorptsioonikihis paiknevate vastasioonide laengute summa erinevus. See väheneb, kui vastaioonide arv adsorptsioonikihis suureneb ja võib muutuda võrdseks nulliga, kui vastasioonide laeng on võrdne tuuma laenguga. Osake on isoelektrilises olekus. ζ-potentsiaali väärtuse järgi saab hinnata hajutatud süsteemi stabiilsust, selle struktuuri ja elektrokineetilisi omadusi.

Erinevate keharakkude ζ potentsiaal on erinev. Elav protoplasma on negatiivselt laetud. PH 7,4 juures on erütrotsüütide ζ-potentsiaali väärtus vahemikus -7 kuni -22 mV, inimesel -16,3 mV. Monotsüütides on see ligikaudu 2 korda madalam. Elektrokineetiline potentsiaal arvutatakse hajutatud faasi osakeste liikumiskiiruse määramise teel elektroforeesi ajal.

Osakeste elektroforeetiline liikuvus sõltub paljudest suurustest ja arvutatakse Helmholtz-Smoluchowski võrrandi abil:

Kus ja ef- elektroforeetiline liikuvus (elektroforeesi kiirus), m/s; ε on lahuse suhteline dielektriline konstant; ε 0 - elektriline konstant, 8,9 10 -12 A s/W m; Δφ - potentsiaalide erinevus välisest vooluallikast, V; ζ - elektrokineetiline potentsiaal, V; η - dispersioonikeskkonna viskoossus, N s/m 2; l- elektroodide vaheline kaugus, m; k f- koefitsient, mille väärtus sõltub kolloidosakese kujust.

13.5. ELEKTROKINEETILISED NÄHTUSED.

ELEKTROFOREES. ELEKTROFOREES

MEDITSIINILISES JA BIOLOOGILISTES UURIMISDES

Elektrokineetilised nähtused peegeldavad seost, mis eksisteerib hajutatud süsteemi faaside üksteise suhtes liikumise ja nende faaside vahelise liidese elektriliste omaduste vahel. Elektrokineetilisi nähtusi on nelja tüüpi – elektroforees, elektroosmoos, voolupotentsiaal (voolu) ja settimispotentsiaal. Elektrokineetilised nähtused avastas F.F. Reiss. Ta kastis kaks klaastoru mõneks vahemaaks märja savitüki sisse, valas neisse veidi kvartsliiva, valas samale tasemele vett ja langetas elektroodid (joon. 13.1).

Alalisvoolu läbides leidis Reiss, et anoodiruumis muutub liivakihi kohal olev vesi saviosakeste suspensiooni ilmnemise tõttu häguseks, samal ajal väheneb veetase põlves; katoodtorus jääb vesi selgeks, kuid selle tase tõuseb. Katse tulemuste põhjal võime järeldada: positiivse elektroodi suunas liikuvad saviosakesed on negatiivselt laetud ning külgnev veekiht on positiivselt laetud, liikudes negatiivse pooluse poole.

Riis. 13.1. Dispergeeritud faasiosakeste liikumise elektrokineetilised nähtused

hajutatud süsteemis

Dispergeeritud faasi laetud osakeste liikumise nähtust dispersioonikeskkonna osakeste suhtes elektrivälja mõjul nimetatakse elektroforeesiks. Vedeliku liikumise nähtust tahke faasi suhtes läbi poorse tahke aine (membraani) nimetatakse elektroosmoos. Kirjeldatud katse tingimustes täheldati samaaegselt kahte elektrokineetilist nähtust - elektroforeesi ja elektroosmoosi. Kolloidosakeste liikumine elektriväljas on selge tõend selle kohta, et kolloidosakesed kannavad oma pinnal laengut.

Kolloidset osakest, mitselli, võib pidada tohutuks kompleksiooniks. Kolloidlahus läbib alalisvoolu mõjul elektrolüüsi, kolloidosakesed kantakse üle anoodile või katoodile (olenevalt kolloidosakese laengust). Seega elektroforees on väga hajutatud süsteemi elektrolüüs.

Hiljem avastati kaks nähtust, mis olid vastupidised elektroforeesile ja elektroosmoosile. Dorn avastas, et kui mingid osakesed sadestuvad vedelikus, näiteks liiv vees, tekib 2 vedelikusambas erinevatesse kohtadesse sisestatud elektroodi vahel emf, nn. settimispotentsiaal (Dorni efekt).

Kui vedelik surutakse läbi poorse vaheseina, mille mõlemal küljel on elektroodid, ilmub ka EMF - voolu (perkolatsiooni) potentsiaal.

Kolloidosake liigub kiirusega, mis on võrdeline suurusegaζ -potentsiaal. Kui süsteem sisaldab keerulist segu, saab seda uurida ja eraldada elektroforeesi meetodil, mis põhineb osakeste elektroforeetilisel liikuvusel. Seda kasutatakse laialdaselt biomeditsiinilistes uuringutes makro- ja mikroelektroforeesi vormis.

Tekkiv elektriväli põhjustab hajutatud faasi osakeste liikumise kiirusega, mis on võrdeline ζ-potentsiaali väärtusega, mida on võimalik jälgida uuritava lahuse ja puhvri liidese liigutamisel optiliste seadmete abil. Selle tulemusena jagatakse segu mitmeks fraktsiooniks. Salvestamisel saadakse mitme piigiga kõver, piigi kõrgus on iga fraktsiooni sisalduse kvantitatiivne näitaja. See meetod võimaldab eraldada ja uurida vereplasma valkude üksikuid fraktsioone. Kõigi inimeste vereplasma elektroferogrammid on tavaliselt ühesugused. Patoloogias on neil iga haiguse jaoks iseloomulik välimus. Neid kasutatakse haiguste diagnoosimiseks ja raviks. Elektroforeesi kasutatakse aminohapete, antibiootikumide, ensüümide, antikehade jne eraldamiseks. Mikroelektroforees hõlmab osakeste liikumiskiiruse määramist mikroskoobi all - paberil. Elektroforeesi nähtus ilmneb leukotsüütide migreerumisel põletikulistesse fookustesse. Praegu arendatakse ja rakendatakse ravimeetoditena immunoelektroforeesi, ketaselektroforeesi, isotahoforeesi jne.

13.6. KOLLOIDLAHENDUSTE STABIILSUS. LÜOSOOLIDE SETTE-, KOONDUMIS- JA KONDENSATSIOONI STABIILSUS. JÄTKUSUUTLIKKUST MÕJUTAVAD TEGURID

Kolloidsüsteemide stabiilsuse küsimus on väga oluline küsimus, mis puudutab otseselt nende olemasolu. Sedimentatsiooni stabiilsus- hajutatud süsteemiosakeste vastupidavus settimisele raskusjõu mõjul.

Peskov tutvustas agregatiivse ja kineetilise stabiilsuse mõistet. Kineetiline stabiilsus- kolloidsüsteemi hajutatud faasi võime olla suspensioonis, mitte settida ja mõjuda vastu gravitatsioonijõududele. Väga hajutatud süsteemid on kineetiliselt stabiilsed.

Under agregatiivne stabiilsus peate mõistma hajutatud süsteemi võimet säilitada oma algset hajutatusastet. See on võimalik ainult stabilisaatoriga. Agregatiivse stabiilsuse rikkumise tagajärg on kineetiline ebastabiilsus,

sest algosakestest moodustunud agregaadid eralduvad gravitatsiooni mõjul (setivad või ujuvad).

Agregatiivne ja kineetiline stabiilsus on omavahel seotud. Mida suurem on süsteemi agregatiivne stabiilsus, seda suurem on selle kineetiline stabiilsus. Stabiilsuse määrab gravitatsiooni ja Browni liikumise vahelise võitluse tulemus. See on näide ühtsuse ja vastandite võitluse seaduse avaldumisest. Süsteemide stabiilsust määravad tegurid: Browni liikumine, dispergeeritud faasi osakeste dispersioon, dispersioonikeskkonna viskoossus ja ioonne koostis jne.

Kolloidsete lahuste stabiilsuse tegurid: kolloidosakeste elektrilaengu olemasolu. Osakesed kannavad sama laengut, nii et kui nad kohtuvad, tõrjuvad osakesed; hajuskihi ioonide lahustamise (hüdratatsiooni) võime. Mida rohkem hüdreeritud ioonid hajuskihis, seda paksem on üldine hüdratatsioonikiht, seda stabiilsem on süsteem. Solvatatsioonikihtide elastsusjõud avaldavad hajutatud osakesi kiiluvalt ja takistavad nende lähenemist; süsteemide adsorptsioon-struktureerivad omadused. Kolmas tegur on seotud hajutatud süsteemide adsorptsiooniomadustega. Dispergeeritud faasi arenenud pinnal imenduvad kergesti pindaktiivsete ainete (pindaktiivsete ainete) ja suure molekulmassiga ühendite (HMC) molekulid. Oma solvatatsioonikihte kandvate molekulide suured suurused loovad osakeste pinnale märkimisväärse ulatuse ja tihedusega adsorptsiooni-solvatatsioonikihte. Sellised süsteemid on stabiilsuselt lähedased lüofiilsetele süsteemidele. Kõigil neil kihtidel on kindel struktuur, mis on loodud vastavalt P.A. Seostage uuesti struktuur-mehaaniline barjäär hajutatud osakeste lähenemisel.

13.7. SOOLIDE HÜGUMINE. HÜGUMISE REEGLID. KOAGULATSIOONI KINEETIKA

Solid on termodünaamiliselt ebastabiilsed süsteemid. Sooli hajutatud faasi osakesed kipuvad vähendama vaba pinnaenergiat kolloidosakeste eripinna vähenemise tõttu, mis tekib nende ühinemisel. Protsessi, mille käigus kolloidosakesed ühinevad suuremateks agregaatideks ja lõpuks need sadestuvad, nimetatakse koagulatsioon.

Koagulatsiooni põhjustavad erinevad tegurid: mehaaniline toime, temperatuurimuutused (keemine ja külmumine), kiirgus

võõrkehad, eriti elektrolüüdid, aeg (vananemine), hajutatud faasi kontsentratsioon.

Enim uuritud protsess on soolide koaguleerimine elektrolüütidega. Soolide elektrolüütidega koaguleerimiseks kehtivad järgmised reeglid.

1. Kõik elektrolüüdid võivad põhjustada lüofoobsete soolide koagulatsiooni. Koaguleerivat efekti (P) omavad ioonid, mille laeng on graanuli laengule vastupidine (potentsiaali määravad ioonid) ja sama märk kui vastasioonidel. (Hardy reegel). Positiivselt laetud soolide koagulatsiooni põhjustavad anioonid.

2. Ioonide koagulatsioonivõime (P) sõltub nende laengu suurusest. Mida suurem on iooni laeng, seda suurem on selle koaguleeriv toime (Schulze reegel): PA1 3+ > PCa 2+ > PK + .

Vastavalt sellele võime hüübimisläve jaoks kirjutada:

need. mida madalam on iooni laeng, seda suurema kontsentratsiooniga toimub koagulatsioon.

3. Sama laenguga ioonide koagulatsioonivõime sõltub solvateerunud iooni raadiusest (r): mida suurem on raadius, seda suurem on selle koaguleeriv toime:

4. Iga elektrolüüti iseloomustab kolloidlahuse koagulatsiooniprotsessi lävikontsentratsioon (koagulatsioonilävi), s.o. väikseim millimoolides väljendatud kontsentratsioon, mis tuleb lisada ühele liitrile kolloidlahusele selle hüübimiseks. Koagulatsioonilävi või lävikontsentratsiooni tähistatakse kui C. Hüübimislävi on sooli stabiilsuse suhteline omadus antud elektrolüüdi suhtes ja on hüübimisvõime pöördväärtus:

5. Orgaaniliste ioonide koaguleeriv toime on suurem kui anorgaaniliste ioonide oma; Paljude lüofoobsete soolide koagulatsioon toimub varem,

Nii saavutatakse nende isoelektriline olek, millest algab ilmne koagulatsioon. Seda toimingut nimetatakse kriitiline. Selle väärtus on +30 mV.

Iga hajutatud süsteemi hüübimisprotsess toimub teatud kiirusega. Koagulatsioonikiiruse sõltuvus elektrolüüdi koagulaatori kontsentratsioonist on näidatud joonisel fig. 13.2.

Riis. 13.2. Hüübimiskiiruse sõltuvus elektrolüütide kontsentratsioonist.

Selgitused tekstis

Määratakse kindlaks 3 piirkonda ja kaks A&B iseloomulikku punkti. Piirkonda, mida piirab OA joon (piki kontsentratsiooni telge), nimetatakse latentse koagulatsiooni piirkonnaks. Siin on hüübimismäär praktiliselt null. See on soli stabiilsustsoon. Punktide A ja B vahel on aeglase hüübimise ala, milles koagulatsiooni kiirus sõltub elektrolüüdi kontsentratsioonist. Punkt A vastab madalaimale elektrolüüdi kontsentratsioonile, mille juures algab ilmne koagulatsioon (koagulatsioonilävi), ja sellel on kriitiline väärtus. Seda etappi saab hinnata väliste märkide järgi: värvimuutus, hägususe ilmnemine. Kolloidne süsteem hävib täielikult: hajutatud faasi aine vabaneb sademeks, mida nimetatakse hüübima. Punktis B algab kiire koagulatsioon, st kõik osakeste kokkupõrked on efektiivsed ega sõltu elektrolüüdi kontsentratsioonist. Punktis B on ζ-potentsiaal 0. Kolloidlahuse koagulatsiooniks vajalik aine kogus sõltub sellest, kas elektrolüüti lisatakse kohe või järk-järgult, väikeste portsjonitena. Täheldatakse, et viimasel juhul tuleb sama hüübimisnähtuse tekitamiseks lisada rohkem ainet. Seda nähtust kasutatakse ravimite doseerimisel.

Kui ühendada kaks kolloidset lahust, millel on vastandlikud laengud, koaguleeruvad need kiiresti. Protsess on oma olemuselt elektrostaatiline. Seda kasutatakse tööstuslikuks ja reovee puhastamiseks. Veevärgis lisatakse vette alumiiniumsulfaati või raud(III)kloriidi enne liivafiltreid. Nende hüdrolüüsi käigus moodustuvad positiivselt laetud metallhüdroksiidide soolid, mis põhjustavad mikrofloora, pinnase ja orgaaniliste lisandite negatiivselt laetud osakeste koagulatsiooni.

Bioloogilistes süsteemides mängivad hüübimisnähtused väga olulist rolli. Täisveri on emulsioon. Vere moodustunud elemendid on hajutatud faas, plasma on dispersioonikeskkond. Plasma on rohkem hajutatud süsteem. Dispergeeritud faas: valgud, ensüümid, hormoonid. Veres toimivad vere hüübimissüsteem ja hüübimisvastane süsteem. Esimest annab trombiin, mis toimib fibrinogeenile ja põhjustab fibriiniahelate (verehüübe) moodustumist. Punased verelibled settivad teatud kiirusega (ESR). Koagulatsiooniprotsess tagab minimaalse verekaotuse ja verehüüvete tekke vereringesüsteemis. Patoloogia korral adsorbeerivad punased verelibled suured gammaglobuliinide ja fibrinogeenide molekulid ning ESR suureneb. Vere peamine hüübimisvastane toime on hepariin, vere antikoagulant. Kliinikutes kasutatakse koagulogramme - vere hüübimis- ja antikoagulatsioonivõime testide komplekti (protrombiinisisaldus, plasma rekaltsifikatsiooni aeg, hepariini taluvus, fibrinogeeni üldkogus jne), see on oluline raske verejooksu ja trombide tekke korral. . Selle säilitamisel tuleb arvestada vere hüübimist. Ca 2+ ioonid eemaldatakse sadestamiseks naatriumnitraadiga, mis suurendab hüübivust. Kasutatakse antikoagulante, hepariini ja dikumariini. Kardiovaskulaarsüsteemi elementide endoproteesimiseks kasutatavatel polümeeridel peavad olema antitrombogeensed või tromboosikindlad omadused.

13.8. KOLLOIDSÜSTEEMIDE STABILISEERIMINE (KOLLOIDSÜSTEEMIDE KAITSE)

Kolloidsete lahuste stabiliseerimine elektrolüütide suhtes, luues suurenenud struktuursete ja mehaaniliste omadustega kolloidosakeste pinnale täiendavad adsorptsioonikihid, lisades väikese koguse kõrge kontsentratsiooniga lahust.

komolekulaarseid ühendeid (želatiin, naatriumkaseinaat, munaalbumiin jne) nimetatakse kolloidne kaitse. Kaitstud soolid on elektrolüütidele väga vastupidavad. Kaitstud sool omandab kõik adsorbeeritud polümeeri omadused. Dispergeeritud süsteem muutub lüofiilseks ja seetõttu stabiilseks. IUD või pindaktiivse aine kaitsvat toimet iseloomustab kaitsenumber. Kaitsenumbri all tuleb mõista spiraali minimaalset massi (milligrammides), mis tuleb lisada 10 ml uuritavale soolile, et kaitsta seda koagulatsiooni eest, kui süsteemi sisestatakse 1 ml 10% naatriumkloriidi lahust. IUD-i lahuste kaitsva toime aste sõltub: IUD-i olemusest, kaitstud sooli olemusest, dispersiooniastmest, keskkonna pH-st ja lisanditest.

Kolloidse kaitse nähtus kehas mängib väga olulist rolli mitmetes füsioloogilistes protsessides. Erinevatel valkudel, polüsahhariididel ja peptiididel on kehas kaitsev toime. Nad adsorbeerivad Ca selliste keha hüdrofoobsete süsteemide kolloidosakestele nagu karbonaadid ja kaltsiumfosfaadid, muutes need stabiilseks. Kaitstud soolide näideteks on veri ja uriin. Kui aurustate 1 liitri uriini, kogute kokku tekkinud sade ja proovite seda seejärel vees lahustada, siis vajate 14 liitrit lahustit. Järelikult on uriin kolloidne lahus, milles hajutatud osakesed on kaitstud albumiinide, mutsiinide ja muude valkudega. Seerumivalgud suurendavad kaltsiumkarbonaadi lahustuvust peaaegu 5 korda. Suurenenud kaltsiumfosfaadi sisaldus piimas on tingitud valgukaitsest, mis vananedes halveneb.

Ateroskleroosi tekkes mängib olulist rolli leutsetiini-kolesterooli tasakaal, mille häirumise korral muutub kolesterooli, fosfolipiidide ja valkude suhe, mis viib kolesterooli ladestumiseni veresoonte seintele, mille tagajärjeks on aterokaltsinoos. Kaitses mängivad suurt rolli suured molekulaarsed rasva-valgu komponendid. Teisest küljest on vere võime säilitada kõrge kontsentratsiooniga süsinikku ja hapnikugaase lahustunud olekus tingitud ka valkude kaitsvast toimest. Sel juhul ümbritsevad valgud gaasi mikromulle ja kaitsevad neid kokkukleepumise eest.

Ravimite valmistamisel kasutatavate kolloidosakeste kaitse. Sageli on vaja ravimaineid viia kehasse kolloidses olekus, et need kehas ühtlaselt jaotuks ja imenduksid. Seega kasutati hõbeda, elavhõbeda, väävli kolloidseid lahuseid, mis on kaitstud valkainetega

ravimitena (protargool, kollargool, lisorginoon) ei muutu need mitte ainult elektrolüütide suhtes tundetuks, vaid võivad ka kuivaks aurustuda. Kuiv jääk muutub pärast veega töötlemist uuesti sooliks.

13.9. PEPTISEERIMINE

Peptiseerimine - koagulatsiooni pöördprotsess, koagulaadi ülemineku protsess sooliks. Peptiseerumine toimub siis, kui settele lisatakse aineid (koagulatsioon), mis soodustavad sette üleminekut sooliks. Neid nimetatakse Pepti puder. Tavaliselt on peptisaatorid potentsiaali määravad ioonid. Näiteks raud(III)hüdroksiidi sade pepteeritakse raud(III)sooladega. Kuid peptiseerija rolli võib täita ka lahusti (H 2 O). Peptiseerimisprotsessi põhjustavad adsorptsiooninähtused. Peptisaator hõlbustab elektrilise kahekihilise struktuuri teket ja zeta potentsiaali teket.

Järelikult on peptiseerimisprotsess tingitud peamiselt potentsiaali määravate ioonide adsorptsioonist ja vastasioonide desorptsioonist, mille tulemusena suureneb dispergeeritud osakeste ζ-potentsiaal ja suureneb solvatatsiooni (hüdratatsiooni) määr, solvatatsiooni teke. osakeste ümber olevad kestad, mis tekitavad kiilumisefekti (adsorptsioonipeptiseerumine).

Lisaks adsorptsioonile on olemas ka lahustuv peptiseerimine. See tüüp hõlmab kõike, kui peptimisprotsess on seotud hajutatud faasi pinnamolekulide keemilise reaktsiooniga. See koosneb kahest faasist: peptiseerija moodustamine sisestatud peptiseerija elektrolüüdi ja dispergeeritud osakese keemilise reaktsiooni kaudu; Saadud peptiseeriva aine adsorptsioon dispergeeritud faasi pinnale, mis viib mitsellide moodustumiseni ja sademe peptiseerumiseni. Lahustuspeptiseerimise tüüpiline näide on metallhüdroksiidide peptiseerimine hapetega.

Adsorptsioonpeptiseerimisel saadud soolide maksimaalne dispersioon määratakse settehelbeid moodustavate primaarsete osakeste dispersiooniastmega. Lahustumispeptiseerimise ajal võib osakeste fragmentatsioonipiir kolloidpiirkonnast lahkuda ja saavutada molekulaarse dispersiooniastme. Peptiseerimisprotsess on elusorganismides väga oluline, kuna rakkude ja bioloogiliste vedelike kolloidid puutuvad pidevalt kokku elektrolüütide toimega kehas.

Paljude detergentide, sealhulgas detergentide, toime põhineb peptiseerimise nähtusel. Seebi kolloidioon on dipool, mis adsorbeerub mustuseosakestega, annab neile laengu ja soodustab nende peptiseerumist. Sooli kujul olev mustus eemaldatakse pinnalt kergesti.

13.10. GEELID JA JELLES. TIKSOTROOPIA. SÜNEREES

IUD-de lahused ja mõnede hüdrofoobsete kolloidide soolid on teatud tingimustel võimelised muutuma: tekib voolavus, geelistumine, lahuste geelistumine ning moodustuvad tarretised ja geelid (ladina keelest "külmutatud").

Tarretised (geelid)- Need on tahked, mittevedelad, struktureeritud süsteemid, mis tekivad kolloidosakeste või polümeeri makromolekulide vahelise molekulaarse adhesioonijõudude toimel. Molekulidevahelise interaktsiooni jõud viivad ruumilise võrgusilma raami moodustumiseni, nagu vedelikus leotatud käsn, täidetakse ruumilise võrgu rakud. Tarretise moodustumist võib kujutada spiraali väljasoolamisena või koagulatsiooni algfaasina, hüübimisstruktuuri tekkimisena.

Kui segu kuumutatakse temperatuurini 45 °C, muutub želatiini vesilahus homogeenseks vedelaks keskkonnaks. Toatemperatuurini jahutamisel suureneb lahuse viskoossus, süsteem kaotab voolavuse, kõveneb, pooltahke massi konsistents säilitab oma kuju (noaga lõigatav).

Sõltuvalt želee või geeli moodustavate ainete olemusest eristatakse neid: ehitatud kõvadest osakestest - habras (pöördumatu); moodustavad painduvad makromolekulid - elastsed (pöörduvad). Haprad moodustuvad kolloidosakestest (TiO 2, SiO 2). Kuivatatud on suure eripinnaga kõva vaht. Kuivatatud tarretis ei paisu, kuivatamine põhjustab pöördumatuid muutusi.

Elastsed geelid moodustuvad polümeeridest. Kuivatamisel deformeeruvad ja suruvad need kergesti kokku, mille tulemuseks on kuiv polümeer (pürogeel), mis säilitab elastsuse. See on võimeline sobivas lahustis paisuma, protsess on pöörduv ja seda saab korrata mitu korda.

Tarretises olevad nõrgad molekulaarsidemed võivad mehaaniliselt (loksutades, valades, temperatuuriga) hävitada. Sideme purunemine põhjustab struktuuri hävimise, osakesed omandavad võime

termilisele liikumisele süsteem veeldub ja muutub vedelaks. Mõne aja pärast struktuur taastub spontaanselt. Seda saab korrata kümneid kordi. Seda pöörduvat teisendust nimetatakse tiksotroopia. Seda isotermilist teisendust saab esitada diagrammiga:

Tiksotroopiat täheldatakse želatiini, raku protoplasma nõrkades lahustes. Tiksotroopia pöörduvus viitab sellele, et struktureerimine vastavates süsteemides on tingitud intermolekulaarsetest (van der Waalsi) jõududest – koagulatsiooni-tiksotroopsest struktuurist.

Keha geelid on aju, nahk ja silmamuna. Kondensatsiooni-kristallisatsiooni tüüpi struktuuri iseloomustab tugevam keemilise iseloomuga side. Sellisel juhul on tiksotroopsete muutuste pöörduvus häiritud (ränihappegeel).

Jelly on süsteemi mittetasakaalu olek, aeglaselt toimuva faaside eraldumise protsessi teatud etapp ja süsteemi lähenemine tasakaaluseisundile. Protsess taandub tarretisraami järkjärgulisele kokkupressimisele tihedamaks kompaktseks massiks koos teise liikuva vedelfaasi pressimisega, mis jääb mehaaniliselt raami ruumilises võrgus kinni. Säilitamise ajal ilmuvad želeede pinnale esmalt üksikud vedelikutilgad, need suurenevad ja sulanduvad vedela faasi pidevaks massiks. Seda spontaanset tarretise eraldumise protsessi nimetatakse sünereesiks. Habraste želeede puhul on sünerees osakeste pöördumatu agregatsioon, kogu struktuuri tihendamine. IUD-želee puhul võib temperatuuri tõstmine peatada sünereesi ja viia želee algsesse asendisse. Sünereesi näited on hüübinud vere hüübimiste eraldamine, leiva kõvenemine ja kondiitritoodete leotamine. Noorte kuded on elastsed, sisaldavad vanusega rohkem vett, elastsus kaob, vett vähem – see on sünerees.

13.11. KÜSIMUSED JA ÜLESANDED ENESESTESTIKS

ETTEVALMISTUS TUNNIDEKS JA EKAMISEKS

1. Esitage dispergeeritud süsteemide, dispergeeritud faasi ja dispersioonikeskkonna mõiste.

2. Kuidas klassifitseeritakse hajutatud süsteemid hajutatud faasi ja dispersioonikeskkonna agregatsiooni oleku järgi? Tooge näiteid meditsiinilistest ja bioloogilistest profiilidest.

3. Kuidas hajutatud süsteeme klassifitseeritakse nendes esineva molekulidevahelise interaktsiooni tugevuse järgi? Tooge näiteid meditsiiniliste ja bioloogiliste profiilide kohta.

4. Kunstliku neeru aparaadi põhiosa on dialüsaator. Mis on kõige lihtsama dialüüsi põhimõte? Milliseid lisandeid saab verest dialüüsi abil eemaldada? Millised tegurid määravad dialüüsi kiiruse?

5. Kuidas saab eristada madala molekulmassiga aine lahust ja kolloidlahust? Millistel omadustel need meetodid põhinevad?

6. Kuidas eristada sooli jämedalt hajutatud süsteemist? Millistel omadustel need meetodid põhinevad?

7. Millised meetodid on olemas kolloidsete hajutatud süsteemide tootmiseks? Mille poolest nad üksteisest erinevad?

8.Millised on kolloidsete hajussüsteemide molekulaar-kineetiliste ja optiliste omaduste tunnused? Mis eristab neid tõelistest lahendustest ja jämedast süsteemist?

9. Esitage hajutatud süsteemide agregatiivse, kineetilise ja kondensatsioonistabiilsuse mõiste. Süsteemide stabiilsust määravad tegurid.

10. Näidake seost kolloidsete hajussüsteemide elektrokineetiliste omaduste vahel.

11.Milliseid elektrokineetilisi nähtusi täheldatakse dispergeeritud faasi osakeste mehaanilisel segamisel: a) dispersioonikeskkonna suhtes; b) hajutatud faasi osakeste suhtes?

12. Selgitage, milline järgmistest preparaatidest kuulub kolloidlahuste hulka: a) baariumsulfaadi preparaat vees, mida kasutatakse kontrastainena röntgenuuringutes osakeste suurusega 10-7 m; b) hõbedapreparaat vees - kollargool, mida kasutatakse mädaste haavade raviks osakeste suurusega 10–9 m.

13. Soolide koagulatsiooni mõiste. Lüofiilsete soolide koagulatsioon. Millised on hüübimise välised tunnused? Märkige võimalikud soolide koagulatsiooniproduktid.

14. Soolide koagulatsiooni põhjustavad tegurid. Soolide elektrolüütidega koagulatsiooni reeglid. Koagulatsiooni kineetika. Koagulatsioonilävi.

15. Seedetrakti mikro- (Ca 2+)- ja makro- (C 2 O 4 2-)- ning happe-aluse homöostaasi rikkumise tagajärjel tekib reaktsioon neerudes:

Mis on soli laeng? Millistel näidatud ioonidel on selle sooli osakestele koaguleeriv toime: K +, Mg 2+, SO 4 2-, NO 3 -, PO 4 3-, Al 3+?

Moodustub kaltsiumoksalaadi sool. Paneme kirja soolmitselli valemi

(13.3.).

Sooli graanuli laeng on positiivne, mis tähendab, et järgmistel ioonidel on selle sooli osakestele koaguleeriv toime (k): SO 4 2-, PO 4 3-, NO 3-, vastavalt Hardy reeglile. Mida suurem on koaguleeriva iooni laeng, seda tugevam on selle koaguleeriv toime (Schulze reegel). Vastavalt Schulze reeglile saab need anioonid paigutada järgmisesse ritta: C kuni P0 4 3- > C kuni SO 4 2- > C kuni NO 3 - . Mida madalam on iooni laeng, seda suuremas kontsentratsioonis toimub koagulatsioon. Koagulatsioonilävi (p) on sooli stabiilsuse suhteline tunnus antud elektrolüüdi suhtes ja on pöördväärtus

13.12. TESTÜLESANDED

1. Valige vale väide:

a) kondensatsioonimeetodid kolloidlahuste valmistamiseks hõlmavad ORR-i, hüdrolüüsi ja lahusti asendamist;

b) dispersioonimeetodid kolloidlahuste valmistamiseks hõlmavad mehaanilist, ultraheli-, peptiseerimist;

c) kolloidsüsteemide optilised omadused hõlmavad opalestsentsi, difraktsiooni ja Tyndalli efekti;

d) kolloidsüsteemide molekulaarkineetilised omadused hõlmavad Browni liikumist, valguse hajumist ja lahuse värvi muutumist.

2. Valige vale väide:

a) elektroforees on hajutatud faasi liikumine elektriväljas statsionaarse dispersioonikeskkonna suhtes;

b) elektroosmoos on dispersioonikeskkonna liikumine elektriväljas statsionaarse hajutatud faasi suhtes;

c) terapeutilisi ioone ja molekule sisaldavate vedelike tungimist läbi kapillaarsüsteemi elektrivälja mõjul nimetatakse elektrodialüüsiks;

d) valkude, nukleiinhapete ja vererakkude eraldamiseks kasutatakse elektroforeesi.

3. Kolloidne lahus, mis on kaotanud voolavuse, on:

a) emulsioon;

b)geel;

c) sool;

d) peatamine.

4. Vereplasma on:

a) sool;

b)geel;

c) tõeline lahendus;

d) emulsioon.

5. Heterogeenset süsteemi, mis koosneb dispergeeritud faasi mikrokristallidest, mida ümbritsevad solvateerunud stabilisaatori ioonid, nimetatakse:

a) graanulid;

b) tuum;

c) üksus;

d) mitsell.

6. Mitselli moodustumisel adsorbeeritakse potentsiaali määravad ioonid vastavalt reeglile:

a) Schulze-Hardy;

b) taasköitja;

c) Paneta-Fajanza;

d) Shilova.

7. Mitsellgraanul on agregaat:

a) koos adsorptsioonikihiga;

b) difusioonikiht;

c) adsorptsiooni- ja difusioonikihid;

d) potentsiaali määravad ioonid.

8. Liidese potentsiaal on potentsiaal järgmiste vahel:

a) tahke ja vedel faas;

b) adsorptsiooni- ja difuussed kihid libiseval piiril;

c) tuum ja vastasioonid;

d) potentsiaali määravad ioonid ja vastasioonid.

9. Peenpoorsete membraanide võimet hoida dispergeeritud faasi osakesi ning ioone ja molekule vabalt läbi lasta nimetatakse:

Hajutatud nimetatakse heterogeenseteks süsteemideks, milles üks aine väga väikeste osakeste kujul jaotub ühtlaselt teise ruumalasse.

Aine, mis esineb väiksemates kogustes ja jaotub teise mahus, nimetatakse hajutatud faas. See võib koosneda mitmest ainest.

Suuremates kogustes esinevat ainet, mille mahus dispergeeritud faas jaotub, nimetatakse dispersioonikeskkond. Selle ja hajutatud faasi osakeste vahel on liides, seetõttu nimetatakse hajutatud süsteeme heterogeenseteks (mittehomogeenseteks).

Nii dispersioonikeskkonda kui ka dispergeeritud faasi võivad esindada erineva agregatsiooniastmega ained - tahked, vedelad ja gaasilised.

Sõltuvalt dispersioonikeskkonna ja dispergeeritud faasi agregaatoleku kombinatsioonist võib eristada 8 tüüpi selliseid süsteeme.

Dispergeeritud faasi moodustavate ainete osakeste suuruse alusel jagatakse hajutatud süsteemid järgmisteks osadeks: jäme(peatused) mille osakeste suurus on suurem kui 100 nm ja peeneks hajutatud(kolloidsed lahused või kolloidsüsteemid) osakeste suurusega 100 kuni 1 nm. Kui aine fragmenteeritakse molekulideks või ioonideks, mille suurus on väiksem kui 1 nm, moodustub homogeenne süsteem - lahendus. See on ühtlane (homogeenne), hajutatud faasi osakeste ja keskkonna vahel puudub liides.

Juba kiire tutvumine hajutatud süsteemide ja lahendustega näitab, kui olulised need igapäevaelus ja looduses on (vt tabel).

Tabel. Hajutatud süsteemide näited

Dispergeeriv keskkond	Hajutatud faas	Mõnede looduslike ja majapidamiste hajussüsteemide näited
Gaas	Vedelik	Udu, seotud gaas õlipiiskadega, karburaatori segu automootorites (bensiinipiisad õhus), aerosoolid
tahke	Tolm õhus, suits, sudu, simoomid (tolmu- ja liivatormid), aerosoolid
Vedelik	Gaas	Kihisevad joogid, vahud
Vedelik	Emulsioonid. Keha vedel keskkond (vereplasma, lümf, seedemahlad), rakkude vedel sisu (tsütoplasma, karüoplasma)
tahke	Solid, geelid, pastad (želee, tarretised, liimid). Vees hõljuv jõe- ja meremuda; mördid
tahke	Gaas	Õhumullidega lumekoorik, muld, tekstiilriie, tellis ja keraamika, vahtkumm, gaseeritud šokolaad, pulbrid
Vedelik	Niiske pinnas, meditsiini- ja kosmeetikatooted (salvid, ripsmetušš, huulepulk jne)
tahke	Kivid, värvilised klaasid, mõned sulamid

Otsustage ise: ilma Niiluse mudata poleks Vana-Egiptuse suurt tsivilisatsiooni toimunud; ilma vee, õhu, kivimite ja mineraalideta poleks elavat planeeti – meie ühist kodu – Maad üldse olemas; ilma rakkudeta poleks elusorganisme jne.

Kui kõik hajutatud faasi osakesed on ühesuurused, siis nimetatakse selliseid süsteeme monodispersseteks (joon. 1, a ja b). Dispergeeritud faasi ebavõrdse suurusega osakesed moodustavad polüdispersseid süsteeme (joon. 1, c).

Riis. 1. Vabalt hajutatud süsteemid: korpuskulaarsed - (a-c), kiulised - (d) ja kilega hajutatud - (e); a, b – monodispersne; c – polüdispersne süsteem.

Hajutatud süsteemid võivad olla vabalt hajutatud(joon. 1) ja ühtselt hajutatud(joonis 2, a - c) sõltuvalt hajutatud faasi osakeste vahelise interaktsiooni puudumisest või olemasolust. Vabalt hajutatud süsteemide hulka kuuluvad aerosoolid, lahjendatud suspensioonid ja emulsioonid. Need on nendes süsteemides vedelad, hajutatud faasi osakestel pole kontakte, nad osalevad juhuslikus soojusliikumises ja liiguvad vabalt gravitatsiooni mõjul. Sidusalt hajutatud süsteemid on tahked; need tekivad siis, kui hajutatud faasi osakesed puutuvad kokku, mille tulemusena moodustub struktuur raamistiku või võrgu kujul. See struktuur piirab hajutatud süsteemi voolavust ja annab sellele võimaluse säilitada oma kuju. Pulbrid, kontsentreeritud emulsioonid ja suspensioonid (pastad), vahud, geelid on sidusate dispergeeritud süsteemide näited. Pooride ja kapillaaride kaudu võib tungida läbi pidev ainemass, moodustades kapillaaride hajutatud süsteemid (nahk, papp, kangad, puit).

Riis. 3. Kohesiivselt hajutatud (a-c) ja kapillaarselt hajutatud (d, e) süsteemid: geel (a), tiheda (b) ja lahtise kaarekujulise (c) struktuuriga koagulant.

Dispergeeritud süsteeme, vastavalt nende vahepealsele positsioonile molekulide ja suurte kehade maailmas, on võimalik saada kahel viisil: dispersioonimeetodid, s.o suurte kehade jahvatamine ja molekulaarsete või ioonsete lahustunud ainete kondenseerimise meetodid.

Dispergeeritud süsteemide faaside interaktsioon tähendab solvatatsiooni (vesisüsteemide puhul hüdratatsiooni) protsesse, st dispersioonikeskkonna molekulidest solvatatsiooni (hüdraadi) kestade moodustumist dispergeeritud faasi osakeste ümber. Vastavalt sellele, vastavalt dispergeeritud faasi ainete ja dispersioonikeskkonna vahelise interaktsiooni intensiivsusele (ainult vedela dispersioonikeskkonnaga süsteemide puhul), eristatakse G. Freundlichi ettepaneku kohaselt järgmisi dispergeeritud süsteeme:

− Lüofiilne (hüdrofiilsed, kui DS on vesi): pindaktiivsete ainete mitsellilahused, kriitilised emulsioonid, mõnede looduslike spiraalide vesilahused, näiteks valgud (želatiin, munavalge), polüsahhariidid (tärklis). Neid iseloomustab DP-osakeste tugev interaktsioon DS-molekulidega. Piiraval juhul täheldatakse täielikku lahustumist. Lüofiilsed disperssed süsteemid tekivad spontaanselt solvatatsiooniprotsessi tõttu. Termodünaamiliselt agregatiivselt stabiilne.

− Lüofoobne (hüdrofoobne, kui DS on vesi): emulsioonid, suspensioonid, soolid. Neid iseloomustab DP-osakeste nõrk interaktsioon DS-molekulidega. Need ei teki spontaanselt, nende moodustamiseks on vaja tööd. Termodünaamiliselt agregatiivselt ebastabiilsed (st kalduvad hajutatud faasi osakeste spontaansele agregatsioonile), nende suhteline stabiilsus (nn. metastabiilsus) on tingitud kineetilistest teguritest (st madalast agregatsioonimäärast).

3. Kaaluge.

Riputama – need on hajutatud süsteemid, milles faasiosakeste suurus on üle 100 nm. Need on läbipaistmatud süsteemid, mille üksikuid osakesi on palja silmaga näha. Dispergeeritud faas ja dispergeeritud keskkond on kergesti eraldatavad settimise ja filtreerimise teel. Sellised süsteemid jagunevad:

1. Emulsioonid ( nii keskkond kui faas on üksteises lahustumatud vedelikud). Veest ja õlist saab valmistada emulsiooni, kui segu segada pikalt. Need on tuntud piima-, lümfi-, veepõhised värvid jne.

2. Suspensioonid (sööde on vedelik, faas on selles lahustumatu tahke aine) Suspensiooni valmistamiseks tuleb aine peeneks pulbriks jahvatada, vedelikku valada ja korralikult loksutada. Aja jooksul langeb osake anuma põhja. Ilmselgelt, mida väiksemad on osakesed, seda kauem suspensioon säilib. Need on ehituslahendused, vees hõljuv jõe- ja meremuda, mikroskoopiliste elusorganismide elussuspensioon merevees - plankton, mis toidab hiiglasi - vaalu jne.

3. Aerosoolid vedelike või tahkete ainete väikeste osakeste suspensioonid gaasis (näiteks õhus). Seal on tolmu, suitsu ja udu. Kaks esimest aerosoolide tüüpi on tahkete osakeste suspensioonid gaasis (suuremad osakesed tolmus), viimane on vedelate tilkade suspensioon gaasis. Näiteks: udu, äikesepilved – veepiiskade suspensioon õhus, suits – väikesed tahked osakesed. Ja maailma suurimate linnade kohal rippuv sudu on samuti tahke ja vedela hajutatud faasiga aerosool. Tsemenditehaste läheduses asuvate asulate elanikud kannatavad alati õhus rippuva peeneima tsemenditolmu all, mis tekib tsemendi tooraine ja selle põletusprodukti - klinkri - jahvatamisel. Kahjulikud aerosoolid on ka tehase korstnate suits, sudu, gripihaige suust välja lendavad tillukesed süljepiisad. Aerosoolidel on oluline roll looduses, igapäevaelus ja inimeste tootmistegevuses. Pilvede kogunemine, põldude töötlemine kemikaalidega, värvi- ja lakikatete pealekandmine pihustuspüstoli abil, hingamisteede ravi (sissehingamine) on näited nendest nähtustest ja protsessidest, kus aerosoolidest on kasu. Aerosoolid on udud meresurfi kohal, koskede ja purskkaevude läheduses, mis annab inimesele rõõmu ja esteetilist naudingut.

Keemia jaoks on suurima tähtsusega dispergeeritud süsteemid, milles keskkonnaks on vesi ja vedelad lahused.

Looduslik vesi sisaldab alati lahustunud aineid. Looduslikud vesilahused osalevad mullatekke protsessides ja varustavad taimi toitainetega. Inimeste ja loomade kehas toimuvad keerulised eluprotsessid toimuvad ka lahustes. Paljud tehnoloogilised protsessid keemia- ja muudes tööstusharudes, näiteks hapete, metallide, paberi, sooda, väetiste tootmine, toimuvad lahustes.

4. Kolloidsüsteemid.

Kolloidsed süsteemid (tõlkes kreeka keelest "kolla" - liim, "eidos" - liimilaadne tüüp) – Need on hajutatud süsteemid, milles faasiosakeste suurus on 100 kuni 1 nm. Need osakesed ei ole palja silmaga nähtavad ning sellistes süsteemides on dispergeeritud faasi ja hajutatud keskkonda settimise teel raske eraldada.

Oma bioloogia üldkursusest teate, et sellise suurusega osakesi saab tuvastada ultramikroskoobi abil, mis kasutab valguse hajumise põhimõtet. Tänu sellele paistab selles olev kolloidosake tumedal taustal heleda punktina.

Need jagunevad soolteks (kolloidsed lahused) ja geelideks (želee).

1. Kolloidsed lahused, või sols. See on suurem osa elusraku vedelikest (tsütoplasma, tuumamahl – karüoplasma, organellide ja vakuoolide sisu). Ja elusorganism tervikuna (veri, lümf, koevedelik, seedemahlad jne) Sellised süsteemid moodustavad liimaineid, tärklist, valke ja mõningaid polümeere.

Kolloidseid lahuseid võib saada keemiliste reaktsioonide tulemusena; Näiteks kui kaalium- või naatriumsilikaatide lahused (“lahustuv klaas”) reageerivad happelahustega, tekib ränihappe kolloidne lahus. Sool tekib ka raud(III)kloriidi hüdrolüüsil kuumas vees.

Kolloidsete lahuste iseloomulik omadus on nende läbipaistvus. Kolloidsed lahused on välimuselt sarnased tõelistele lahustele. Neid eristab viimastest "helendav tee", mis moodustub - koonus, kui valguskiir neist läbi lastakse. Seda nähtust nimetatakse Tyndalli efektiks. Sooli hajutatud faasi osakesed, mis on suuremad kui tõelises lahuses, peegeldavad oma pinnalt valgust ja vaatleja näeb kolloidlahusega anumas helendavat koonust. See ei moodustu tõelises lahenduses. Sarnast efekti, kuid ainult aerosooli, mitte vedela kolloidi puhul, võib jälgida metsas ja kinodes, kui kinosaali õhku läbib filmikaamera valguskiir.

Valguskiire läbilaskmine lahendustest:

a – tõeline naatriumkloriidi lahus;

b – raud(III)hüdroksiidi kolloidlahus.

Kolloidlahuste dispergeeritud faasi osakesed ei setti sageli isegi pikaajalisel säilitamisel termilise liikumise tõttu toimuvate pidevate kokkupõrgete tõttu lahusti molekulidega. Need ei kleepu üksteisele lähenedes kokku, kuna nende pinnal on sarnaseid elektrilaenguid. Seda seletatakse asjaoluga, et kolloidses, st peeneks jaotatud olekus olevatel ainetel on suur pindala. Sellel pinnal adsorbeeritakse positiivselt või negatiivselt laetud ioonid. Näiteks ränihape adsorbeerib negatiivseid ioone SiO 3 2-, mida naatriumsilikaadi dissotsiatsiooni tõttu on lahuses palju:

Sarnaste laengutega osakesed tõrjuvad üksteist ega kleepu seetõttu kokku.

Kuid teatud tingimustel võib tekkida hüübimisprotsess. Mõne kolloidlahuse keetmisel toimub laetud ioonide desorptsioon, s.o. kolloidosakesed kaotavad oma laengu. Nad hakkavad suurenema ja settima. Sama asja täheldatakse mis tahes elektrolüüdi lisamisel. Sel juhul tõmbab kolloidosake ligi vastupidiselt laetud iooni ja selle laeng neutraliseeritakse.

Koagulatsioon - kolloidosakeste kokkukleepumise ja sadenemise nähtus - täheldatakse nende osakeste laengute neutraliseerimisel, kui kolloidlahusele lisatakse elektrolüüti. Sel juhul muutub lahus suspensiooniks või geeliks. Mõned orgaanilised kolloidid koaguleeruvad kuumutamisel (liim, munavalge) või lahuse happe-aluse keskkonna muutumisel.

2. Geelid või tarretised on želatiinsed setted, mis tekivad soolide koagulatsiooni käigus. Nende hulka kuuluvad suur hulk polümeergeele, mis on teile nii hästi tuntud kondiitri-, kosmeetika- ja ravigeelid (želatiin, tarretatud liha, marmelaad, leib, liha, moos, tarretis, marmelaad, tarretis, juust, kodujuust, kalgendatud piim, linnupiim kook) ja loomulikult lõputu valik looduslikke geele: mineraalid (opaal), meduuside kehad, kõhred, kõõlused, juuksed, lihas- ja närvikude jne. Maa arengulugu võib samaaegselt pidada aine kolloidse oleku evolutsiooni ajalooks. Aja jooksul on geelide struktuur häiritud (helbed) - neist eraldub vett. Seda nähtust nimetatakse sünerees .

Tarretised − need on elastsete tahkete ainete omadustega struktureeritud süsteemid. Aine želatiinset olekut võib pidada vedela ja tahke oleku vahepealseks.

Kõrgmolekulaarsete ainete tarretisi saab saada peamiselt kahel viisil: polümeerilahustest želeede moodustamise meetodil ja kuivade kõrgmolekulaarsete ainete paisutamise meetodil sobivates vedelikes.

Polümeerlahuse või sooli üleminekut želeeks nimetatakse tarretise moodustumine . Želatiniseerumine on seotud viskoossuse suurenemise ja Browni liikumise aeglustumisega ning seisneb hajutatud faasi osakeste ühendamises võrgu või rakkude kujul ja kogu lahusti sidumises.

Tarretiste moodustumise protsessi mõjutavad oluliselt lahustunud ainete iseloom, nende osakeste kuju, kontsentratsioon, temperatuur, protsessi aeg ja muude ainete, eriti elektrolüütide lisandid. .

Oma omaduste põhjal jagatakse tarretised kahte suurde rühma:

a) elastsed või pöörduvad, saadud suure molekulmassiga ainetest;

b) haprad või pöördumatud, saadud anorgaanilistest hüdrofoobsetest soolidest.

Nagu juba mainitud, saab kõrgmolekulaarsete ainete tarretisi saada mitte ainult lahuste želatiniseerimise meetodil, vaid ka kuivainete paisutamise meetodil. Piiratud paisumine lõpeb tarretise moodustumisega ega lähe lahustuma ning piiramatu paisumise korral on tarretis lahustumise vaheetapp.

Tarretisi iseloomustavad mitmed tahkete ainete omadused: nad säilitavad oma kuju, on elastsed omadused ja elastsus. Nende mehaanilised omadused on aga määratud kontsentratsiooni ja temperatuuriga.

Kuumutamisel muutuvad tarretised viskoosseks voolavaks olekuks. Seda protsessi nimetatakse sulatamiseks. See on pöörduv, kuna jahutamisel moodustab lahus uuesti tarretise.

Paljud tarretised on mehaanilisel mõjul (segamisel, loksutamisel) võimelised veelduma ja muutuma lahusteks. See protsess on pöörduv, kuna puhkeolekus moodustab lahus mõne aja pärast tarretise. Nimetatakse tarretiste omadust mehaanilise pinge all korduvalt isotermiliselt veelduda ja puhkeolekus tarretist moodustada tiksotroopia . Näiteks šokolaadimass, margariin ja tainas on võimelised tiksotroopseks muutuma.

Oma koostises tohutul hulgal vett, on želeedel lisaks tahkete kehade omadustele ka vedela keha omadused. Neis võivad toimuda erinevad füüsikalised ja keemilised protsessid: difusioon, keemilised reaktsioonid ainete vahel.

Värskelt valmistatud tarretised muutuvad aja jooksul, kuna tarretise struktureerumisprotsess jätkub. Samal ajal hakkavad tarretise pinnale ilmuma vedelikupiisad, mis ühinedes moodustavad vedela keskkonna. Saadud dispersioonikeskkond on lahjendatud polümeerilahus ja dispergeeritud faas on želatiinfraktsioon. Stuudio nimetab seda spontaanset tarretise faasideks jagamise protsessi, millega kaasneb mahu muutus sünerees ( leotamine).

Sünereesi peetakse tarretise moodustumist määravate protsesside jätkuks. Erinevate želeede sünereesi kiirus on erinev ja sõltub peamiselt temperatuurist ja kontsentratsioonist.

Polümeeridest moodustunud tarretistes on sünerees osaliselt pöörduv. Vahel piisab ka kuumutamisest, et sünereesi läbinud tarretis oma algsesse olekusse tagasi saada. Kui tarretiste säilitamisel toimuvad keemilised protsessid, siis sünerees muutub keerulisemaks ja selle pöörduvus kaob ning tarretis vananeb. Sellisel juhul kaotab tarretis oma võime seotud vett kinni hoida (leiva seismine). Sünereesi praktiline tähendus on üsna suur. Kõige sagedamini on sünerees igapäevaelus ja tööstuses ebasoovitav. See on leiva seismine, marmelaadi, tarretise, karamelli ja puuviljamoosi leotamine.

5. Suure molekulmassiga ainete lahused.

Polümeerid, nagu ka madala molekulmassiga ained, võivad olenevalt lahuse saamise tingimustest (polümeeri ja lahusti olemus, temperatuur jne) moodustada nii kolloidseid kui tõelisi lahuseid. Sellega seoses on tavaks rääkida lahuses oleva aine kolloidsest ehk tõelisest olekust. Me ei puuduta kolloidseid polümeeri-lahusti süsteeme. Vaatleme ainult molekulaarset tüüpi polümeeride lahuseid. Tuleb märkida, et molekulide suure suuruse ja nende struktuuri iseärasuste tõttu on IUD-i lahustel mitmeid spetsiifilisi omadusi:

1. Tasakaaluprotsessid IUD lahustes tekivad aeglaselt.

2. IUD-i lahustumisprotsessile eelneb tavaliselt turseprotsess.

3. Polümeerlahused ei allu ideaallahenduste seadustele, s.t. Raoult' ja van't Hoffi seadused.

4. Polümeerilahuste voolamisel tekib omaduste anisotroopsus (lahuse ebavõrdsed füüsikalised omadused eri suundades), mis on tingitud molekulide voolusuunalisest orientatsioonist.

5. IUD lahuste kõrge viskoossus.

6. Oma suure suuruse tõttu kipuvad polümeeri molekulid lahustes assotsieeruma. Polümeerühendite eluiga on pikem kui madala molekulmassiga ainetel.

BMC lahustumisprotsess toimub spontaanselt, kuid pika aja jooksul ning sellele eelneb sageli polümeeri paisumine lahustis. Polümeerid, mille makromolekulid on sümmeetrilise kujuga, võivad lahustuda ilma esmase paisumiseta. Näiteks hemoglobiin, maksatärklis - glükogeen lahustumisel peaaegu ei paisu ja nende ainete lahused ei ole kõrge viskoossusega isegi suhteliselt kõrge kontsentratsiooni korral. Samas kui väga asümmeetriliste piklike molekulidega ained paisuvad lahustumisel väga tugevalt (želatiin, tselluloos, looduslikud ja sünteetilised kummid).

Turse on polümeeri massi ja mahu suurenemine lahusti molekulide tungimise tõttu IMC ruumistruktuuri.

Turse on kahte tüüpi: piiramatu, mis lõpeb spiraali täieliku lahustumisega (näiteks želatiini paisumine vees, kummi paisumine benseenis, nitrotselluloos atsetoonis) ja piiratud, mis viib pundunud polümeeri – tarretise moodustumiseni (näiteks tselluloosi paisumine vees, želatiin külmas vees, vulkaniseeritud kumm benseenis).

Dispergeeritud süsteemide klassifitseerimist saab läbi viia erinevate omaduste alusel: hajutatuse, faaside agregatiivse oleku, hajutatud faasi ja hajutatud keskkonna interaktsiooni, osakestevahelise interaktsiooni järgi.

Klassifikatsioon dispersiooni järgi

Eripinna sõltuvust dispersioonist Ssp = f(d) väljendatakse graafiliselt võrdkülgse hüperbooliga (joonis).

Graafik näitab, et osakeste põikimõõtmete vähenemisel suureneb eripind oluliselt. Kui kuubik, mille serva suurus on 1 cm, purustatakse kuubikujulisteks osakesteks mõõtmetega d = 10–6 cm, suureneb liidese kogupinna väärtus 6 cm 2 -lt 600 m 2 -le.

Kui d ≤ 10–7 cm, hüperbool katkeb, kuna osakesed vähenevad üksikute molekulide suuruseni ja heterogeenne süsteem muutub homogeenseks, milles puudub liidese pind. Dispersiooniastme järgi jagunevad hajutatud süsteemid:

• jämedad süsteemid, d ≥ 10 -3 cm;
• mikroheterogeensed süsteemid, 10 -5 ≤ d ≤ 10 -3 cm;
• kolloidsed dispergeeritud süsteemid või kolloidlahused, 10 -7 ≤ d ≤ 10 -5 cm;
• tõelised lahendused, d ≤ 10 -7 cm.

Tuleb rõhutada, et kolloidsete lahuste dispergeeritud faasi osakesed on suurima eripinnaga.

Klassifikatsioon faaside liitmise oleku järgi

Klassifitseerimise faaside liitmise oleku järgi pakkus välja Wolfgang Ostwald. Põhimõtteliselt on võimalik 9 kombinatsiooni. Esitame need tabeli kujul.

Hajutatud faasi agregaatolek	Dispergeeritud keskkonna agregaatolek	konventsioon	Süsteemi nimi	Näited
G	G	a/a	aerosoolid	Maa atmosfäär
ja	G	w/g		udu, kihtpilved
TV	G	TV/g		suits, tolm, rünkpilved
G	ja	g/f	gaasiemulsioonid, vahud	mullivesi, seebivaht, terapeutiline hapnikukokteil, õllevaht
ja	ja	w/w	emulsioonid	piim, või, margariin, kreemid jne.
TV	ja	TV/W	lüosoolid, suspensioonid	lüofoobsed kolloidlahused, suspensioonid, pastad, värvid jne. d.
G	TV	g/tv	tahked vahud	pimsskivi, kõvad vahud, vahtpolüstüreen, vahtbetoon, leib, poorsed kehad gaasis jne. d.
ja	TV	g teler	tahked emulsioonid	vesi parafiinis, looduslikud mineraalid vedelate lisanditega, poorsed kehad vedelikus
TV	TV	tv/tv	tahked soolid	teras, malm, värviline klaas, vääriskivid: Au sol klaasis - rubiinklaas (0,0001%) (1t klaas - 1g Au)

Klassifikatsioon hajutatud faasi ja hajutatud keskkonna vastastikmõju järgi (faasidevahelise interaktsiooni järgi).

See klassifikatsioon sobib ainult vedela dispersioonikeskkonnaga süsteemidele. G. Freundlich tegi ettepaneku jagada hajutatud süsteemid kahte tüüpi:

1. lüofoobne, milles dispergeeritud faas ei suuda dispersioonikeskkonnaga interakteeruda ja seetõttu selles lahustub, nende hulka kuuluvad kolloidsed lahused ja mikroheterogeensed süsteemid;
2. lüofiilne, milles dispergeeritud faas interakteerub dispersioonikeskkonnaga ja on teatud tingimustel võimeline selles lahustama, nende hulka kuuluvad kolloidsete pindaktiivsete ainete lahused ja IUD-de lahused.

Klassifikatsioon osakestevahelise interaktsiooni järgi

Selle klassifikatsiooni järgi jagunevad hajutatud süsteemid:

• vabalt hajutatud (struktuurita);
• sidusalt hajutatud (struktureeritud).

Vabalt hajutatud süsteemides ei ole hajutatud faasi osakesed omavahel seotud ja on võimelised dispersioonikeskkonnas iseseisvalt liikuma.

Kohesiivselt hajutatud süsteemides on hajutatud faasi osakesed omavahel ühendatud molekulidevaheliste jõudude toimel, moodustades dispersioonikeskkonnas ainulaadseid ruumilisi võrgustikke või raamistikke (struktuure). Osakesed, mis moodustavad struktuuri, ei ole võimelised vastastikku liikuma ja suudavad sooritada ainult võnkuvaid liigutusi.

Kasutatud kirjanduse loetelu

1. Gelfman M. I., Kovalevitš O. V., Justratov V. P. Kolloidne keemia. 2. väljaanne, kustutatud. - Peterburi: kirjastus Lan, 2004. - 336 lk.: ill. ISBN 5-8114-0478-6 [lk. 8-10]

Üldised ideed hajutatud süsteemide kohta

Keemiline interaktsioon homogeensetes reaktsioonides toimub aktiivsete osakeste efektiivsete kokkupõrgete ajal ja heterogeensetes reaktsioonides - faaside kokkupuutel reageerivate ainetega ning reaktsiooni kiirus ja mehhanism sõltuvad pinnast, mis on suurem, seda arenenum. pind on. Sellest vaatenurgast pakuvad erilist huvi suure eripinnaga hajutatud süsteemid.

Dispergeeritud süsteem on segu, mis koosneb vähemalt kahest üksteisega keemiliselt mittereageeruvast ainest, millel on peaaegu täielik vastastikune lahustumatus. Hajutatud süsteem - See on süsteem, milles ühe aine väga purustatud osakesed jaotuvad ühtlaselt teise aine mahus.

Dispergeeritud süsteemide käsitlemisel eristatakse kahte mõistet: hajutatud faas ja dispersioonikeskkond (joonis 10.1).

hajutatud faas - See on väikese suurusega aineosakeste kogum, mis on ühtlaselt jaotunud teise aine mahus. Hajutatud faasi tunnusteks on killustumine ja katkestus.

Dispergeeriv keskkondon aine, milles hajutatud faasi osakesed on ühtlaselt jaotunud. Dispersioonikeskkonna tunnuseks on selle pidevus.

Dispergeeritud faasi saab eraldada dispersioonikeskkonnast füüsikaliste vahenditega (tsentrifuugimine, eraldamine, settimine jne).

Joonis 10.1 – Dispergeeritud süsteem: dispergeeritud faasi s osakesed (väikeste tahkete osakeste, kristallide, vedelikutilkade, gaasimullide, molekulide või ioonide assotsiaatide kujul), millel on adsorptsioonikiht d, jaotuvad homogeenses pidevas dispersioonikeskkonnas f.

Dispergeeritud süsteeme klassifitseeritakse erinevate tunnuste järgi: hajuvus, hajutatud faasi ja dispersioonikeskkonna agregatsiooni olek, nendevahelise interaktsiooni intensiivsus, struktuuride puudumine või moodustumine hajutatud süsteemides.

Klassifikatsioon dispersiooniastme järgi

Sõltuvalt hajutatud faasi osakeste suurusest jagatakse kõik hajutatud süsteemid tinglikult kolme rühma (joonis 10.2).

Joonis 10.2 – Dispergeeritud süsteemide klassifikatsioon osakeste suuruse järgi (võrdluseks on toodud osakeste suurused tegelikes lahustes)

1. Jämedad süsteemid , milles osakeste suurus on üle 1 µm (10 –5 m). Seda hajutatud süsteemide rühma iseloomustavad järgmised omadused: hajutatud faasi osakesed settivad (või ujuvad üles) gravitatsioonijõudude väljas ega läbi paberfiltreid; neid saab vaadata tavalise mikroskoobi all. Jämedate süsteemide hulka kuuluvad suspensioonid, emulsioonid, tolm, vaht, aerosoolid jne.

peatamine - on hajutatud süsteem, milles hajutatudfaas on tahke aine ja dispersioonikeskkond on vedelik.

Suspensiooni näide võib olla süsteem, mis on moodustatud savi või kriidi raputamisel vees, värvis või pastas.

emulsioon - See on dispergeeritud süsteem, milles vedel dispergeeritud faas on ühtlaselt jaotunud kogu vedela dispersioonikeskkonna mahus, st. emulsioon koosneb kahest vastastikku lahustumatust vedelikust.

Emulsioonide näideteks on piim (mille dispergeeritud faasiks on vedela rasva tilgad ja dispersioonikeskkonnaks vesi), koor, majonees, margariin ja jäätis.

Setitamisel eraldatakse (kihistatakse) suspensioonid ja emulsioonid nende koostisosadeks: dispergeeritud faas ja dispersioonikeskkond. Seega, kui raputate benseeni tugevalt veega, moodustub emulsioon, mis mõne aja pärast eraldub kaheks kihiks: ülemine benseen ja alumine vesikiht. Emulsioonide eraldumise vältimiseks lisage neile emulgaatorid– ained, mis annavad emulsioonidele agregaadi stabiilsuse.

Vaht – rakuline jämedalt hajutatud süsteem, milles hajutatud faasiks on gaasi- (või auru-) mullide kogum ja dispersioonikeskkond on vedel.

Vahtudes võib mullides sisalduva gaasi kogumaht olla sadu kordi suurem kui gaasimullide vahelistes kihtides sisalduva vedela dispersioonikeskkonna maht.

2. Mikroheterogeenne (võipeeneks hajutatud ) vahesüsteemid, milles osakeste suurus varieerub 10 piires – 5 –10 –7 m. Nende hulka kuuluvad õhukesed suspensioonid, aurud ja poorsed tahked ained.

3. Ultramikroheterogeenne (võikolloidne hajutatud ) süsteemid, milles osakesed suurusega 1–100 nm (10–9 –10 –7 m) koosnevad 10 3_ 10 9-st aatomid ja on lahustist eraldatud liidesega. Kolloidseid lahuseid iseloomustab äärmiselt hajutatud olek sol, või sageli lüosoolidrõhutamaks, et dispersioonikeskkond on vedel. Kui dispersioonikeskkonnaks on vesi, nimetatakse selliseid sooleidhüdrosoolidja kui orgaaniline vedelik -organosoolid.

Enamikul peenelt hajutatud süsteemidel on teatud omadused:

madal difusioonikiirus;

dispergeeritud faasi osakesi (st kolloidosakesi) saab uurida ainult ultramikroskoobi või elektronmikroskoobi abil;

valguse hajumine kolloidosakeste poolt, mille tulemusena omandavad nad ultramikroskoobis heledate laikude väljanägemise - Tyndalli efekt (joon. 10.3);

Joonis 10.3 – Ultramikroheterogeenne (peendispersne) süsteem: a) kolloidlahus; b) kitsa valgusvihu kõrvalekalde skeem kolloidlahuse läbimisel; c) valguse hajumine kolloidlahuse poolt (Tyndalli efekt)

• faasiliidesele stabilisaatorite (elektrolüüdiioonide) juuresolekul moodustub ioonkiht ehk solvatatsioonikest, mis soodustab hõljuvate osakeste olemasolu;
• dispergeeritud faas on dispersioonikeskkonnas kas täielikult lahustumatu või vähesel määral lahustuv.

Kolloidsete osakeste näideteks on tärklis, valgud, polümeerid, kumm, seebid, alumiinium ja ferum(III)hüdroksiidid.

Dispergeeritud süsteemide klassifikatsioon hajutatud faasi ja dispersioonikeskkonna agregatsiooniseisundite vahelise seose alusel

Selle klassifikatsiooni pakkus välja Ostavld (tabel 10.1). Dispergeeritud süsteemide agregatsiooni oleku skemaatilisel registreerimisel märkige esmalt tähtedega G (gaas), L (vedelik) või T (tahke) hajutatud faasi agregatsiooni olek ja seejärel lisage kriips (või murdosa märk) ja pane kirja dispersioonikeskkonna agregatsiooniseisund.

Tabel 10.1 – Hajussüsteemide klassifikatsioon

Dispergeeritud süsteemide klassifikatsioon molekulaarse interaktsiooni intensiivsuse järgi

Selle klassifikatsiooni pakkus välja G. Freundlich ja seda kasutatakse ainult vedela dispersioonikeskkonnaga süsteemide jaoks.

1. Lüofiilsed süsteemid , milles dispergeeritud faas interakteerub dispersioonikeskkonnaga ja on teatud tingimustel võimeline selles lahustama - need on kolloidsete pindaktiivsete ainete (pindaktiivsete ainete) lahused, suure molekulmassiga ühendite (HMW) lahused. Erinevatest lüofiilsetest süsteemidest on praktilises mõttes olulisemad pindaktiivsed ained, mida võib leida nii molekulaarselt lahustunud olekus kui ka kümnetest, sadadest või enamatest molekulidest koosnevate agregaatide (mitsellide) kujul.
2. Lüofoobsed süsteemid , milles dispergeeritud faas ei suuda dispersioonikeskkonnaga suhelda ega selles lahustuda. Lüofoobsetes süsteemides on erinevate faaside molekulide omavaheline interaktsioon palju nõrgem kui lüofiilsete süsteemide puhul; pindadevaheline pindpinevus on suur, mille tulemusena kipub süsteem hajutatud faasi osakesi spontaanselt suurendama.

Hajutatud süsteemide klassifikatsioon füüsikalise oleku järgi

Klassifikatsiooni autor on P. Rebinder. Selle klassifikatsiooni kohaselt tähistatakse hajutatud süsteemi murdosaga, milles hajutatud faas on paigutatud lugejasse ja dispersioonikeskkond nimetajasse. Näiteks: T 1 / L 2 tähistab tahke faasi (indeks 1) ja vedela dispersioonikeskkonnaga (indeks 2) dispergeeritud süsteemi. Rehbinderi klassifikatsioon jagab hajutatud süsteemid kahte klassi:

1. Vabalt hajutatud süsteemid – soolid, milles hajutatud faas ei moodusta pidevaid jäikaid struktuure (võresid, sõrestisi või raame), on voolav ja hajutatud faasi osakesed ei puutu omavahel kokku, osaledes juhuslikus soojusliikumises ja liikudes gravitatsiooni mõjul vabalt . Nende hulka kuuluvad aerosoolid, lüosoolid, lahjendatud suspensioonid ja emulsioonid.

Näited vabalt hajutatud süsteemidest:

• Dispergeeritud süsteemid kolloidse dispersiooniga gaasides (T 1 / G 2 - tolm atmosfääri ülemistes kihtides, aerosoolid), jämeda dispersiooniga (T 1 / G 2 - aurud ja G 1 / G 2 - udud);
• Dispergeeritud süsteemid vedelikes kolloidse dispersiooniga (T 1 / G 2 - lüosoolid, dispergeeritud värvained vees, sünteetiliste polümeeride lateksid), jämeda dispersiooniga (T 1 / G 2 - suspensioonid; G 1 / G 2 - vedelad emulsioonid; G 1 / Zh 2 – gaasiemulsioonid);
• Dispergeeritud süsteemid tahketes ainetes: T 1 / T 2 - tahked soolid, näiteks kollase metalli sool klaasis, pigmenteeritud kiud, täidetud polümeerid.

2. Kohesiivselt hajutatud (või pidevad) süsteemid . Pidevates (kohesiivselt hajutatud) süsteemides moodustavad hajutatud faasi osakesed jäigad ruumilised struktuurid. Sellised süsteemid on vastupidavad nihkedeformatsioonile. Sidusalt hajutatud süsteemid on tahked; need tekivad siis, kui hajutatud faasi osakesed puutuvad kokku, mille tulemusena moodustub struktuur raamistiku või võrgu kujul, mis piirab hajutatud süsteemi voolavust ja annab sellele võimaluse säilitada oma kuju. Selliseid struktureeritud kolloidsüsteeme nimetatakse geelideks.

Kohesiivselt hajutatud süsteemide näited:

• Vedeliku liidesega dispergeeritud süsteemid (G 1 / Zh 2 - vahud; Zh1 / Zh 2 - vahtemulsioonid);
• Dispergeeritud süsteemid, millel on faasidevaheline tahke liides (G 1 / T 2 - poorsed kehad, looduslikud kiud, pimss, käsn, puusüsi; G 1 / T 2 - niiskus graniidis; T 1 / T 2 - läbitungivad polümeeride võrgud).

Kolloidsete lahuste valmistamine ja puhastamine

Kolloidsete lahuste valmistamine

Võib valmistada kolloidseid lahuseidhajutav või selleks kondensatsioon meetodid.

1. Dispersioonimeetodid- need on meetodid lüofoobsete soolide valmistamiseks suurte tükkide purustamisel kolloidse suurusega agregaatideks.

Mehaaniline Jämedate süsteemide purustamine toimub: purustamine, löök, hõõrdumine, lõhestamine. Osakesed purustatakse mitmekümne mikroni suuruseks kasutades kuulveskid.Väga peen purustamine (kuni 0,1-1 mikronit) saavutatakse spetsiaalse abilkolloidveskidkiiresti pöörleva rootori (10-20 tuhat pööret minutis) ja statsionaarse korpuse vahel on kitsas vahe ning osakesed on pilus rebenenud või hõõrutud.P. A. Rebinderi töö tuvastas tahkete ainete vastupidavuse vähenemise elastsetele ja plastilistele deformatsioonidele, samuti pindaktiivsete ainete adsorptsiooni mõjul mehaanilise hävimise. Pindaktiivsed ained hõlbustavad dispersiooni ja aitavad oluliselt suurendada dispersiooniastet.

2. Kondensatsiooni meetodid- need on meetodid kolloidsete lahuste valmistamiseks, kombineerides (kondenseerides) molekule ja ioone kolloidse suurusega agregaatideks. Süsteem muutub homogeensest heterogeenseks, st ilmub uus faas (hajunud faas). Eeltingimuseks on üleküllastus originaalne süsteem.

Kondensatsioonimeetodid liigitatakse kondenseerumist põhjustavate jõudude iseloomu järgi füüsikaliseks ja keemiliseks kondensatsiooniks.

Füüsiline kondenseerumine saab teha aurust või lahusti asendamisega.

Kondensatsioon aurudest. Lähteaine on aurus. Temperatuuri langedes muutub aur üleküllastunud ja osaliselt kondenseerub, moodustades hajutatud faasi. Sel viisil saadakse elavhõbeda ja mõnede teiste metallide hüdrosoolid.

Lahusti asendamise meetod. Meetod põhineb dispersioonikeskkonna koostise ja omaduste muutmisel. Näiteks valage väävli, fosfori või kampoli alkoholilahus vette, kuna aine lahustuvus uues lahustis väheneb, lahus muutub üleküllastuks ja osa ainest kondenseerub, moodustades hajutatud faasi osakesed.

Keemiline kondenseerumine seisneb selles, et dispergeeritud faasi moodustav aine saadakse keemilise reaktsiooni tulemusena. Selleks, et reaktsioon moodustaks tõelise lahuse või sademe asemel kolloidse lahuse, peab olema täidetud vähemalt kolm tingimust:

1. dispergeeritud faasi aine on dispersioonikeskkonnas lahustumatu;
2. dispergeeritud faasi kristallide tuumade moodustumise kiirus on palju suurem kui kristallide kasvu kiirus; see tingimus on tavaliselt täidetud, kui ühe komponendi kontsentreeritud lahus valatakse intensiivselt segades teise komponendi väga lahjendatud lahusesse;
3. üht lähteainet võetakse ülemäära, see on stabilisaator.

Kolloidsete lahuste puhastamise meetodid.

Ühel või teisel viisil saadud kolloidlahused puhastatakse tavaliselt madala molekulmassiga lisanditest (molekulid ja ioonid). Need lisandid eemaldatakse dialüüsi, (elektrodialüüsi) ja ultrafiltrimisega.

Dialüüs– puhastusmeetod, milles kasutatakse poolläbilaskvat membraani, mis eraldab kolloidse lahuse puhtast dispersioonikeskkonnast. Poolläbilaskvate (s.t. molekule ja ioone läbilaskvate, kuid dispergeeritud faasiosakesi mitteläbilaskvate) membraanidena kasutatakse pärgamenti, tsellofaani, kolloodiumi, keraamilisi filtreid ja muid peenpoorseid materjale. Difusiooni tulemusena satuvad väikese molekulmassiga lisandid välislahusesse.

Ultrafiltreerimine nimetatakse dialüüsiks, mis viiakse läbi rõhu all sisekambris. Põhimõtteliselt ei ole ultrafiltreerimine meetod soolide puhastamiseks, vaid ainult meetod nende kontsentreerimiseks.

Kolloidlahuste optilised omadused

Kui valgus langeb hajutatud süsteemile, võib täheldada järgmisi nähtusi:

• valguse läbimine süsteemist;
• valguse murdumine hajutatud faasiosakeste poolt (kui need osakesed on läbipaistvad);
• valguse peegeldumine hajutatud faasi osakeste poolt (kui osakesed on läbipaistmatud);
• valguse hajumine;
• imendumine ( valguse neeldumine) hajutatud faasis.

Valguse hajumine täheldatud süsteemide puhul, milles hajutatud faasiosakesed on langeva valguse lainepikkusega väiksemad või sellega võrreldavad. Tuletame meelde, et kolloidsetes lahustes on dispergeeritud faasi osakeste suurus 10 -7 -10 -9 m Järelikult on valguse hajumine meie uuritavatele kolloidsüsteemidele iseloomulik nähtus.

Rayleigh lõi valguse hajumise teooria. Ta tuletas võrrandi, mis seob hajutatud valguse intensiivsuse I langeva valguse intensiivsusega I 0 . õiglane tingimusel, et:

• osakesed on sfäärilise kujuga;
• osakesed ei juhi elektrit (st on mittemetallist);
• osakesed ei neela valgust, st on värvitud;
• kolloidne lahus on lahjendatud sedavõrd, et osakeste vaheline kaugus on suurem kui langeva valguse lainepikkus.

Rayleighi võrrand:

• Kus V - ühe osakese maht,
• λ - lainepikkus;
• n 1 - osakese murdumisnäitaja;
• n o - söötme murdumisnäitaja.

Rayleighi võrrandist tulenevad järgmised järeldused:

1. Mida rohkem erinevad osakese ja keskkonna murdumisnäitajad, seda suurem on hajutatud valguse intensiivsus. (n 1 - P 0 ).
2. Kui murdumisnäitaja P 1 Ja n 0 on samad, siis valguse hajumine ebahomogeenses keskkonnas puudub.
3. Mida suurem on osakontsentratsioon v, seda suurem on hajutatud valguse intensiivsus. Massi kontsentratsioon c, g/dm 3, mida tavaliselt kasutatakse lahuste valmistamisel, seostatakse osalise kontsentratsiooniga avaldisega:

kus ρ on osakeste tihedus.

Tuleb märkida, et see sõltuvus säilib ainult väikeste osakeste suuruse piirkonnas. Spektri nähtava osa puhul vastab see tingimus väärtustele 2 10–6 cm< r < 4 10 -6 см. С увеличением r рост I aeglustub ja kui r > λ, hajumine asendub peegeldusega. Hajutatud valguse intensiivsus on otseselt võrdeline kontsentratsiooniga.

4. Hajutatud valguse intensiivsus on pöördvõrdeline lainepikkusega kuni neljanda astmeni.

See tähendab, et kui valge valguskiir läbib kolloidset lahust, on lühikesed lained – spektri sinine ja violetne osa – valdavalt hajutatud. Seetõttu on värvitu sool hajutatud valguses sinakas ja läbiva valguse korral punakas. Taeva sinine värvus on tingitud ka valguse hajumisest atmosfääris olevate pisikeste veepiiskade poolt. Taeva oranž või punane värvus päikesetõusul või päikeseloojangul on tingitud sellest, et hommikul või õhtul liigub atmosfääri peamiselt valgus.

valguse neeldumine. Rayleighi võrrand tuletati värvimata soolide jaoks, st nende jaoks, mis ei neela valgust. Paljudel kolloidlahustel on aga teatud värvus, s.t. neelavad valgust spektri vastavas piirkonnas – sool värvub alati neelduvale täiendavas värvitoonis. Seega, neelates spektri sinist osa (435-480 nm), osutub sool kollaseks; sinakasrohelise osa (490-500 nm) neelamisel omandab punase värvuse.Kui kogu nähtava spektri kiired läbivad läbipaistvat keha või peegelduvad läbipaistmatult kehalt, näib läbipaistev keha värvitu ja läbipaistmatu keha valge. Kui keha neelab kiirgust kogu nähtavast spektrist, tundub see must.Valgust neelavate kolloidlahuste optilisi omadusi saab iseloomustada valguse intensiivsuse muutumisega süsteemi läbimisel. Selleks kasutage Bouguer-Lambert-Beeri seadust:

kus ma 0 - langeva valguse intensiivsus ; I jne- sooli läbiva valguse intensiivsus; k - neeldumistegur; l- soolikihi paksus; Koos- sooli kontsentratsioon.

Kui võtame avaldise logaritmi, saame:

Kogust nimetatakse optiline tihedus lahendus . Monokromaatilise valgusega töötades märkige alati, millisel lainepikkusel optiline tihedus määrati, tähistades seda D λ .

Mütsellaarne teooria kolloidsüsteemide ehitusest

Vaatleme hüdrofoobse kolloidosakese struktuuri, kasutades näidet AgI sooli moodustumisest vahetusreaktsiooni teel

AgNO 3 + KI → AgI + KNO 3.

Kui aineid võtta samaväärsetes kogustes, siis sadestub AgI kristalne sade. Kui aga üht lähteainet, näiteks KI-d, on liiga palju, põhjustab AgI kristallisatsiooniprotsess kolloidse lahuse - AgI mitsellide moodustumist.

AgI hüdrosoolmitselli struktuur on näidatud joonisel 10.4.

Joonis 10.4 – KI liiaga moodustunud AgI hüdrosoolmitselli skeem

100–1000 [mAgI] molekulist (mikrokristallidest) koosnev agregaat – tuum – on uue faasi tuum, mille pinnal toimub dispersioonikeskkonnas esinevate elektrolüütide ioonide adsorptsioon. Paneth-Faience reegli kohaselt adsorbeeruvad paremini ioonid, mis on samad ioonidega, mis sisenevad tuuma kristallvõresse ja lõpetavad selle võre. Otse tuumale adsorbeerunud ioone nimetatakse potentsiaali määrav, kuna need määravad potentsiaali suuruse ja pinnalaengu märgi, samuti kogu osakese laengu märgi. Potentsiaali määravad ioonid selles süsteemis on I - ioonid, mis on üleliigsed, on osa AgI tuuma kristallvõrest, toimivad stabilisaatoritena ja moodustavad sisemise kesta elektrilise kaksikkihi (DEL) jäigas osas. mitsell. Sellel adsorbeerunud I-ioonidega agregaat moodustab mitselli tuuma.

AgI osakeste negatiivselt laetud pinnale hüdraatunud iooni raadiuse lähedasel kaugusel tõmmatakse lahusest vastasmärgiga ioonid (vastasoonid) - positiivselt laetud K + ioonid. Vastuioonikiht on elektrilise topeltkihi (DEL) väliskest, mida hoiavad koos nii elektrostaatilised jõud kui ka adsorptsiooni atraktiivsed jõud. Molekulide agregaati koos tahke kaksikkihiga nimetatakse kolloidosakeseks - graanuliks.

Termilise liikumise tõttu paiknevad osa vastasioone hajusalt ümber graanuli ja on sellega seotud ainult elektrostaatiliste jõudude mõjul. Kolloidosakesi koos neid ümbritseva hajutatud kihiga nimetatakse mitselliks. Mitsell on elektriliselt neutraalne, kuna tuuma laeng on võrdne kõigi vastasioonide laenguga ja graanulil on tavaliselt laeng, mida nimetatakse elektrokineetiliseks või ξ - zeta potentsiaaliks. Lühendatud kujul saab selle näite mitsellistruktuuri diagrammi kirjutada järgmiselt:

Kolloidosakeste struktuuri teooria üks peamisi sätteid on kahekordse elektrikihi (EDL) struktuuri kontseptsioon. Kaasaegsete ideede kohaselt elektriline kahekihiline DESkoosneb adsorptsiooni- ja difusioonikihtidest. Adsorptsioonikiht koosneb:

• mitselli südamiku laetud pind sellel olevate potentsiaali määravate ioonide adsorptsiooni tulemusena, mis määravad pinnapotentsiaali suuruse ja selle märgi;
• vastasmärgiga ioonide kiht - vastasioonid, mis tõmbavad lahusest laetud pinnale. Vastuioonide adsorptsioonikiht mis asub laetud pinnast molekuliraadiuse kaugusel. Selle pinna ja adsorptsioonikihi vastasioonide vahel eksisteerivad nii elektrostaatilised kui ka adsorptsioonijõud ning seetõttu on need vastasioonid eriti tihedalt seotud südamikuga. Adsorptsioonikiht on väga tihe, selle paksus on konstantne ega sõltu välistingimuste muutustest (elektrolüütide kontsentratsioon, temperatuur).

Soojusliikumise tõttu tungivad osa vastasioonidest sügavale dispersioonikeskkonda ja nende külgetõmbumine graanuli laetud pinnale toimub ainult elektrostaatiliste jõudude toimel. Need vastasioonid moodustavad hajutatud kihi, mis on pinnaga vähem tihedalt seotud. Difuusne kiht on muutuva paksusega, mis sõltub elektrolüütide kontsentratsioonist dispersioonikeskkonnas.

Kui tahke ja vedel faas liigub üksteise suhtes, tekib hajusosas EDL-i rebend ja liideses potentsiaalne hüpe, mis on nn. elektrokineetiline ξ - potentsiaal(zeta potentsiaal). Selle väärtuse määrab potentsiaali määravate ioonide laengute koguarvu (φ) ja adsorptsioonikihis sisalduvate vastasioonilaengute arvu (ε) vahe, s.o. ξ = φ - ε. Liidese potentsiaali langus kaugusega tahkest faasist sügavamale lahusesse on näidatud joonisel 10.5.

Joonis 10.5 Diiselelektrijaama ehitus

Potentsiaalsete erinevuste olemasolu hüdrofoobse sooli osakeste ümber ei lase neil kokkupõrkel kokku kleepuda, see tähendab, et need on teguriks sooli agregaadi stabiilsuses. Kui difuussete ioonide arv väheneb või kipub nulli, muutub graanul elektriliselt neutraalseks (isoelektriline olek) ja on madalaima stabiilsusega.

Seega määrab elektrokineetilise potentsiaali suurus kolloidlahuse tõukejõud ja sellest tulenevalt ka agregaadi stabiilsuse. Kolloidlahuse piisav stabiilsus on tagatud elektrokineetilise potentsiaali väärtusel ξ = 0,07 V väärtustel, mis on väiksemad kui ξ = 0,03 V, tõukejõud on liiga nõrgad, et agregatsioonile vastu seista ja seetõttu toimub koagulatsioon, mis paratamatult lõpeb settimisega; .

Elektrokineetilise potentsiaali väärtuse saab määrata elektroforeesiseadme abil valemiga (10.5):

kus η on viskoossus; ϑ - osakeste liikumise kiirus; l on elektroodide vaheline kaugus piki lahust; E - elektromotoorjõud, D - dielektriline konstant.

ξ-potentsiaali mõjutavad tegurid:

1. Ükskõikse elektrolüüdi olemasolu lahuses - elektrolüüt, mis ei sisalda potentsiaali määravat iooni.

• Ükskõikne elektrolüüt sisaldab vastasiooni. Sel juhul toimub difusioonikihi kokkusurumine ja ξ langeb ning selle tagajärjel koagulatsioon.
• Ükskõikne elektrolüüt sisaldab vastasiooniga sama märgiga iooni, kuid mitte vastasiooni ennast. Sel juhul toimub ioonivahetus: vastasioon asendatakse ükskõikse elektrolüüdi ioonidega. Täheldatakse ξ langust, kuid languse määr sõltub asendusiooni olemusest, selle valentsist ja hüdratatsiooniastmest. Lüotroopsed katioonide ja anioonide read on read, milles ioonid on paigutatud vastavalt nende võime suurenemisele hajuskihti kokku suruda ja põhjustada ξ-potentsiaali langust.

Li + - Na + - NH 4 + - K + - Rb + - Cs + - Mg 2+ - Ca 2+ - Ba 2+ ...

CH 3 COO – – F – – NO 3 – – Cl – – I – – Br – – SCN – – OH – – SO 4 2–

2. Lahuse lisamine elektrolüüdi stabilisaator– potentsiaaliga määratud iooni sisaldav elektrolüüt põhjustab ξ - potentsiaali suurenemist, mis tähendab, et see aitab kaasa kolloidsüsteemi stabiilsusele, kuid teatud piirini.

Kolloidsüsteemide stabiilsus ja koagulatsioon

Kaasaegse kolloidsüsteemide stabiilsuse ja koagulatsiooni teooria on loonud mitmed kuulsad teadlased: Deryagina, Landau, Verwey, Overbeck ja seetõttu on seda lühendatud. DLFO teooria . Selle teooria kohaselt määrab hajutatud süsteemi stabiilsuse külgetõmbe- ja tõukejõudude tasakaal, mis tekivad osakeste vahel, kui nad Browni liikumise tulemusena üksteisele lähenevad. Eristatakse kolloidsüsteemide kineetilist ja agregeeritud stabiilsust.

1. Kineetiline (settimis) stabiilsus- dispergeeritud osakeste võime olla suspensioonis ja mitte settida (mitte settida). Hajussüsteemides, nagu ka looduslikes lahendustes, eksisteerib Browni liikumine. Browni liikumine sõltub osakeste suurusest, dispergeeritud keskkonna viskoossusest, temperatuurist jne. Peendispergeeritud süsteemid (soolid), mille osakesed gravitatsiooni mõjul praktiliselt ei setti, liigitatakse kineetiliselt (settimis) stabiilseteks. Nende hulka kuuluvad ka hüdrofiilsed soolid – polümeeride, valkude jne lahused. Hüdrofoobsed soolid ja jämedad süsteemid (suspensioonid, emulsioonid) on kineetiliselt ebastabiilsed. Nendes toimub faasi ja keskkonna eraldumine üsna kiiresti.
2. Kogu stabiilsus- dispergeeritud faasiosakeste võime säilitada teatud dispersiooniaste muutumatuna. Agregatsioonikindlates süsteemides ei kleepu hajutatud faasi osakesed kokkupõrgete ajal kokku ega moodusta agregaate. Kuid kui agregaadi stabiilsust rikutakse, moodustavad kolloidosakesed suuri agregaate, millele järgneb hajutatud faasi sadenemine. Seda protsessi nimetatakse koagulatsioon, ja see kulgeb spontaanselt, kuna sel juhul süsteemi vaba energia väheneb (Δ G<0) .

Kolloidsüsteemide stabiilsust mõjutavad tegurid on järgmised:

1. Dispergeeritud osakeste elektrilaengu olemasolu. Lüofoobsete soolide hajutatud osakestel on sama laeng ja seetõttu tõrjuvad nad põrkudes üksteist, mida tugevamalt, seda suurem on zeta potentsiaal. Elektriline tegur ei ole aga alati määrav.
2. Stabiliseerivate ioonide lahustamise (hüdratatsiooni) võime. Mida rohkem on hüdraatunud (solvaatunud) vastasioone difuusses kihis, seda suurem on graanulite ümber olev koguhüdratatsiooni (solvaadi) kest ja seda stabiilsem on dispergeeritud süsteem.

Teooria kohaselt lähenevad kolloidosakesed Browni liikumise ajal üksteisele vabalt kuni 10 kaugusel. -5 Vt kolloidosakeste vahelise van der Waalsi tõmbejõudude (1) ja elektrostaatiliste tõukejõudude (2) muutumise olemust on näidatud joonisel fig. 10.6. Saadud kõver (3) saadakse vastavate ordinaatide geomeetrilise liitmise teel. Minimaalsetel ja suurtel vahemaadel valitseb osakeste vahel külgetõmbeenergia (I ja II energiamiinimumid). Energiamiinimum II korral on osakeste kohesioonienergia ebapiisav, et hoida neid agregeeritud olekus. Elektrilise kaksikkihi paksusele vastavatel keskmistel kaugustel domineerib tõukeenergia koos potentsiaalse barjääriga AB, mis takistab osakeste kokkukleepumist. Praktika näitab, et zeta potentsiaali ξ = 70 mV korral iseloomustab kolloidsüsteeme kõrge potentsiaaliga barjäär ja kõrge agregatsiooni stabiilsus. Kolloidsüsteemi destabiliseerimiseks, s.o. hüübimisprotsessi rakendamine, on vaja vähendada - potentsiaal kuni väärtusteni 0 - 3 mV.

Joonis 10.6. Kolloidosakeste potentsiaalse interaktsiooni kõverad

Dispergeeritud süsteemide koagulatsioon

Koagulatsioon on kolloidsete osakeste kokkukleepumise protsess. See protsess kulgeb suhteliselt kergesti erinevate tegurite mõjul: elektrolüütide, mitteelektrolüütide sisseviimine, külmutamine, keetmine, segamine, kokkupuude päikesevalgusega jne. elektrolüütiline koagulatsioon (elektrolüütide mõjul) Tihti täheldatakse ioonivahetuse adsorptsiooni: kõrgema valentsi või suurema adsorptsioonipotentsiaaliga koagulandiioonid tõrjuvad välja vastasioonid, esmalt hajuskihist ja seejärel adsorptsioonikihist. Vahetus toimub samaväärses koguses, kuid vastasioonide asendamine viib selleni, et piisava elektrolüütide kontsentratsiooni korral dispergeeritud keskkonnas kaotavad osakesed stabiilsuse ja kleepuvad kokkupõrkel kokku.

Elektrolüütilise koagulatsiooni jaoks on kehtestatud mitmeid eksperimentaalseid üldreegleid:

1. Lüofoobsete soolide koagulatsiooni põhjustavad mis tahes elektrolüüdid, kuid märgatava kiirusega täheldatakse seda teatud elektrolüüdi kontsentratsiooni saavutamisel. Koagulatsioonilävi(C to) on minimaalne elektrolüüdi kontsentratsioon, mis on vajalik sooli koagulatsiooni alustamiseks. Sel juhul täheldatakse väliseid muutusi, nagu lahuse hägusus, selle värvuse muutus jne.

• kus Sel on elektrolüüdi molaarne kontsentratsioon, mmol/l;
• Vel - elektrolüüdi lahuse maht, l;
• Vz - sooli maht, l.

Koagulatsiooniläve pöördväärtust nimetatakse elektrolüüdi koagulatsioonivõimeks ():

kus Sk on hüübimislävi.

2. Schultz-Hardy reegel:

• koaguleeriv toime avaldub ioonil, mille laeng on märgilt vastupidine kolloidosakeste pinna laengule (graanuli laeng), ja see toime suureneb iooni valentsi suurenedes;
• Ioonide koaguleeriv toime suureneb ioonide valentsi suurenedes mitu korda. Ühe-kahe- ja kolmevalentsete ioonide puhul on koaguleeriv toime ligikaudu 1:50:500.

See on seletatav asjaoluga, et mitmevalentsed kõrge laenguga koagulant-ioonid tõmbavad kolloidosakese laetud pind palju tugevamini ligi kui monovalentsed ning tõrjuvad vastasioonid difuussest ja ühtlasest adsorptsioonikihist palju kergemini välja.

3. Orgaaniliste ioonide koaguleeriv toime on palju suurem kui anorgaaniliste ioonide oma. See on tingitud nende suurest adsorptsioonivõimest, võimest adsorbeeruda üle-ekvivalentsetes kogustes ning samuti põhjustada kolloidosakeste pinna taaslaadimist.

4. Paljude samade laengutega anorgaaniliste ioonide koagulatsioonivõime sõltub koagulandiiooni raadiusest: mida suurem on raadius, seda suurem on koagulatsioonivõime (vt. lüotroopne seeria). Seda seletatakse asjaoluga, et ioonide hüdratatsiooni aste väheneb näiteks L +-lt Cs +-le ja see hõlbustab selle liitumist ioonse kaksikkihiga.

5. Lüofoobsete kolloidsoolide elektriliselt neutraalsed osakesed koaguleeruvad suurimal kiirusel.

6. Soolisõltuvuse fenomen. Kui soolile lisatakse kiiresti koagulant, siis toimub koagulatsioon, kuid kui seda lisada aeglaselt, siis koagulatsiooni ei toimu. Seda saab seletada asjaoluga, et elektrolüüdi ja sooli vahel toimub reaktsioon, mille tulemusena moodustuvad peptisaatorid, mis stabiliseerivad hajutatud süsteemi:

Fe (OH) 3 + HCl → FeOCl + 2H 2 O,

FeOCl → FeO + + Cl - ,

kus FeO + on Fe (OH) 3 soli peptiseeriv aine.

Elektrolüütide segu koaguleeriv toime avaldub sõltuvalt iooni - koagulaatori - olemusest erinevalt. Elektrolüütide segus võib toime kokku võtta iga elektrolüüdi koaguleeriva toimega. Seda nähtust nimetatakse liitlikkus ioonid (NaCl, KCl). Kui elektrolüütide ioonide koaguleeriv toime väheneb teise elektrolüüdi ioonide sissetoomisega, ioonide antagonism (LiCl, MgCl 2 ). Juhul, kui elektrolüüdiioonide koaguleeriv toime suureneb koos mõne teise elektrolüüdi ioonide sissetoomisega, nimetatakse seda nähtust nn. sünergia ioonid.

Näiteks 10 ml 10% NaCl lahuse lisamine 10 ml Fe (OH) 3 sooli põhjustab selle sooli koagulatsiooni. Kuid seda saab vältida, kui soolilahusele lisatakse täiendavalt üht kaitseainet: 5 ml želatiini, 15 ml munaalbumiini, 20 ml dekstriini.

Kolloidosakeste kaitse

Kolloidne kaitse- sooli agregaadi stabiilsuse suurendamine, lisades sellesse suure molekulmassiga ühendit (HMC). Hüdrofoobsete soolade puhul kasutatakse BMC-dena tavaliselt valke, süsivesikuid ja pektiine; mittevesilahuste jaoks - kummid.

IUD kaitsev toime on seotud teatud adsorptsioonikihi moodustumisega kolloidosakeste pinnal (joonis 10.7). Koagulatsiooni vastupidist nähtust nimetatakse peptiseerimiseks.

Joonis 10.7 Peptiseerimismehhanism

Erinevate spiraalide kaitsva toime iseloomustamiseks tegi Zsigmondy ettepaneku kasutada kuldset numbrit.Kuldne number- see on spiraali milligrammide arv, mis tuleb lisada 10 cm-le 3 0,0006% punase kulla sool, et vältida selle siniseks muutumist (koagulatsiooni) 1 cm lisamisel 3 10% NaCl lahus. Mõnikord kasutatakse IUD-de kaitsva toime iseloomustamiseks kullasooli asemel hõbeda (hõbedaarv), raudhüdroksiidi (raudarv) jne kolloidseid lahuseid.Tabelis 10.2 on näidatud nende numbrite väärtused mõnede IUD-de puhul.

Tabel 10.2 IUD kaitsev toime