Лекция 6. Коллоидные растворы. Методы их получения. Очистка золей.
Коллоидные растворы (золи) Коллоидное состояние характерно для многих веществ, если их частицы имеют размер от 10?7 до 10?5 см. Суммарная их поверхность огромна, и она обладает поверхностной энергией, за счет которой может адсорбировать частицы из раствора. Образующаяся коллоидная частица называ-ется мицеллой. Она имеет сложное строение и состоит из ядра, адсорбированных ио-нов, противоионов. Если растворитель взаимодействует с ядром частицы, то образуют-ся лиофильные коллоиды, если не взаимодействует – то лиофобные коллоиды.
Методы получения коллоидных растворов Так как коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными систе-мами и истинными растворами, то их можно получать двумя различными путями:
1) из грубодисперсных систем путем дробления – это методы диспергирования;
Методы диспергирования:
— Механическое измельчение — заключается в энергичном и длительном растирании, размалывании или распылении дисперсной фазы и смешивании его с дисперсионной средой. Для устойчивости образующегося золя добавляется стабилизатор. Дробление осуществляют с помощью коллоидных мельниц, вальцов, ступок и т.п.
— Электрическое диспергирование – состоит в получении золей металлов при контакте двух металли-ческих электродов при пропускании через них тока силой 5 – 10 А и напряжением на электродах 100 В. В области возникшей дуги отрываются частицы от электродов, поступают в среду и образуют золь. Так получают гидрозоли серебра, платины, золота. Их используют в медицине как антисептические лекарственные вещества.
— Диспергирование ультразвуком – используют для дробления непрочных веществ с помощью ульт-развуковых колебаний с частотой выше 20000 Гц.
— Пептизация – переход в коллоидный раствор осадков под влиянием дисперсионной среды, содер-жащей пептизатор. Пептизации поддаются только свежие осадки, они легко переходят в золь, а ста-рые, как правило, не пептизируются. Пептизацию можно наблюдать при «восстановлении» сухого молока, где пептизатором является белок.
2) из истинных растворов в результате объединения атомов и молекул в агрегаты коллоидной степени дисперсности – методы конденсации.
Конденсационные методы:
— Метод замены растворителя (физическая конденсация) – основан на замене одного растворителя другим. Если истинный раствор поваренной соли в этиловом спирте по каплям добавлять в эфир, то образуется золь поваренной соли в эфире. При этом ионы Na+ и Cl? образуют коллоидные частицы из-за плохой растворимости хлорида натрия в эфире.
— Метод химической конденсации сводится к образованию молекул нерастворимых веществ с после-дующей их конденсацией до размеров коллоидных частиц. При этом могут использоваться реакции обмена, гидролиза, окисления – восстановления.
Очистка золей. После получения золей коллоидных растворов их необходимо очищать от электро-литов, которые понижают их устойчивость и мешают изучению их свойств. Очистку золей проводят методом диализа, а используемые для этого устройства называ-ют диализаторами. В них имеется полупроницаемая перегородка, через которую проходят ионы и молекулы низкомолекулярных веществ, но задерживаются крупные по размеру коллоидные частицы. Для ускорения этого процесса применяют электрическое поле и устройства называют-ся электродиализаторами. Диализ применяют для очистки пищевого желатина, клея, красителей, целлюлозы, для удаления солей из молочной сыворотки с целью сохранения в ней лактозы и протеи-нов. Диализ наблюдается при вымачивании соленого мяса и рыбы. Метод отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды фильтрованием коллоидных растворов через полупроницаемые мембраны называется ультрафильтрацией. Для этих целей используют также центрифуги и ультрацентрифуги. Центрифугирование, например, применяется для сепариро-вания молока, отделения мелкокристаллических осадков и т.п.
Вопросы и задания для самоподготовки:
1. Что такое коллоидные растворы, лиофильные и лиофобные коллоиды?
Источник
МЕТОДЫ ОЧИСТКИ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ
Приготовленные золи необходимо очищать от содержащихся в них примесей электролитов. Электролиты понижают устойчивость золи и мешают изучению его свойств. Для очистки золей от примесей электролитов применяют несколько методов: диализ, электродиализ, ультрафильтрация, электроультрафильтрация, ультрацентрифу-гирование.
Диализ осуществляется в специальных установках – диализаторах, имеющих полупроницаемые мембраны, через которые свободно проходят ионы и молекулы дисперсионной среды, но задерживаются более крупные по размеру коллоидные частицы. Коллоидная система контактирует через полупроницаемую мембрану с растворителем, при этом происходит диффузия ионов через мембрану в растворитель. Периодически меняя растворитель, можно добиться достаточно глубокой очистки коллоидной системы. Диализ протекает очень медленно. Процесс ускоряется под действием электрического поля и применения проточной воды. Подобные усовершенствованные установки называются электродиализаторами.
Ультрафильтрацию проводят через полупроницаемые мембраны под давлением или создают разряжение для ее ускорения. При этом дисперсная фаза остается на фильтре, а дисперсионная среда с ионами образует фильтрат. Дисперсную фазу вновь можно перевести в другую чистую дисперсионную среду и получить очищенный золь. Ультрафильтрацию можно комбинировать с электродиализом. Этот комбинированный метод очистки получил название элек-троультрафильтрация.
Отделение дисперсной фазы от дисперсионной среды, содер-жащей примеси ионов, можно осуществлять в ультрацентрифугах, ротор которых вращается со скоростью 60000 об/мин и выше. Кювета содержит всего 0,5 мл коллоидного раствора. После осаждения дисперсионную среду осторожно удаляют из кюветы и вносят в нее чистую дисперсионную среду. В современных ультрацентрифугах оседают не только частицы лиофобных золей, но и молекулы белков и другие высокомолекулярные вещества.
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ
Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем связаны с движением частиц дисперсной фазы. Наиболее важными свойствами являются броуновское движения, диффузия, осмос и мембранное равновесие Доннана.
БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
Броуновское движение – это беспорядочное, непрекращающееся движение частиц дисперсной фазы, вызываемое тепловым движе-нием молекул дисперсионной среды. Оно впервые описано английским ботаником Р.Броуном (1827).
Интенсивность броуновского движения зависит только от температуры, вязкости среды и от размеров частиц. А.Эйнштейном и М.Смолуховским предложено уравнение для определения среднего значения среднеквадратичного смещения 
шарообразной частицы в определенном, но произвольно выбранном направлении:
= 
t,
где R – универсальная газовая постоянная; Т – температура золя, К; 
– вязкость дисперсионной среды; r – радиус частицы; NА – число Авогадро; t – время наблюдения.
Вследствие беспорядочности движения необходимо усреднять не сами смещения или их проекции, а квадраты этих величин, так как смещения одинаковой величины, но противоположные по знаку, равновероятны и при усреднении дают нуль.
ДИФФУЗИЯ
Диффузия – это самопроизвольный процесс переноса вещества в объеме, приводящий к установлению равновесного распределения концентраций в результате беспорядочного теплового движения частиц дисперсной фазы. Диффузия заканчивается с достижением равномерного распределения частиц по объему. Следовательно, она возможна только в системах, где имеется градиент концентрации. Процесс диффузии подчиняется закону Фика, который описывается следующим математическим уравнением:
dm = –D 
,
где dm – масса переместившегося вещества; S – площадь сечения, через которое идет диффузия; dt – время; dC/dx – градиент концентрации в направлении переноса вещества; D – коэффициент диффузии.
Коэффициент диффузии для шарообразных частиц определяется соотношением:
D = 
,
где k – постоянная Больцмана; Т – температура; – вязкость среды; r – радиус частицы.
Из последней формулы видно, что коэффициент диффузии, характеризующий скорость диффузии, обратно пропорционален размеру диффундирующих частиц. По этой причине скорость диффузии коллоидных частиц в сотни и тысячи раз меньше, чем скорость диф-фузии в молекулярно (ионно)-дисперсных системах. Определив величину D опытным путем, из формулы для коэффициента диффузии можно найти размер коллоидных частиц.
Диффузия играет важную роль во многих технологических процессах: дублении кожи, выделке меха, крашении тканей и другие. Подчеркивая роль процесса диффузии, коллоидный раствор, образующийся после извлечения сахарозы из сахарной свеклы, называют диффузионным соком.
ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ
В коллоидных системах, как и в молекулярно-дисперсных системах, наблюдается явление осмоса. Однако оно менее выражено в коллоидных системах. Например, осмотическое давление 1%-ного раствора сахарозы достигает 6,4∙10 4 Па, а осмотическое давление 1%-ного золя As2S3 при той же температуре составляет всего3,5 Па.
Осмотическое давление в коллоидных системах вычисляется по уравнению:
Росм= 
,
где 
– число коллоидных частиц в объеме V; NА – число Авогадро (NА=6,02∙10 23 ); R – универсальная газовая постоянная; Т – темпера-тура коллоидной системы. Отношение /(VNА) дает молярную концентрацию коллоидных частиц в системе.
Небольшое осмотическое давление коллоидных систем позволяет провести процессы очистки различных растворов от содержания в них коллоидных частиц методом обратного осмоса. При этом к растворам, содержащим коллоидные частицы, прилагается внешнее давление, которое выше осмотического давления, вычисленного по приведенному выше уравнению. Дисперсионная среда проходит через полупроницаемую мембрану в другую ее сторону, очищаясь от коллоидных частиц.
Обратный осмос используют и в случае, когда необходимо концентрировать коллоидный раствор путем удаления из него растворителя.
Источник
Московский государственный университет печати
Полимеры и коллоидные системы
Учебное пособие
| В. Ю. Конюхов Полимеры и коллоидные системы | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| Начало | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| Печатный оригинал | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| Об электронном издании | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| Оглавление | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| При получении коллоидных растворов тем или иным методом, особенно с помощью химических реакций, практически невозможно точно предусмотреть необходимое точное количество реагентов. По этой причине в образовавшихся золях может присутствовать чрезмерный избыток электролитов, что снижает устойчивость коллоидных растворов. Для получения высокоустойчивых систем и для изучения их свойств золи подвергают очистке как от электролитов, так и от всевозможных других низкомолекулярных примесей. Очистку коллоидных растворов можно проводить либо методом диализа, либо ультрафильтрацией. Диализ заключается в извлечении из золей низкомолекулярных веществ чистым растворителем с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны), через которую не проходят коллоидные частицы. Периодически или непрерывно сменяя растворитель в приборе для диализа — диализаторе, можно практически полностью удалить из коллоидного раствора примеси электролитов и низкомолекулярных неэлектролитов. Недостатком метода является большая длительность процесса очистки (недели, месяцы). Электродиализ — это процесс диализа, ускоренный путем применения электрического тока. Прибор для его осуществления называют электродиализатором. Простейший электродиализатор представляет собой сосуд, разделенный двумя мембранами на три камеры. В среднюю камеру наливают подлежащий очистке коллоидный раствор. В боковые камеры помещают электроды от источника постоянного тока и обеспечивают подвод и отвод растворителя (воды). Под действием электрического поля происходит перенос катионов из средней камеры в катодную камеру, анионов — в анодную. Раствор в средней камере может быть в течение короткого времени (минуты, часы) очищен от растворенных солей. Ультрафильтрация — фильтрование коллоидного раствора через полупроницаемую мембрану, пропускающую дисперсионную среду с низкомолекулярными примесями и задерживающую частицы дисперсной фазы или макромолекулы. Для ускорения процесса ультрафильтрации ее проводят при перепаде давления по обе стороны мембраны: под разряжением (вакуумом) или под повышенном давлении. Вакуум создают откачиванием воздуха из расположенного под фильтром сосуда, повышенное давление — нагнетанием воздуха в сосуд, расположенный над фильтром. Для предотвращения разрыва мембраны ее помещают на твердую пористую пластинку. Ультрафильтрация позволяет скорее отделить от коллоидного раствора электролиты и другие примеси (низкомолекулярные органические соединения), чем это происходит при диализе. При ультрафильтрации достигают высокой степени очистки золя, периодически разбавляя последний водой. На конечной стадии путем отсасывания дисперсионной среды можно сконцентрировать коллоидный -раствор. Ультрафильтрация может применяться в сочетании с электродиализом (электроультрафильтрация), благодаря чему значительно ускоряется удаление солей из коллоидного раствора. Поскольку поры обычной фильтровальной бумаги легко пропускают коллоидные частицы, при ультрафильтрации в качестве мембраны применяют специальные фильтры (целлофан, пергамент, асбест, керамические фильтры и т.п.). Применение мембраны с определенным размером пор позволяет разделить коллоидные частицы на фракции по размерам и ориентировочно определить эти размеры. Так были найдены размеры некоторых вирусов и бактериофагов. Все это говорит о том, что ультрафильтрация является не только методом очистки коллоидных растворов, но может быть использована для целей дисперсионного анализа и препаративного разделения дисперсных систем. © Центр дистанционного образования МГУП Источник | ||||||||||||||||||||||||||||||||
