Лекція 2 «Колоїдні системи»
2. Старіння золів та пептизація
3. Кінетична стійкість золів. Седиментація
4. Очищення колоїдних систем
5. Оптичні властивості колоїдних систем
СР Білки як колоїди (Болдирєв А.І. стор. 336)
1. Коагуляція ліофобних колоїдів
Ліофобні колоїди є термодинамічно нестійкими системами, їм властиві процеси адсорбції та коагуляції.
Коагуляція золю – це процес укрупнення частинок дисперсної фази.
Седиментація - це осадження під впливом сили тяжіння.
Коагуляція золів може бути викликана різними факторами:
- механічним впливом тощо.
Найбільш важливим та вивченим фактором коагуляції гідрофобних колоїдів є вплив на них розчинів електролітів. І тут відбувається нейтралізація зарядів колоїдних частинок іонами електроліту.
Для коагуляції золів електролітами встановлено низку емпіричних закономірностей.
1. Для початку коагуляції золю необхідна деяка мінімальна концентрація електроліту, яка називається порогом коагуляції (моль/л).
2.Коагулююча діямає той з іонів електроліту, заряд якого протилежний заряду колоїдних частинок, причому коагулююча дія іона тим сильніша, чим більше його заряд (правило Шульце - Гардіабо правило значущості), тобто. коагулююча дія іонів у багато разів посилюється з підвищенням їхньої валентності. Для одно-, двох-тривалентних іонів коагулююча сила відноситься як 1:50:500.
Правило значущості має наближений характері і справедливе лише для неорганічних іонів; деякі однозарядні органічні іони мають більш сильну коагулюючу дію, ніж двозарядні неорганічні іони, що обумовлено їх сильноюспецифічною адсорбованістю.
3. У рядах неорганічних іонів з однаковими зарядами коагулююча дія зростає із зменшенням гідратованості іонів; наприклад, у ряді однозарядних катіонів лужних металів коагулююча дія зростає від літію до рубідії:
γ (Li +) & gt; γ (Na + ) > γ (К + ) > γ (Rb + )
Ряди, в які згруповані за зростанням або за спаданням коагулюючої дії іони з однаковим зарядом, називаютьліотропними рядами.
4. В опадах, одержуваних при коагуляції золів електролітами, завжди є іони, що викликали коагуляцію.
5. При коагуляції золів сумішами електролітів порівняно рідко спостерігається їх незалежна (адитивна) дія; зазвичай має місце взаємне посилення чи ослаблення коагулюючого впливу (синергізмчиантагонізміонів).2. Старіння золів та пептизація
Термодинамічна нестійкість ліофобних колоїдних систем є причиною старіння золів – мимовільної коагуляції (автокоагуляції) золів. Автокоагуляція золів відбувається значно повільніше, ніж коагуляція електролітами; так, золі золота можуть зберігатися без видимих змін десятиліттями. Однією з основних причин старіння золів є процес перекристалізації речовини ядра, що повільно відбувається.
Пептизацією(дезагрегацією) називається процес розщеплення коагулюючого золя (коагулята) на первинні частинки - процес, протилежний коагуляції. Пептизація можлива лише тоді, коли структура частинок у коагуляті не змінена порівняно з початковою (тобто коли ще не відбулося повного зрощування частинок і вони слабко пов'язані один з одним). Розрізняють безпосередню та опосередковану пептизацію.
Безпосередняпептизаціявідбувається в результаті додавання до коагуляту електроліту, що містить потенціалозначальний іон; в результаті його специфічної адсорбції на поверхні частинок дисперсної фази їхній заряд знову збільшується, товщина подвійного електричного шару зростає. Це призводить до того, що сили відштовхування між частинками починають переважати над силами тяжіння; відбувається деагрегація - розпад агрегату, що утворився раніше, з злиплих частинок.
Опосередкована пептизаціявикликається додаванням у систему речовини, хімічна взаємодія якого з поверхнею коагуляту призводить до вивільнення потенціаловизначальних іонів. Наприклад, коагулюючий золь гідроксиду заліза(III) може бути пептизований додаванням до системи або будь-якої солі заліза (безпосередня пептизація), або соляної кислоти (опосередкована пептизація).
3. Кінетична стійкість золів. Седиментація
Частинки дисперсної фази одночасно зазнають дії сили земного тяжіння та архімедової сили; Залежно від співвідношення щільностей дисперсійної середовища проживання і дисперсної фази рівнодіюча цих сил змушуватиме частки до осідання чи спливанню. Процес осідання або спливання колоїдних частинок у золі називається седиментацією. Однак седиментації завжди протидіє інший процес, що прагне рівномірного розподілу колоїдних частинок по всьому об'єму розчину -дифузія, що здійснюється під дієюброунівського руху частинок. Співвідношення між цими двома процесами визначає кінетичну стійкість золів - здатність колоїдних частинок утримуватися у зваженому стані, не піддаючись седиментації.
4. Очищення колоїдних систем
Деякі молекулярно-кінетичні властивості колоїднихсистем використовують для очищення золів від електролітів та молекулярних домішок, якими отримані золі часто бувають забруднені. Найбільш поширеними методами очищення колоїдних систем єдіаліз,електродиалізтаультрафільтрація, засновані на властивості деяких матеріалів - т.зв. напівпроникних мембран (колодія, пергаменту, целофану тощо) – пропускати іони та молекули невеликих розмірів та затримувати колоїдні частинки. Всі напівпроникні мембрани є пористими тілами, і непроникність їх для колоїдних частинок обумовлена тим, що коефіцієнт дифузії для колоїдних частинок значно (на кілька порядків) менше, ніж для іонів і молекул, що мають набагато менші масу і розміри.
Прилад для очищення золів методом діалізу називається діалізатором; Найпростіший діалізатор являє собою посудину, нижній отвір якого затягнуто напівпроникною мембраною. Золь наливають у посудину і поміщають останній у ємність з дистильованою водою (зазвичай проточною); іони і молекули домішок дифундують через мембрану розчинник.
Ще одним методом очищення золів є ультрафільтрація – відокремлення дисперсної фази від дисперсійного середовища шляхом фільтрування під тиском через напівпроникні мембрани. При ультрафільтрації колоїдні частинки залишаються на фільтрі (мембрані).
5. Оптичні властивості колоїдних систем
Особливі оптичні властивості колоїдних розчинів обумовлені їх головними особливостями:дисперсністютагетерогенністю. На оптичні властивості дисперсних систем значною мірою впливають розмір та форма частинок. Проходження світла через колоїдний розчин супроводжується такими явищами, як поглинання, відбиття, заломлення та розсіювання світла.Переважання якогось із цих явищ визначається співвідношенням між розміром частинок дисперсної фази і довжиною хвилі падаючого світла. Угрубодисперсних системахпереважно спостерігаєтьсявідображеннясвітла від поверхні частинок. Уколоїдних розчинахрозміри частинок можна порівняти з довжиною хвилі видимого світла, що визначаєрозсіюваннясвітла за рахунок дифракції світлових хвиль.
Світлорозсіювання в колоїдних розчинах проявляється у вигляді опалесценції - матового світіння (зазвичай блакитних відтінків), яке добре помітне на темному тлі при бічному освітленні золю. Причиною опалесценції є розсіювання світла на колоїдних частинках рахунок дифракції. З опалесценцією пов'язане характерне для колоїдних систем явище -ефектТиндаля: при пропусканні пучка світла через колоїдний розчин з напрямків, перпендикулярних до променя, спостерігається утворення в розчині конуса, що світиться.
Процес дифракційного світлорозсіювання на частинках, розмір яких значно менше довжини хвилі описуєтьсярівняннямРелея, що зв'язує інтенсивність розсіяного одиницею об'єму світла I з числом частинок в одиниці об'єму ν, об'ємом частинки V, довжиною хвилі λ та амплітудою А падаючого випромінювання та показниками заломлення дисперсної фази та дисперсійного середовища n1 і n2 відповідно:
З рівняння видно, що чим менше довжина хвилі падаючого випромінювання, тим більше буде розсіювання. Отже, якщо на частинку падає біле світло, найбільше розсіювання випробовуватимуть сині та фіолетові компоненти. Тому в світлі колоїдний розчин буде пофарбований в червонуватий колір, а в бічному, відбитому - в блакитний.
В порівнянні інтенсивності світлорозсіювання золів, один з яких має відому концентрацію(ступінь дисперсності), заснований спосіб визначення концентрації чи ступеня дисперсності золя, званийнефелометрией. На використанні ефекту Тіндаля ґрунтуєтьсяультрамікроскоп– прилад, що дозволяє спостерігати колоїдні частинки розміром більше 3 нанометрів у розсіяному світлі (у звичайному мікроскопі можна спостерігати частинки з радіусом не менше 200 нм через обмеження, пов'язані з роздільною здатністю оптики) .