Лекция 2 "Колоидни системи"
2. Сол стареене и пептизация
3. Кинетична стабилност на золите. Утаяване
4. Пречистване на колоидни системи
5. Оптични свойства на колоидните системи
SR Протеини като колоиди (Boldyrev A.I. стр. 336)
1. Коагулация на лиофобни колоиди
Лиофобните колоиди са термодинамично нестабилни системи, характеризиращи се с процеси на адсорбция и коагулация.
Коагулацията на зола е процесът на уголемяване на частиците на дисперсната фаза.
Утаяването е утаяване под въздействието на гравитацията.
Коагулацията на золите може да бъде причинена от различни фактори:
- механично въздействие и др.
Най-важният и проучен фактор при коагулацията на хидрофобни колоиди е ефектът на електролитни разтвори върху тях. В този случай зарядите на колоидните частици се неутрализират от електролитни йони.
За коагулацията на золите от електролити са установени редица емпирични закономерности.
1. За да започне коагулация на зола, е необходима определена минимална концентрация на електролит, нареченакоагулационен прагγ (mol/l).
2.Коагулиращият ефектсе притежава от един от електролитните йони, чийто заряд е противоположен на заряда на колоидните частици, като коагулиращият ефект на йона е толкова по-силен, колкото по-голям е неговият заряд (Правило на Шулце-Хардиили правило за значимост), т.е. коагулиращият ефект на йоните се увеличава многократно с увеличаване на тяхната валентност. За едно-, двувалентните йони коагулиращата сила се отнася като 1:50:500.
Правилото за значимост има приблизителен характер и е валидно само за неорганични йони; някои еднократно заредени органични йони имат по-силен коагулиращ ефект от двойно заредените неорганични йони, поради тяхната силнаспецифична адсорбция.
3. В поредицата от неорганични йони с еднакви заряди, коагулиращият ефектсе увеличава с намаляване на хидратацията на йони; например, в серия от еднократно заредени катиони на алкални метали, коагулиращият ефект се увеличава от литий към рубидий:
γ (Li +)> γ (Na+)> у (К+)> γ (Rb + )
Редове, в които йони с еднакъв заряд са групирани във възходящ или низходящ ред на коагулиращо действие, се наричат лиотропни редове.
4. Утайките, получени при коагулация на золове с електролити, винаги съдържат йони, които са причинили коагулацията.
5. Когато золите се коагулират от смеси от електролити, тяхното независимо (добавено) действие се наблюдава относително рядко; обикновено има взаимно засилване или отслабване на коагулиращото действие (синергизъмилиантагонизъмйони).2. Стареене и пептизация на сол
Термодинамичната нестабилност на лиофобните колоидни системи е причина за стареенето на зола - спонтанна коагулация (автокоагулация) на золите. Автокоагулацията на золите е много по-бавна от коагулацията с електролити; по този начин златните золове могат да се запазят без видими промени в продължение на десетилетия. Една от основните причини за стареенето на зола е бавният процес на рекристализация на основното вещество.
Пептизацията(дезагрегация) е процесът на разделяне на коагулирания зол (коагулат) на първични частици - процес, противоположен на коагулацията. Пептизацията е възможна само когато структурата на частиците в коагулата не е променена в сравнение с първоначалната (т.е. когато частиците все още не са се слели напълно и са слабо свързани една с друга). Разграничете пряка и непряка пептизация.
Незабавнопептизациявъзниква в резултат на добавяне на електролит, съдържащ потенциалоопределящ йон към коагулата; в резултат на специфичната му адсорбция върху повърхността на частиците от дисперсната фаза, техният заряд отново се увеличава и дебелината на двойния електрически слой се увеличава. Това води до факта, че силите на отблъскване между частиците започват да преобладават над силите на привличане; възниква дезагрегация - разпадане на образувания преди това агрегат от лепкави частици.
Непряката пептизациясе причинява от добавяне към системата на вещество, чието химично взаимодействие с повърхността на коагулата води до освобождаване на потенциалоопределящи йони. Например, коагулиран железен (III) хидроксиден зол може да бъде пептизиран чрез добавяне на желязна сол (директна пептизация) или солна киселина (индиректна пептизация) към системата.
3. Кинетична стабилност на золите. Утаяване
Частиците на дисперсната фаза изпитват едновременно действието на силата на гравитацията и Архимедовата сила; в зависимост от съотношението на плътностите на дисперсионната среда и дисперсната фаза, резултатът от тези сили ще принуди частиците да се утаят или издигнат. Процесът на утаяване или плаване на колоидни частици в пепелта се наричаутаяване. На седиментацията обаче винаги се противодейства друг процес, стремящ се към равномерно разпределение на колоидните частици в целия обем на разтвора -дифузия, осъществявана под действието наБрауново движение на частиците. Съотношението между тези два процеса определякинетичната стабилност на золите- способността на колоидните частици да останат в суспензия, без да се подлагат на утаяване.
4. Пречистване на колоидни системи
Някои молекулярно-кинетични свойства на колоидасистеми се използват за пречистване на золите от електролити и молекулни примеси, с които получените золи често са замърсени. Най-разпространените методи за пречистване на колоидни системи садиализа,електродиализаиултрафилтрация, основани на свойствата на определени материали - т.нар. полупропускливи мембрани (колодий, пергамент, целофан и др.) - пропускат йони и молекули с малки размери и задържат колоидни частици. Всички полупропускливи мембрани са порести тела и тяхната непропускливост за колоидни частици се дължи на факта, че коефициентът на дифузия за колоидните частици е значително (няколко порядъка) по-нисък, отколкото за йони и молекули, които имат много по-малка маса и размери.
Устройство за пречистване на золове чрез диализа се нарича диализатор; Най-простият диализатор е съд, чийто долен отвор е покрит с полупропусклива мембрана. Солът се изсипва в съд и последният се поставя в съд с дестилирана вода (обикновено течаща); йони и молекули на примесите дифундират през мембраната в разтворителя.
Друг метод за пречистване на золове е ултрафилтрацията, която представлява отделяне на дисперсната фаза от дисперсионната среда чрез филтриране под налягане през полупропускливи мембрани. По време на ултрафилтрацията колоидните частици остават върху филтъра (мембраната).
5. Оптични свойства на колоидните системи
Специалните оптични свойства на колоидните разтвори се дължат на техните основни характеристики:дисперсностихетерогенност. Оптичните свойства на дисперсните системи до голяма степен се влияят от размера и формата на частиците. Преминаването на светлина през колоиден разтвор е придружено от такива явления като абсорбция, отражение, пречупване и разсейване на светлината.Преобладаването на някое от тези явления се определя от съотношението между размера на частиците на дисперсната фаза и дължината на вълната на падащата светлина. Вгрубо дисперсните системисе наблюдава главноотражениена светлината от повърхността на частиците. Вколоидните разтвориразмерът на частиците е сравним с дължината на вълната на видимата светлина, което предопределяразсейванетона светлината поради дифракцията на светлинните вълни.
Разсейването на светлината в колоидните разтвори се проявява под формата наопалесценция- матово сияние (обикновено със синкави нюанси), което е ясно видимо на тъмен фон със странично осветяване на зола. Причината за опалесценцията е разсейването на светлината върху колоидните частици поради дифракция. Опалесценцията е свързана с характерно явление за колоидните системи -ефектТиндал: когато светлинен лъч преминава през колоиден разтвор от посоки, перпендикулярни на лъча, в разтвора се образува светещ конус.
Процесът на дифракционно разсейване на светлината от частици, чийто размер е много по-малък от дължината на вълната, се описва отуравнението на РейлиРейли, което свързва интензитета на светлината, разпръсната от единица обем светлина I с броя на частиците в единица обем ν, обем на частицата V, дължина на вълната λ и амплитуда A на падащото лъчение и показателите на пречупване съответно на дисперсната фаза и дисперсионната среда n1 и n2:
От уравнението може да се види, че колкото по-къса е дължината на вълната на падащото лъчение, толкова по-голямо ще бъде разсейването. Следователно, ако бяла светлина падне върху частица, сините и виолетовите компоненти ще изпитат най-голямо разсейване. Следователно при преминаваща светлина колоидният разтвор ще бъде оцветен в червено, а в странично отразено - синьо.
Сравнение на интензитета на разсейване на светлината на золи, единият от които има известна концентрация(степен на дисперсия) се основава метод за определяне на концентрацията или степента на дисперсия на зола, нареченнефелометрия.Ултрамикроскопътсе основава на използването на ефекта на Тиндал - устройство, което позволява наблюдение на колоидни частици, по-големи от 3 нанометра, в разсеяна светлина (в конвенционален микроскоп могат да се наблюдават частици с радиус най-малко 200 nm поради ограничения, свързани с разделителната способност на оптиката).