Устойчивость коллоидных систем. Коагуляция

ЗАНЯТИЕ №

Тема: Устойчивость коллоидных систем. Коагуляция.

Мотивация изучения темы: Для биологов и медиков представляет большой интерес изучение процессов коагуляции и пептизации. Коагуляция растворов фосфата кальция и холестерина в крови приводит к образованию и отложению осадков на внутренней поверхности кровеносных сосудов. Свертывание крови, слипание эритроцитов в так называемые «монетные столбики» представляют собой процессы, аналогичные коагуляции. В основе процесса растворения тромбов лежит пептизация.

При введении смеси солей следует предварительно убедиться, что эти соли не являются синергистами, чтобы избежать коагуляции. Решение многих проблем в медицине связано с проблемами свертывания крови. В хирургии во время операции в кровь вводят антикоагулянты (гепарин), а после операции – для повышения коагуляции – протамин-сульфат.

С явлением коагуляции эритроцитов вследствие уменьшения их дзета-потенциала врачи постоянно имеют дело в клинических лабораториях (метод определения СОЭ – скорости оседания эритроцитов). Это явление объясняется тем, что при патологии в крови увеличивается содержание некоторых видов белков, место ионов электролитов на поверхности эритроцитов занимают белки, заряд которых ниже, чем у суммы замещенных ими ионов. Заряд эритроцитов понижается, они быстрее объединяются и оседают.

В гигиене и санитарии применяют коагуляцию для очистки питьевых и сточных вод. В санитарном деле очистка питьевой воды основана на процессах адсорбции и взаимной коагуляции.

Цель: Приобрести навыки измерения (определения) порогов коагуляции золей и коагулирующей способности электролитов, определения знака заряда коллоидных частиц.

Задачи изучения:

1. Знать строение мицелл.

2. Знать виды устойчивости коллоидных растворов, их причину и факторы, вызывающие ее нарушении; явление коллоидной защиты.

Продолжительность занятия - 165 минут (135 учебного времени и 30мин перерыв).

Место проведения занятия - учебный практикум (кафедра общей химии)

Задания для самостоятельной работы студента во внеучебное время (самоподготовка).

А. Контрольные вопросы

1. Устойчивость дисперсных систем (понятие). Виды устойчивости: кинетическая (седиментационная), агрегативная, конденсационная.

2. Коагуляция. Факторы, влияющие на процесс коагуляции коллоидных растворов. Стадии процесса коагуляции: скрытая и явная.

3. Влияние электролитов на процесс коагуляции коллоидных частиц. Порог коагуляции. Правило Шульце-Гарди.

4. Коагуляция смесями электролитов: аддитивность, синергизм, антагонизм. Взаимная коагуляция.

5. Пептизация.

6. Коллоидная защита, ее значение.

Б. Список рекомендуемой литературы:

1. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учебник для ВУЗов/ , , и др. - 2 изд. - М.: ВШ, 2000.

2. Практикум по общей химии. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов./под ред. , - М.: ВШ, 2006.

3. , , Филиппова задач и упражнений по общей химии. - М.: ВШ, 2007.

4. Практикум по общей и биоорганической химии /под ред. – 3-е изд.-М.: изд. центр «Академия», 2008.-240с

В. Обучающий материал.

Коагуляция (от лат. coagulatio – свертывание, сгущение) – потеря коллоидными системами агрегативной устойчивости. Коагуляция коллоидных растворов может быть вызвана воздействием различных факторов: концентрированием дисперсной фазы, диализом, механическим воздействием, изменением температуры, различными видами излучений, добавлением электролитов.

Наибольшее теоретическое и практическое значение имеет разрушение золя при добавлении электролита. Минимальная концентрация электролита, по достижении которой начинается коагуляция, называется порогом коагуляции.

где V0 – объем золя, л; Vmin – минимальный объем раствора электролита, вызывающий коагуляцию золя, л; С – концентрация электролита в растворе, моль/л. Величина, обратная, порогу коагуляции, называется коагулирующей способностью: КС = 1/Спор

Коагулирующее действие электролитов подчиняется правилу Шульце-Гарди: коагуляцию вызывают ионы с зарядом, противоположным заряду гранулы, и коагулирующая способность тем выше, чем выше заряд коагулирующего иона. Правило Шульце-Гарди носит приближенный характер, т. к. наряду с величиной заряда имеет значение и природа ионов: чем выше гидратируемость иона, тем меньше его коагулирующая способность.

По уменьшению степени гидратации ионы могут быть расположены в следующие ряды (лиотропные ряды Гофмейстера)

C2O42->SO42->CH3COO->Cl->NO3->Br->I->CNS-

Li+>Na+>K+>Rb+>Cs+>Mg2+>Ca2+>Sr2+>Ba2+

Коагулирующее действие ионов вязано с уменьшением дзета-потенциала коллоидных частиц за счет сжатия диффузного слоя и за счет избирательной и ионообменной адсорбции на коллоидных частицах ионов электролита с зарядом, противоположным заряду гранулы.

Коагуляция происходит при смешении двух золей с противоположными знаками заряда гранул, такая коагуляция называется взаимной коагуляцией. Разноименно заряженные коллоиды вызывают коагуляцию друг друга только в том случае, когда суммарный заряд частиц одного золя нейтрализует суммарный заряд другого.

Пример. Коллоидный раствор гидроксида железа (III)получен по реакции:

FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3(тв.) + 3NaCl

При некотором избытке а) FeCl3, б) NaOH. Составьте схему строения мицеллы золя гидроксида железа (III) для случая а) и б). Определите знак заряда коллоидных частиц.

Решение. а) FeCl3→ Fe3+ + 3Cl-

стабилизатор

{m[Fe(OH)3]nFe3+3(n-x)Cl-}3x+ 3xCl-

Знак заряда гранулы положительный.

б) NaOH→Na+ + OH-

{m[Fe(OH)3]nOH - (n-x)Na+}x - xNa+

Знак заряда коллоидных частиц отрицательный.

При смешении двух золей Fe(OH)3 с различными знаками заряда гранул происходит взаимная коагуляция.

Пептизацией называют процесс перехода свежеполученного при коагуляции осадка в золь под действием веществ, называемых пептизаторами. Пептизацию можно вызвать отмыванием коагулята водой от электролита, вызвавшего коагуляцию золя. Пептизация поверхностно-активными веществами связана с тем, что дифильные молекулы ПАВ адсорбируются на частицах осадка, повышая сродство дисперсной фазы к дисперсионной среде. Чаще всего пептизацию вызывают добавлением веществ, которые способны восстановить утраченный заряд коллоидных частиц. Различают адсорбционную и химическую (диссолюционную) пептизацию. Примером адсорбционной пептизации может служить переход в золь свежеполученного и промытого водой осадка гидроксида железа (III) при добавлении к нему небольших количеств раствора хлорида железа (III), которые сообщают частицам положительный заряд:

{m[Fe(OH)3]nFe3+3(n-x)Cl-}3x+3xCl-

Механизм химической пептизации состоит в том, что при добавлении электролита происходит его взаимодействие с частицами осадка, в результате которого образуется пептизатор. Его ионы адсорбируются на частицах осадка, сообщая им заряд. Примером является переход в золь осадка Fe(OН)3 при добавлении небольших объемов HCl, который сам не является стабилизатором, но химически взаимодействует с поверхностью осадка с образованием собственно пептизатора FeOCl

Fe(OH)3 + HCl = FeOCl + 2H2O

FeOCl→ FeO+ + Cl-

Строение мицеллы образующегося зол может быть представлено следующим образом:

{m[Fe(OH)3]nFeО+(n-x)Cl-}x+xCl-

Длительное хранение уменьшает способность осадка к пептизации вследствие рекристаллизации (срастания частиц осадка). Происходит старение осадка.

Г. Обучающие задачи

Определение порога коагуляции по известному количеству электролита, необходимого для добавления к коллоидному раствору.

Задача №1. Коагуляция 10мл гидрозоля железа (III) наступила при добавлении к нему 2 мл раствора сульфата натрия с молярной концентрацией 1,25ммоль/л. Вычислите порог коагуляции и коагулирующую способность электролита.

Решение. Для расчета порога коагуляции воспользуемся формулой:

,

Применительно к данной задаче ;

Где С(SO42-) = C(Na2SO42-) = 1,25ммоль/л = 1,25·10-3моль/л

Величину коагулирующей способности вычисляют по формуле:

Ответ: Спор=0,208ммоль/л, КС = 4,8л/моль

Определение знака заряда частицы по сопоставлению величин порогов коагуляции данными электролитами.

Задача 2. Коагулирующая способность сульфата натрия по отношению к данному коллоидному раствору выше коагулирующей способности хлорида кальция. По правилу Шульце-Гарди коагулирующая способность электролита тем выше, чем больше заряд коагулирующего иона. У Na2SO4 заряд анионов (SO42-) больше, чему CaCl2 (ионов Cl-), значит, коагулирующими ионами являются анионы. Следовательно, частицы коллоидного раствора заряжены положительно.

Сравнение коагулирующей способности электролитов.

Задача 3. Коллоидный раствор иодида серебра получен по реакции:

KI + AgNO3 = AgI + KNO3

При некотором избытке KI. Его коагулируют растворами сульфата натрия и ацетата кальция. У какого электролита коагулирующая способность выше?

Решение. Т. к. стабилизатором является KI (AgI→ Ag+ + I-), то мицелла имеет строение:

{m[AgI]nI-(n-x)K+}x-xK+

Коллоидная частица (гранула) заряжена отрицательно. Следовательно, коагулирующими ионами являются катионы. Т. к. заряд иона Са2+ больше заряда иона Na+, то коагулирующая способность ацетата кальция выше, чем сульфата натрия.

Выяснение возможности взаимной коагуляции.

Задача 4. Какие золи: гидроксида железа(III) (при избытке FeCl3), иодида серебра (при избытке AgNO3), иодида серебра (при избытке KI), следует смешать, чтобы произошла взаимная коагуляция?

Решение. Взаимная коагуляция возможна при смешивании золей с противоположными знаками заряда гранул. Гранулы золя гидроксида железа (III) заряжены положительно

{m[Fe(OH)3]nFe3+3(n-x)Cl-}3x+

Гранулы золя иодида серебра при избытке AgNO3 (потенциалопределяющие ионы Ag+) заряжены положительно: {m[AgI]nAg+(n-x)NO3-}x, а при избытке KI (потенциал-определяющие ионы I - ) заряжены отрицательно: {m[AgI]nI-(n-x)K+}x-.

Следовательно, взаимная коагуляция возможна при сливании золей а) гидроксида железа(III) и иодида серебра при избытке KI, и б) иодида серебра (при избытке AgNO3) и иодида серебра (при избытке KI).

Д. Задачи для самостоятельного решения.

Задача 1. Коагуляция 1,5мл золя сульфида золота наступила при добавлении к нему 570 мл раствора хлорида натрия концентрацией 0,2моль/л. Вычислите порог коагуляции золя ионами натрия и коагулирующую способность электролита. (Ответ: Спор = 55,0ммоль/л, КС = 0,018л/моль)

Задача 2. Частицы золя при электрофорезе перемещаются к аноду. Коагулирующая способность какого из веществ: Na2SO4, CaCl2 или K3PO4 – будет наибольшей по отношению к данному золю? Дайте пояснения.

Задача 3. Получены два золя иодида серебра из раствора AgNO3 и KI с молярными концентрациями по 0,05моль/л каждый. Один золь получен приливанием раствора AgNO3 объемом 16мл к раствору KI объемом 20мл, другой раствора KI объемом 16мл к раствору AgNO3 объемом 20мл. Будут ли наблюдаться какие-либо явления при смешивании этих золей? Ответ мотивируйте. Напишите формулы мицелл золя.

Задача 4. Золь кадмия сульфида получен смешиванием растворов Na2S и Cd(NO3)2. Пороги коагуляции электролитов к данному золю оказались равными (ммоль/л): Сn(Ca(NO3)2)=265, Cn(NaCl) = 250, Cn(MgCl2) = 290, Cn(Na3PO4) = 0,4, Cn(Na2SO4) = 15, Cn(AlCl3) = 300. Какой из электролитов Na2S или Cd(NO3)2, взят в избытке для получения золя? Составьте схему строения мицеллы золя.