Физическая и коллоидная химия (стр. 13 )

Путем деления более высокого порога коагуляции на бо­лее низкий определить, во сколько раз коагулирующая спо­собность трехзарядного иона выше однозарядного. Подсчитать отношения порогов коагуляции для трех-, двух - и одно­зарядных ионов.

По результатам опыта построить график, откладывая на оси абсцисс логарифм числа миллилитров 0,001 н. раствора, а на оси орди - нат – величины, обратные абсолютному значе­нию зарядности (валентности), вызывающих коагуляцию ионов.

После произведенных расчетов сделать соответствующие выводы.

Опыт 2. Взаимная коагуляция золей

Взять очищенный золь Fе(ОН)3 с положительным зарядом, полученный ранее, и золь берлинской лазури с отрицательно заряженными ча­стицами, полученный при добавлении к 50 мл 0,01%-ногo раствора K4[Fe(CN)6] 60–62 капель 2%-ного раствора FеСl3 при непрерывном помешивании.

В пять пробирок налить золь Fе(ОН)3: в первую – 10 мл, во вто - рую – 8 мл, в третью – 6 мл, в четвертую – 4 мл и в пятую – 2 мл. Во все пробирки, кроме первой, добавить по 10 мл золя берлинской лазури. Через 30 мин отметить коагуляцию и окраску золей.

Определить знак заряда частиц в смеси золей, где не на­ступила коагуляция. Рассчитать процентное соотношение зо­лей, при котором они смешиваются без нарушения устойчи­вости и при полной взаимной коагуляции.

Контрольные вопросы

1. Перечислите факторы устойчивости коллоидных систем.

2. Что такое кинетическая и агрегативная устойчивость зо­лей? От каких факторов она зависит?

3. Дайте определение понятиям: коагуляция, седимента­ция, скрытая и явная коагуляция.

4. Перечислите факторы, при действии которых может на­ступить коагуляция золей.

5. Что такое критический потенциал? При какой величине критического потенциала коагуляция золей будет наиболь­шей?

6. Что называется порогом коагуляции?

7. Сформулируйте правило Шульце – Гарди.

8. В чем проявляется особенность коагуляции золей под действием смеси электролитов? Что такое аддитивность, си­нергизм и антагонизм ионов? Роль антагонизма ионов в жиз­ни растительных и животных организмов.

9. Что такое взаимная коагуляция? Каково ее практиче­ское значение?

10. Что такое лиотропные ряды коагуляции и что они по­казывают?

11. Чем объяснить, что при смешивании различных чернил иногда происходит выпадение осадка?

5.2. Растворы высокомолекулярных

соединений

Растворы высокомолекулярных соединений (ВМС) яви­лись первыми объектами исследований коллоидной химии. Сюда относятся в первую очередь вещества, обладающие клейкостью, – желатин, крахмал, казеин, гуммиарабик и др. Однако растворы ВМС принципиально отличаются от кол­лоидных растворов. Частицы (мицеллы) в коллоидных систе­мах – это агрегаты молекул. В растворах ВМС эти частицы представляют собой отдельные гигантских размеров молеку­лы. Растворы ВМС – это гомогенные, термодинамически обратимые, равновесные, устойчивые без стабилизаторов системы.

Все ВМС делятся на природные, искусственные и синтетические. К числу важнейших природных полимеров относятся целлюлоза, крах­мал, белки. Особо важную группу ВМС представляют белки, относящиеся к группе высокомолекулярных электролитов.

Молекулы белков состоят из аминокислот, в состав которых входят основные –NH2 и кислотные –СООН группы. В связи с этим белки являются амфотерными соединениями. В зависимости от рН среды макромолекулы белка диссоцииру­ют по кислотному или основному типу. В кислой среде моле­кула белка заряжается положительно, а в щелочной – отрицательно. При определенном значении рН среды степень диссоциации по кислотному и основному типу имеет одинаковое значение. В этом случае макромолекула белка становится электро­нейтральной, наступает изоэлектрическое состояние (ИЭС).

В ИЭС все свойства растворов белков резко меняются: уменьшается вязкость, увеличивается склонность к коагуля­ции и т. д. Значение рН, соответствующее ИЭС белка, назы­вается изоэлектрической точкой (ИЭТ). Белки, как правило, проявляют в большей степени кислот­ные свойства, чем основные, и поэтому в этом случае ИЭТ белков лежит ни­же 7. Так, например, ИЭТ некоторых белков имеет следую­щие значения рН: казеин – 4,6; желатин – 4,7; альбумин яйца – 4,8; гемоглобин – 6,7 и т. д.

Если рН < ИЭТ, то бе­лок приобретает положительный заряд. В случае, если рН > ИЭТ, белок заряжается отрицательно. При рН = ИЭТ белок электронейтрален.

R–CH−COOH ↔ R–CH−COO– pHраствора = pH(ИЭТ)

│ │

NH2 NH3+

R–CH−COO– + H+ ↔ R–CH−COOH pHраствора < pH(ИЭТ)

│ │

NH3+ NH3+

R–CH−COO– + ОН– ↔ R–CH−COO– + Н2О pHраствора > pH(ИЭТ)

│ │

NH3+ NH2

Растворы ВМС находятся в термодинамическом равнове­сии и обладают большой устойчивостью, как и истинные раст­воры. Устойчивость ВМС нарушается под влиянием различ­ных факторов: изменение температуры, добавление солей и др. Выпадение в осадок ВМС под действием концентриро­ванных солей (электролитов) называется высаливанием.

Высаливание вызвано тем, что ионы добавляемых солей, гидратируясь, отнимают воду у ВМС и раствор становится пе­ренасыщенным. Это приводит к выпадению полимера в оса­док. Чем сильнее гидратируется ион, тем сильнее его высали­вающее действие. По высаливающему действию анионы и ка­тионы располагаются в лиотропные ряды:

CN– < NO3– < Cl– < СН3СОО– < SO42–;

Li+ > Na+ > K+ > Rb+ > Cs+ > Fr+.

Высаливающее действие анионов сильнее, чем катионов. Вы­сали-вание – процесс обратимый, при добавлении воды осадок снова переходит в раствор.

Необратимое нарушение устойчивости белков под воздей­ствием некоторых факторов (нагревание, действие спирта, лу­чистой энергии и т. д.) называется денатурацией.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 14.

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ВМС

Реактивы и материалы: 0,5%-ный раствор желатина, казеин, 0,1 н. и 1 н. растворы CH3COONa, 0,1 н. и 1 н. раство­ры СН3СООН, 96%-ный этиловый спирт, 0,1%-ный раствор та­нина, две пипетки на 5 мл с делениями, штатив с пробирками, водяная баня.

Опыт 1. Определение изоэлектрической точки желатина

В пять пробирок наливают растворы СН3СООН и CH3COONa в количествах, указанных в таблице. После это­го в каждую пробирку добавляют по 1 мл 0,5%-ного раство­ра желатина и хорошо перемешивают. Затем во все пробирки прибавляют по 1 мл 0,1%-ного раствора танина и снова пере­мешивают. Через 5–10 мин просматривают все пробирки и оценивают степень мутности смеси в каждой из них; рН наиболее мутной смеси соответствует изоэлектрической точке желатина. Ре­зультаты опыта записывают в таблицу. Танин ускоряет выпа­дение белка в осадок в изоэлектрической точке вследствие; образования нерастворимых в воде соединений с азотистыми гетероциклическими группировками.

Объяснить, какой заряд будет иметь желатин при рН вы­ше и ниже изоэлектрической точки.

Номер пробирки	Состав буферной смеси	рН смеси	Раствор желатина, мл	Раствор танина, мл	Степень помутнения
0,1 н. СН3COOH	0,1 н. СН3COONa
1	1,8	0,2	3,8	1	1	1
2	1,4	0,6	4,4	1	1	3
3	1,0	1,0	4,7	1	1	5
4	0,6	1,4	5,1	1	1	4
5	0,2	1,8	5,7	1	1	3

В пяти пробирках составляют буферные смеси (по таблице), в каждую прибавляют по 1 мл 0,5%-ного золя желатина и перемешивают. Затем прибавляют по 4 мл этилового спирта и немедленно вновь перемешивают. Через 5–10 мин оценивают по пятибалльной системе степень мутности каждой смеси и записывают результаты в таблицу

Раствор	Номер пробирки
1	2	3	4	5
0,1 н. раствор СН3СООNa	1,8	1,4	1,0	0,6	0,2
0,1 н. раствор СН3СООН	0,2	0,6	1,0	1,4	1,8
рН смеси	3,8	4,4	4,7	5,1	5,7
Раствор желатина, мл	1	1	1	1	1
Этиловый спирт, мл	4	4	4	4	4
Степень мутности

ИЭТ желатина равна рН наиболее помутневшей смеси (обычно рН = 4,7). Объяснить, какой заряд будет иметь раствор желатина при рН < 4,7 и рН > 4,7.

Опыт 2. Определение изоэлектрической точки казеина

Для приготовления золя 0,2 г порошка казеина растворяют в мерной колбочке на 50 мл при температуре 40–50 °С на водяной бане в 5 мл 1 н. раствора CH3COONa с небольшим количеством дистиллированной воды. После растворения и охлаждения до­бавляют воду до метки и получают слегка опалисцирующий золь казеина в 0,1 н. растворе CH3COONa.

В пяти пробирках составляют буферные смеси (по табли­це), в каждую прибавляют по 1 мл приготовленного золя казеина и тщательно взбалтывают. ИЭТ казеина равна рН смеси, в которой через 5–10 мин наблюдается наибольшее помутнение (коагуляция). ИЭТ казеина обычно равна 4,6. Определить заряд золя казеина при рН < 4,6 и рН > 4,6.