Физическая и коллоидная химия Методические указания и варианты заданий контрольных работ для студентов заочной формы обучения биологических специальностей (стр. 18 )

К физическим свойствам относят их способность проходить через бумажные фильтры, но задерживаться ультрафильтрами

(растительными и животными мембранами).

       На этом основаны методы очистки (диализ) коллоидных систем от растворимых в них примесей низкомолекулярных веществ. При  диализе молекулы растворенного низкомолекулярного вещества проходят через мембрану, а коллоидные частицы (имея большой размер) остаются за ней виде очищенного коллоидного раствора.

Скорость диализа  можно увеличить, применяя электрический ток – электродиализ.

К молекулярно-кинетическим свойствам  коллоидов  относят:  броуновское движение, диффузию, осмотическое давление, явление  седиментации. 

Броуновское движение – хаотичное тепловое поступательное и вращательное движение частиц. За 1 секунду коллоидная частица может изменить своё направление в 10 20 раз.

Диффузия самопроизвольно протекающий в системе процесс выравнивания концентрации молекул, ионов или коллоидных частиц под влиянием их хаотичного движения. Для частиц, по форме близко сферическим, коэффициент вычисляют по уравнению Эйнштейна: 

  D = ,  где  k=

з –вязкость среды ;  r – радиус частицы.

Осмотическое давление для разбавленных коллоидных растворов можно найти по уравнению:

         P= = н   

m(общ)- масса растворенного вещества; m - масса частицы ;

V - объём системы ; NA –постоянная  Авогадро ;

T - абсолютная температура ; н - количество вещества.

Молекулярно - кинетические уравнения пригодные для истинных растворов, приложимы и к коллоидным растворам с той только разницей, что масса моля вещества заменяется в них массой частиц.

Способность частиц оседать под действием силы тяжести (при увеличении массы и уменьшении броуновского движения и диффузии) называется седиментацией.

Оптические свойства коллоидных систем, как и предыдущие, обусловлены размерами частиц, которые соизмеримы с длиной волны видимой части спектра (400-750нм). При этом наблюдается дифракционное рассеяние света; свет как бы огибает встречающиеся на пути частицы. В результате рассеяния света каждая частица является источником новых, менее интенсивных волн. Выражается это явление в изменении окраски раствора в отраженном и проходящем свете и называется опалесценцией.

Если коллоидный раствор осветить точечным источником света, то в можно увидеть ярко светящийся «конус». По имени ученых впервые наблюдавших это явления светящийся конус в жидкости  был назван конусом (или эффектом) Фарадея -  Тиндаля. Этот эффект характерен для всех коллоидных систем.

Явление светорассеяния лежит в основе одного из важнейших методов исследования дисперсных систем – ультрамикроскопии ( ультрамикроскоп был изобретен в 1903.г. Зигмонди.

Поскольку золи по размеру частиц дисперсной фазы занимают промежуточное положение между истинными растворами (молекулярно - ионными) и грубыми дисперсиями, они могут быть получены либо соединением отдельных молекул или ионов растворенного вещества в агрегаты (методы конденсации), либо в результате измельчения частиц сравнительно большого размера (методы диспергирования).

Методы диспергирования в основном проявляются в механическом измельчении или перетирание частиц большого размера (для этого служат шаровые или коллоидные)  до размера коллоидов. К химическим методам диспергирования относится пептизация - действие на систему и ее измельчения за счёт сильного электролита.

Конденсационные методы, как правило, химические, наиболее широко для получения коллоидных систем используются реакции восстановления, гидролиза, двойного обмена. Например,  при получение золя сульфата мышьяка в присутствие избытка сероводорода: 

  2H3AsO3 + 3H2 S ↔ As2S3↓ + 6H2O

мицелла имеет строение

  {[mAs2S3] n HS - (n-x)H+}x-xH+

  ↑

  о дзета-потенциал

К электрическим свойствам коллоидных систем относят явления электрофореза  и электроосмоса.

Движение дисперсных частиц под влиянием электрического поля называ-ется электрофорезом. Движение  жидкости через мембрану при наложении внешней разности потенциалов является электроосмосом. Методами электрофореза и электроосмоса можно определить скорость движения и знак заряда коллоидных частиц (гранул), а также рассчитать величину электрокинетического потенциала  ( о-потенциала). 

Электрокинетический, или дзета-потенциал (о – потенциал) возникает между подвижным адсорбционным слоем и внешней подвижной жидкостью при перемещении дисперсной фазы относительно дисперсной среды. Величина о – потенциала прямо пропорционально скорости движения частиц золя в электрическом  поле: 

  о =   или  о =  

где, U  - скорость электрофореза, м/с B;

  з  - вязкость среды, H c\м (для воды з = 1,13*10-5);

  D  - диэлектрическая постоянная среды (для воды D = 81);

  е  - электрическая постоянная -8,85*1012ф/м.,

  l  - расстояние между электродами ( в см ),

  E –электродвижущая сила ( в В ),

  S – расстояние ( в см ), пройденное дисперсной фазой за время  t(в с).

Если дисперсионной средой является вода, то  = 209

и тогда  о = 209 S l /  t E  , В 

По величине дзетта  потенциала в большинстве случаев можно судить об относительной агрегативной устойчивости коллоидных систем. При достижении о-потенциала  0.03В в системе начинает происходить скрытый процесс коагуляции. Знак электрокинетического или дзета-потенциала химической  зависит от природы твердой фазы. Кислые вещества ( кремниевая кислота, сульфиды металлов, сера ) в водном растворе имеют, как правило, отрицательный заряд.

Мембранное равновесие Доннана – явление неравномерного распределения низкомолекулярных электролита по обе стороны полупроницаемой мембраны (ППМ) под влиянием высокомолекулярного электролита.

Чтобы понять это явление возьмем сосуд, разделенный ППМ; по одну сторону мембраны помещен раствор высокомолекулярного электролита ( диссоциирующего на R+, Cl-), по другую – раствор низкомолекулярного электролита ( диссоциирующий на K+, Cl-),

  R+ Cl-  K+ Cl -                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        С 1                        С 2

  ППМ                        

С1 и С2 – начальные концентрации соответствующих ионов.

Ионы        K+ и        Cl - могут свободно перемещаться через ППМ, в отличие от R+ (т. к.  они имеют больший объем).

Обозначим через:

X – количество ионов K+ и Cl-, прошедших из правой половины сосуда в левую, тогда распределение может выглядеть следующим образом:

  ППМ

  R+  Cl-  K+  K+  Cl -                                                                                                                                                

  С1  С1+X  X         (С2- X)  (С2- X)                 

Перемещение ионов закончится установлением динамического равновесия, иначе говоря, условием равновесия является равенство произведений концентраций перемещаемых ионов, находящихся справа и слева от мембраны:

тогда

X (C1 + X) = (C2 – X)2        

Решая уравнение относительно x, получим

  C22

  X= ---------                                                                        

  C1+ 2C2                Если        C2 >> C 1, т. е. концентрация электролита во много раз больше золя, то концентрацией золя можно пренебречь, и тогда