Principalement 2 méthodes sont utilisées :

1. Méthode de dispersion – utiliser le broyage d'un solide en particules d'une taille correspondant à des colloïdes. Le broyage s'effectue :

• mécaniquement en utilisant des broyeurs à boulets, des homogénéisateurs ou des désintégrateurs à ultrasons ;
• en utilisant méthodes physiques et chimiques, comme la peptisation, l'ajout de tensioactifs.

1. Méthode de condensation— grossissement des particules par agrégation de molécules ou d'ions jusqu'à des tailles correspondant à des colloïdes. Cela peut être fait des manières suivantes :

• évaporation du solvant ;
• remplacement du solvant ;
• réaliser des réactions aboutissant à la formation de substances peu ou insolubles - décomposition, hydrolyse, etc.

Méthodes de purification des systèmes colloïdaux

Les solutions colloïdales peuvent contenir des impuretés qui réduisent leur stabilité, ce qui entraîne leur purification. A cet effet, des méthodes telles que la dialyse, l'électrodialyse, la filtration et l'ultrafiltration sont utilisées.

La solution colloïdale est versée dans un récipient dans la partie inférieure duquel se trouve une membrane et placée dans un récipient contenant de l'eau. Seuls les ions et les molécules d'impuretés de faible poids moléculaire pénètrent dans le solvant.

Le processus de dialyse est lent et un champ électrique est utilisé pour l’accélérer.

Étant donné que les systèmes colloïdaux occupent une position intermédiaire en termes de taille de particules entre les systèmes grossiers et les vraies solutions, les méthodes de préparation peuvent être divisées en deux groupes : la dispersion et la condensation.

Méthodes de dispersion basé sur le broyage de la phase dispersée. La dispersion avec formation de systèmes colloïdaux lyophiles se produit spontanément en raison du mouvement thermique. La formation de systèmes colloïdaux lyophobes nécessite de l’énergie. Pour atteindre le degré de dispersion requis, utilisez :

concassage mécanique à l'aide de broyeurs à boulets ou colloïdaux ;

broyage par ultrasons ;

dispersion électrique (pour obtenir des sols métalliques) ;

dispersion chimique (peptisation).

La dispersion est généralement réalisée en présence d'un stabilisant. Il peut s'agir d'un excès d'un des réactifs, tensioactifs, protéines, polysaccharides.

Méthodes de condensation consistent en l'interaction de molécules d'une vraie solution avec la formation de particules de tailles colloïdales, qui peuvent être obtenues par des méthodes physiques et chimiques.

La méthode physique est la méthode de remplacement du solvant (par exemple, de l'eau est ajoutée à une véritable solution de colophane dans l'alcool, puis l'alcool est éliminé).

La condensation chimique consiste à obtenir des solutions colloïdales par des réactions chimiques avec formation de composés peu solubles :

AgNO 3 + KI = AgI (s) + KNO 3

2HAuCl 4 + 3H 2 O = 2Au (t) + 8HCl + 3O 2

Les solutions initiales doivent être diluées et contenir un excès d'un des réactifs.

3. Méthodes de purification des solutions colloïdales

Si les solutions colloïdales contiennent des impuretés de substances dissoutes de faible poids moléculaire et de grosses particules, leur présence peut alors affecter négativement les propriétés des sols, réduisant ainsi leur stabilité.

Pour purifier les solutions colloïdales des impuretés, utilisez filtration, dialyse, électrodialyse, ultrafiltration.

Filtration est basé sur la capacité des particules colloïdales à traverser les pores des filtres conventionnels. Dans ce cas, les particules plus grosses sont retenues. La filtration est utilisée pour purifier les solutions colloïdales des impuretés des particules grossières.

Dialyse- élimination des composés de faible poids moléculaire des solutions colloïdales et des solutions de DIU à l'aide de membranes. Dans ce cas, la capacité des membranes à traverser les petites molécules et les ions et à retenir les particules colloïdales et les macromolécules est utilisée. Le liquide à dialyser est séparé du solvant pur par une membrane appropriée. Les petites molécules et les ions diffusent à travers la membrane dans le solvant et, lorsqu'ils sont remplacés assez fréquemment, sont presque complètement éliminés du liquide dialysé. La perméabilité de la membrane aux substances de faible poids moléculaire est déterminée soit par le fait que les petites molécules et les ions traversent librement les capillaires qui pénètrent dans les membranes, soit sont dissous dans la substance membranaire. Divers films sont utilisés comme membranes pour la dialyse, à la fois naturels - vessie de bovin ou de porc, vessie natatoire de poisson et artificiels - à partir de nitrocellulose, d'acétate de cellulose, de cellophane, de gélatine et d'autres matériaux.

Les membranes artificielles ont un avantage sur les membranes naturelles, car elles peuvent être préparées avec des perméabilités différentes et hautement reproductibles. Lors du choix d'un matériau pour une membrane, il est souvent nécessaire de prendre en compte la charge de la membrane dans un solvant particulier, qui résulte soit de la dissociation de la substance membranaire elle-même, soit de l'adsorption sélective d'ions sur celle-ci, ou la répartition inégale des ions des deux côtés de la membrane. La présence d'une charge sur la membrane peut parfois être à l'origine coagulation lors de la dialyse de solutions colloïdales dont les particules portent une charge de signe opposé à la charge de la membrane. La surface des membranes de cellophane et de collodion dans l’eau et les solutions aqueuses est généralement chargée négativement. Les membranes protéiques dans un environnement avec un pH inférieur au point isoélectrique de la protéine sont chargées positivement et dans un environnement avec un pH plus élevé - négativement.

Il existe une grande variété de dialyseurs - appareils de dialyse. Tous les dialyseurs sont construits sur le même principe : le fluide dialysé (« fluide interne ») est contenu dans un récipient dans lequel il est séparé de l'eau ou d'un autre solvant (« fluide externe ») par une membrane. Le taux de dialyse augmente avec l'augmentation de la surface de la membrane, de sa porosité et de la taille des pores, avec l'augmentation de la température, de l'intensité du mélange du liquide dialysé et du taux de changement du liquide externe, et diminue avec l'augmentation de l'épaisseur de la membrane. .

Figure 31.1 . Dialyseur : 1 - fluide dialysable; 2 - solvant; 3 - membrane de dialyse; 4 - agitateur

Électrodialyse utilisé pour augmenter le taux de dialyse des électrolytes de faible poids moléculaire. A cet effet, un champ électrique constant est créé dans le dialyseur. Réaliser une dialyse sous champ électrique permet d'accélérer de plusieurs dizaines de fois la purification d'une solution colloïdale.

Dialyse compensatoire utilisé lorsqu'il est nécessaire de libérer une solution colloïdale d'une partie seulement des impuretés de faible poids moléculaire. Dans le dialyseur, le solvant est remplacé par une solution externe de substances de faible poids moléculaire, qui doit être laissée dans la solution colloïdale.

L'un des types de dialyse compensatoire est hémodialyse– purification du sang à l’aide d’un appareil rein artificiel. Le sang veineux entre en contact par une membrane avec une solution externe contenant, à la même concentration que le sang, des substances qui doivent être conservées dans le sang (sucre, ions sodium). Dans ce cas, le sang est nettoyé des toxines (urée, acide urique, bilirubine, amines, peptides, excès d'ions potassium), qui traversent la membrane dans la solution externe. Le sucre libre dans le sérum sanguin est déterminé par dialyse compensatoire du sérum contre une solution saline isotonique à laquelle sont ajoutées diverses quantités de sucre. La concentration de sucre dans la solution saline ne change pendant la dialyse que lorsqu'elle est égale à la concentration de sucre libre dans le sang.

Ultrafiltration utilisé pour le nettoyage des systèmes contenant des particules de tailles colloïdales (sols, solutions pour DIU, suspensions de bactéries et de virus). La méthode est basée sur le fait de forcer la séparation du mélange à travers des filtres dont les pores ne laissent passer que les molécules et les ions de substances de faible poids moléculaire. Dans une certaine mesure, l’ultrafiltration peut être considérée comme une dialyse sous pression. L'ultrafiltration est largement utilisée pour purifier l'eau, les protéines, les acides nucléiques, les enzymes, les vitamines, ainsi qu'en microbiologie pour déterminer la taille des virus et des bactériophages.

Dialyse– le plus important d’entre eux. L'essence de la méthode : deux récipients séparés par une membrane semi-perméable (collodion, cellophane, parchemin, polysiloxane, polychlorure de vinyle, polyéthylène). Dans un récipient se trouve une solution colloïdale à purifier, dans l'autre un solvant pur. En raison de la diffusion, tous les ions de la solution colloïdale pouvant traverser les trous de la membrane passeront dans le solvant et les particules colloïdales plus grosses resteront dans la solution. L'avantage de la méthode : simplicité et faible coût. Inconvénient : la durée de dialyse est de plusieurs jours. La vitesse peut être augmentée en raison de la température, mais très peu.

Mais la vitesse peut être augmentée grâce au mouvement dirigé des ions dans un champ électrique. Le dialyseur est équipé d'une chambre supplémentaire avec des électrodes (tension constante). Le temps de dialyse sera de plusieurs heures, voire minutes. Cette méthode est largement utilisée en biochimie, pharmacie, médecine, purification de l’eau et production alimentaire.

Un autre type de dialyse est souvent utilisé - la dialyse compensatoire. L'essence de la méthode de dialyse compensatoire (vividialyse) est que le système dispersé n'est pas lavé avec un solvant pur, mais avec des solutions contenant différentes concentrations d'une ou plusieurs substances spécifiques. Par exemple : détermination du sucre dans le sérum sanguin. Le sérum sanguin est lavé avec une solution de sucre isotonique. La concentration de sucre dans la solution externe ne changera pas si elle est égale à la concentration de sucre dans le sang. Le rein artificiel est basé sur la vividialyse ( hémodialyse). Un rein artificiel est utilisé pour libérer le sang des produits métaboliques, corriger les équilibres électrolytes-eau et acido-basique en cas d'insuffisance rénale aiguë et chronique, ainsi que pour éliminer les substances toxiques dialysables en cas d'intoxication et l'excès d'eau en cas d'œdème.

L'un des domaines d'application les plus prometteurs de la dialyse est la prolongation de l'action des médicaments. La durée de libération contrôlée varie de 2 jours à plusieurs années, garantissant un approvisionnement uniforme du médicament. La manière habituelle de prendre des médicaments - par injection ou sous forme de comprimés - augmente considérablement leur concentration dans l'organisme, ce qui peut provoquer des effets secondaires indésirables. Ainsi, les médicaments contenant des hormones, par injection traditionnelle « pulsée », peuvent provoquer des troubles endocriniens. Par conséquent, des médicaments recouverts d’une couche membranaire sont utilisés. Peu de temps après l'administration, la vitesse à laquelle le médicament pénètre dans l'organisme devient constante et peut être réglée par l'épaisseur de la membrane.

Ultrafiltration - Il s'agit d'un processus baromembranaire, qui consiste dans le fait que le liquide n'est pas filtré spontanément, mais est « poussé » sous pression à travers une cloison semi-perméable. Cette méthode est parfois appelée dialyse sèche, dans le sens où il n’y a pas de solvant de l’autre côté de la membrane. La taille des trous (pores) des membranes d'ultrafiltration varie de 5 nm à 0,05-0,1 µm. Les matériaux utilisés pour la fabrication des membranes d'ultrafiltration sont principalement des substances polymères - acétate de cellulose, polysulfone, polyamide, polyimide, etc. La plupart des membranes sont constituées d'une fine couche sélective d'une épaisseur de plusieurs dizaines de microns et d'un substrat poreux, qui assure la résistance mécanique. . La plupart des membranes polymères modernes sont résistantes aux micro-organismes et aux composés chimiques dans une large plage de pH, ont une sélectivité et une productivité élevées et permettent une exposition à court terme à des agents oxydants puissants : chlore libre, ozone. Pour la réalisation de membranes d'ultrafiltration, des matériaux inorganiques (céramique et métal-céramique) à base d'oxydes Al 2 O 3, TiO 2, ZnO sont également utilisés. Les membranes céramiques se caractérisent par leur durabilité, leur haute résistance physique, chimique et bactérienne, ce qui leur permet de fonctionner dans les conditions les plus sévères. Dans l'industrie, l'ultrafiltration est utilisée pour purifier les eaux usées, séparer les produits de synthèse microbiologique et concentrer les substances biologiquement actives. Récemment, l'ultrafiltration a été utilisée pour nettoyer le sang des toxines et éliminer l'excès de liquide du corps.

Ultracentrifugation- une méthode de séparation et d'étude de particules inférieures à 100 nm dans un champ de forces centrifuges, c'est-à-dire en se déplaçant rapidement en cercle. Il permet de séparer des mélanges de particules en fractions ou composants individuels, de connaître leur poids moléculaire, etc.
Cela se fait à l'aide d'ultracentrifugeuses. Une distinction est faite entre la centrifugation dite analytique (utilisée dans l'analyse des solutions), les volumes de test - de 0,01 à 2 ml avec des poids de particules de plusieurs microgrammes à mg ; et centrifugation préparative (utilisée pour isoler les composants de mélanges complexes), le volume de liquide et la masse de l'échantillon d'essai peuvent être plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux de l'ultracentrifugation analytique. Les accélérations centrifuges dans les ultracentrifugeuses atteignent 500 000 g. La première ultracentrifugeuse analytique a été créée par T. Svedberg (1923 ; 5 000 g).

5. Propriétés moléculaires et cinétiques des systèmes colloïdaux ne sont pas fondamentalement différentes des propriétés des vraies solutions. Ils se caractérisent également par la diffusion, l'osmose, etc., mais tous ces phénomènes ont leurs propres caractéristiques. Diffusion- parce que Les particules colloïdales sont beaucoup plus grandes en taille et en masse que les molécules et les ions, la vitesse de leur mouvement thermique est donc inférieure, par conséquent, la vitesse de diffusion est également plusieurs fois inférieure. Une particule colloïdale se déplace de 1 cm en une journée, parfois des semaines ; en vraies solutions - en heures.

Pression osmotique. On sait que P = CRT. Mais la concentration de particules dans les solutions colloïdales est faible même avec une fraction massique élevée de substance dissoute, donc la pression osmotique dans les solutions colloïdales est faible. (Dans une solution de sucre à 1 % - 79,46 kPa, dans une solution de gélatine à 1 % - 1 kPa et dans une solution colloïdale de sulfure d'arsenic seulement 0,0034 kPa.) Il n'est pas surprenant qu'une telle pression osmotique soit difficile à détecter. De plus, ce n’est pas permanent. La pression osmotique des biopolymères est considérablement affectée par la température et le pH de la solution. Température - parce que la dissociation augmente, le nombre de particules dans la solution augmente. L'effet du pH est associé à une modification du rapport entre les groupes chargés positivement et négativement. Au point isoélectrique, la pression osmotique sera minime ; lorsque le pH passera du côté acide ou alcalin par rapport à l'IET, elle augmentera. Pression osmotique sanguine calculé par la méthode cryoscopique en déterminant la dépression (point de congélation de la solution), qui pour le sang est de 0,56 à 0,58 °C au-dessus de zéro. La pression osmotique du sang est d'environ 7,6 atm. La pression osmotique du sang dépend principalement des composés de faible poids moléculaire qui y sont dissous, principalement des sels. Environ 60 % de cette pression est créée par NaCl. La pression osmotique dans le sang, la lymphe, le liquide tissulaire et les tissus est à peu près la même et constante. Même dans les cas où une quantité importante d'eau ou de sel pénètre dans le sang, la pression osmotique ne subit pas de changements significatifs. Lorsque l'excès d'eau pénètre dans le sang, il est rapidement excrété par les reins et passe dans les tissus et les cellules, ce qui rétablit la valeur initiale de la pression osmotique. Si la concentration de sels dans le sang augmente, l'eau du liquide tissulaire pénètre dans le lit vasculaire et les reins commencent à éliminer intensément les sels. Les produits de la digestion des protéines, des graisses et des glucides, absorbés dans le sang et la lymphe, ainsi que les produits de faible poids moléculaire du métabolisme cellulaire peuvent modifier la pression osmotique dans de petites limites. Le maintien d’une pression osmotique constante joue un rôle extrêmement important dans la vie des cellules.

La partie de la pression osmotique du sang qui dépend de la teneur en composés moléculaires de grande taille (protéines) en solution est appelée pression oncotique. Bien que la concentration de protéines dans le plasma soit assez élevée, le nombre total de molécules est relativement faible en raison de leur poids moléculaire élevé. Par conséquent, la pression oncotique ne dépasse pas 30 mm Hg. La pression oncotique dépend en grande partie de l'albumine (80 % de la pression oncotique est créée par l'albumine), ce qui est dû à son poids moléculaire relativement faible et à son grand nombre de molécules dans le plasma. La pression oncotique joue un rôle important dans la régulation du métabolisme hydrique. Les protéines sont bien hydratées et retiennent l'eau dans le sang. Plus la pression oncotique est élevée, plus l'eau est retenue dans le lit vasculaire et moins elle passe dans les tissus et vice versa. La pression oncotique affecte la formation de liquide tissulaire, la lymphe, l'urine et l'absorption d'eau dans l'intestin. Par conséquent, les solutions de remplacement du sang doivent contenir des biopolymères capables de retenir l’eau. Lorsque la concentration de protéines dans le plasma diminue, un œdème se développe car l'eau n'est plus retenue dans le lit vasculaire et passe dans les tissus.

Sédimentation- parce que les particules sont affectées non seulement par la diffusion, mais aussi par le champ gravitationnel ; sous l'influence de la gravité, des particules ayant une masse suffisante peuvent se déposer (sédiment). Le taux de sédimentation des particules dépend de leur masse (toutes choses étant égales par ailleurs). Une prise de sang détermine stabilité de la suspension sanguine(taux de sédimentation des érythrocytes - ESR). Le sang est une suspension, ou suspension, puisque ses éléments formés sont en suspension dans le plasma. La suspension des globules rouges dans le plasma est maintenue par la nature hydrophile de leur surface, ainsi que par le fait que les globules rouges (comme les autres éléments formés) portent une charge négative, grâce à laquelle ils se repoussent. Si la charge négative des éléments formés diminue, ce qui peut être dû à l'adsorption de protéines chargées positivement comme le fibrinogène, les y-globulines, les paraprotéines, etc., alors la « dispersion » électrostatique entre les globules rouges diminue. Dans ce cas, les globules rouges, collés les uns aux autres, forment ce qu'on appelle des colonnes de pièces de monnaie. De telles « colonnes de pièces de monnaie », coincées dans les capillaires, interfèrent avec l'apport sanguin normal aux tissus et aux organes. Si du sang est placé dans un tube à essai, après avoir ajouté des substances qui empêchent la coagulation, vous pouvez voir au bout d'un moment que le sang est divisé en deux couches : la couche supérieure est constituée de plasma et la couche inférieure est constituée d'éléments formés, principalement rouges. cellules sanguines.

Propriétés particulières des systèmes colloïdaux. Pour les systèmes colloïdaux, une propriété optique caractéristique est la diffusion de la lumière, et en cela elles diffèrent considérablement des propriétés des vraies solutions. Le phénomène de diffusion de la lumière (opalescence) découvert par Faraday (1857) et Tyndall (1864). Ils ont observé la formation d’un cône lumineux lorsqu’un faisceau de lumière traversait une solution colloïdale sous éclairage latéral. Selon la théorie de Rayleigh sur la diffusion de la lumière, lorsqu'une onde lumineuse traverse des systèmes colloïdaux, le champ électromagnétique provoque la polarisation des particules dispersées. Les dipôles émergents sont des sources de nouveaux rayonnements.

équation de Rayleigh:

Où : I o est l'intensité de la lumière incidente, V est le volume des particules, K est le rapport des indices de réfraction de la phase dispersée et du milieu dispersé, est la concentration de la phase dispersée - longueur d'onde.

Parce que l'intensité est inversement proportionnelle à la longueur d'onde à la puissance quatrième, ce qui signifie que lorsqu'un faisceau de lumière blanche le traverse, les ondes les plus courtes (c'est-à-dire bleues et violettes) doivent être préférentiellement diffusées. Par conséquent, les systèmes contenant une substance à phase dispersée incolore présentent une opalescence bleue lorsqu’ils sont éclairés depuis le côté. Cela explique la couleur bleue du gaz brûlé, de la fumée de tabac, du ciel et du lait écrémé. Au contraire, en lumière transmise on observe des teintes rouges associées à la perte de la partie bleue du spectre. C'est pourquoi la couleur rouge a été choisie comme signal de danger : elle ne se dissipe pas et est donc visible de loin. Les solutions colloïdales peuvent également absorber une certaine partie du spectre. Par exemple, les sols d’or hautement dispersés absorbent la partie verte du spectre et sont colorés en rouge. À mesure que la taille des particules augmente, la couleur de la solution se déplace vers la région froide. La couleur de nombreux minéraux, pierres précieuses et pierres semi-précieuses (améthyste, saphir, rubis) est associée aux phénomènes d'absorption et de diffusion de la lumière.

Néphélémétrie– une méthode d’analyse basée sur le phénomène de diffusion de la lumière. Les instruments conçus pour déterminer la concentration et la taille des particules (selon l'équation de Rayleigh) sont appelés néphélomètres. En règle générale, ces appareils comparent l’intensité de la lumière diffusée par la solution étalon et la solution test. Les néphélomètres déterminent la turbidité, c'est-à-dire concentration de particules colloïdales dans diverses solutions lors de la purification de l'eau ou de la production de jus et de vin...

Ultramicroscopie. Dans un microscope conventionnel, les particules colloïdales sont invisibles. Mais si vous éclairez des systèmes colloïdaux avec une lumière latérale sur un fond sombre, vous pouvez voir des points lumineux, car chaque particule devient une source de lumière diffusée. Un appareil qui vous permet de voir des particules colloïdales sur un fond sombre sous un éclairage latéral s'appelle un ultramicroscope. Des particules mesurant jusqu'à 3 nm sont visibles. Un tel microscope a été conçu en 1903 par Siedentopf et Zsigmondy. C’est avec son aide que la théorie du mouvement brownien fut confirmée et que le nombre d’Avogadro fut déterminé. Mais nous devons comprendre que nous ne voyons pas les particules elles-mêmes, mais leurs reflets sur l'écran. Par conséquent, la concentration des particules peut être déterminée, mais leur taille ou leur forme ne peuvent pas être déterminées.

Phénomènes électrocinétiques dans les systèmes colloïdaux, il s'agit d'un groupe de propriétés qui reflètent la relation qui existe entre le mouvement des particules d'un système dispersé les unes par rapport aux autres et les propriétés électriques de l'interface entre ces phases. Il existe quatre types de phénomènes électrocinétiques : l'électroosmose, l'électrophorèse, le potentiel d'écoulement et le potentiel de sédimentation.

Électrosmose- il s'agit du mouvement d'une phase liquide par rapport à une phase solide stationnaire sous l'influence d'un courant électrique (1808, Université d'État de Moscou, Reiss). Lorsqu'un courant continu traversait un tube en forme de U rempli de sable de quartz et d'eau, l'eau dans le coude avec l'électrode négative (cathode) montait plus haut et dans l'autre, elle tombait. Ceux. la phase liquide se déplaçait sous l’influence du courant électrique.

Électrophorèse– mouvement de la phase solide par rapport à la phase liquide stationnaire sous l'influence du courant électrique. En faisant passer un courant continu (100 V) à travers un appareil composé de deux tubes de verre remplis d'eau immergés dans de l'argile humide, Reise a découvert que les particules d'argile se détachaient de la surface de l'argile et se déplaçaient vers le haut (contre la gravité !) vers le pôle positif ( anode). Ceux. la phase solide se déplaçait sous l'influence d'un champ électrique.

Potentiel actuel– le phénomène inverse de l’électroosmose. Quincke a découvert en 1859 que lorsque l'eau est filtrée à travers une membrane poreuse, une différence de potentiel apparaît entre ses deux faces. Quincke a suggéré que la surface d'un corps solide est chargée d'un signe et la couche de liquide adjacente d'un autre. Par la suite, cette idée a conduit à la découverte d’un phénomène étonnant à l’interface : une double couche électrique. Potentiel d'affaissement– le phénomène inverse de l’électrophorèse. Du sable de quartz a été versé dans un grand cylindre d’eau. Lorsque les particules de quartz se déposent dans l'eau, la différence de potentiel entre les électrodes situées à différentes hauteurs est enregistrée.

L'électrophorèse découverte par le professeur Reiss, ainsi que d'autres phénomènes électrocinétiques, ont servi de base à la création de méthodes permettant d'étudier la double couche électrique à la surface des particules colloïdales et d'étudier la structure des particules colloïdales en général. Selon les concepts modernes, à la surface de n'importe quel corps en raison de l'apparition de SAO, de processus de dissociation, d'adsorption sélective d'ions, etc. une double couche électrique (EDL) est formée - deux couches d'ions chargés de manière opposée situées dans l'espace à proximité les unes des autres. Le DES se compose de deux parties : interne – dense et externe – diffuse. La couche dense est constituée d'ions déterminant le potentiel fermement liés à la surface solide et d'une partie des contre-ions attirés en raison de l'attraction électrostatique et des forces d'adsorption spécifiques. Cette partie interne du DES est appelée couche d’adsorption. La somme des charges des ions et des protoions déterminant le potentiel dans la couche d'adsorption n'est pas nulle, il y a généralement moins de contre-ions ; Une certaine quantité de contre-ions, insuffisante pour compenser les charges des ions déterminant le potentiel, se trouve dans la couche externe diffuse. La couche diffuse est formée de contre-ions qui sont attirés vers la surface par la solution en raison d'une interaction électrostatique, mais qui sont très faiblement connectés à la surface. Lorsque la solution se déplace, un espace se produit entre la couche d'adsorption (fermement attachée à la surface) et. la couche diffuse (ions situés dans la couche de solution). Nous avons un mouvement dirigé de particules chargées - le courant électrique. Et vice versa, dans un champ électrique, les granules (phase solide) se déplacent dans un sens et les contre-ions de la couche diffuse (phase liquide) se déplacent dans l'autre, c'est-à-dire les phases des systèmes colloïdaux se déplacent.

Par exemple : si une solution de nitrate d'argent est ajoutée goutte à goutte à une solution d'iodure de potassium (c'est-à-dire qu'elle est en excès), alors un précipité d'iodure d'argent ne précipite pas ; la solution contient peu d'ions d'argent nécessaires à la croissance des cristaux. Et les petits cristaux ne se connecteront pas non plus, car ils ont la même charge. Ceux. le début du processus de cristallisation ne conduit pas à la formation de précipité si la solution contient un électrolyte stabilisant. Il se forme une solution colloïdale d'iodure d'argent avec des particules, dont la structure est généralement exprimée par des formules « micellaires » spéciales :

( m nI - (n-x)K + ) x - xK +, où m est le noyau, c'est-à-dire un petit cristal d'iodure d'argent légèrement soluble ;

m nI - (n-x)K + - couche d'adsorption constituée d'ions iode déterminant le potentiel qui ont été sélectivement adsorbés sur le cristal (ils étaient en excès dans la solution) et d'une certaine quantité de contre-ions potassium fermement liés aux ions iode ; xK + - couche de diffusion mobile d'ions potassium ; ( m nI - (n-x)K + ) x - est un granule d'une particule colloïdale qui se déplacera indépendamment dans un champ électrique. La charge du granule détermine l'amplitude et le potentiel de charge (zêta) (potentiel électrocinétique) à la surface de la particule colloïdale.

Dans les systèmes biologiques, le DES peut également survenir en raison de l'adsorption ou de l'ionisation sélective de groupes fonctionnels de surface. L'adsorption se produit principalement sur les polysaccharides, les lipides, le cholestérol et sur les protéines, le DES se produit généralement en raison de la dissociation des groupes carboxyle et amino. On sait que les acides aminés, selon le pH de l'environnement, existent en solutions sous forme de bi-ions neutres, de formes cationiques ou anioniques de protéines.

Le potentiel diminue à mesure que le nombre de contre-ions dans la couche d'adsorption augmente et peut devenir nul si la charge totale des contre-ions devient égale à la charge des ions déterminant le potentiel (état isoélectrique). Cela peut se produire lorsque la concentration de contre-ions dans la solution augmente. Plus - potentiel, plus le CS est stable, parce que la présence de charge empêche les particules de coller ensemble.

L'ampleur du potentiel ne peut pas être mesurée ; elle peut être calculée à l'aide de l'équation de Helholtz-Smoluchowski :

Où est la viscosité du milieu, est la constante diélectrique du milieu, est la distance entre les électrodes, U est la vitesse d'électrophorèse, E est la différence de potentiel.

Application des phénomènes électrocinétiques. Soixante-dix ans après la découverte des phénomènes électrocinétiques par Reise (au XIXe siècle), l'électroosmose est mise en pratique pour sécher la tourbe puis le bois. Depuis les années 60 du 20e siècle, l'électroosmose est utilisée pour assécher et renforcer les sols lors de la construction de bâtiments, pour lutter contre les glissements de terrain lors de la construction de barrages, pour abaisser le niveau des eaux souterraines, pour réparer les voies ferrées et assécher les bâtiments.

Dans la croûte terrestre, les eaux souterraines s'écoulent à travers les sols et les roches, et elles sont accompagnées de ce que l'on appelle des potentiels d'écoulement, que les géophysiciens utilisent pour rechercher des minéraux, cartographier les eaux souterraines et trouver des moyens permettant à l'eau de s'infiltrer à travers les barrages. Des potentiels d'écoulement apparaissent lors du transport de carburant liquide, lors du remplissage des réservoirs, des réservoirs, des pétroliers et des réservoirs d'essence des avions. Lorsque le carburant circule dans les canalisations, des différences de potentiel assez élevées apparaissent aux extrémités des canalisations, à cause desquelles d'énormes incendies se sont produits sur les pétroliers. Il existe également des potentiels de sédimentation (c'est aussi un écoulement, c'est-à-dire un mouvement) de gouttelettes d'eau dans les nuages ​​- à l'origine des décharges de foudre dans l'atmosphère.

Les méthodes électrochimiques sont largement utilisées en médecine. Lorsque le sang circule dans les capillaires du système circulatoire, des potentiels de flux apparaissent, qui sont l'une des sources des biopotentiels. Il a été établi, par exemple, qu'un des sommets électrocardiogrammes est causée par l’émergence de potentiels de flux sanguin dans les vaisseaux coronaires du cœur. Ces potentiels sont mesurés dans les cliniques et laboratoires de cardiologie.

L'électrophorèse est utilisée comme méthode de détermination et de séparation des protéines(et autres particules chargées électriquement)) dans une solution en faisant passer un courant électrique à travers cette solution. La vitesse de déplacement des particules colloïdales dans un champ électrique dépend de leur charge et de leur masse, elles se séparent donc progressivement et se déplacent vers différents pôles de l'électrode. Grâce à l'électrophorèse, vous pouvez obtenir des médicaments et des substances biologiquement actives.

L'électrophorèse peut également être utilisée pour analyser la composition des systèmes colloïdaux L'électrophorèse, comme la chromatographie, peut être réalisée sur papier. Les électrophérogrammes des protéines du plasma sanguin sont presque les mêmes pour toutes les personnes en bonne santé. Avec la pathologie, ils acquièrent un aspect caractéristique propre à chaque maladie. L'électrophorèse est largement utilisée pour étudier la composition chimique des tissus corporels. Par exemple, pour l'analyse de diverses protéines et lipoprotéines dans le sérum sanguin, l'analyse de la composition des protéines dans l'urine, etc.

L'électrophorèse est très souvent utilisée à des fins thérapeutiques. Par exemple : pour l'administration de médicaments par voie cutanée (les médicaments sont des solutions colloïdales) ; accélération de la migration des leucocytes vers le site de l'inflammation (lors de l'inflammation, les structures cellulaires sont détruites avec formation de produits acides, dans ce cas la surface du tissu acquiert une charge positive) ; ou accélérer le mouvement des globules rouges vers les tissus souffrant d'hypoxie (le potentiel des globules rouges humains est stable et égal à -16,3 mV).

L'électrophorèse est devenue plus répandue dans la clinique de dentisterie thérapeutique comme l'une des méthodes de soulagement de la douleur. À cette fin, des solutions à 5 à 10 % de novocaïne, de dicaïne, de trimécaïne et d'acide nicotinique sont utilisées.

Le problème de la stabilité du CS est l’un des principaux problèmes de la chimie des colloïdes. Les solutions de DIU et certains colloïdes lyophiles (argiles, savons) sont thermodynamiquement stables et se forment spontanément. Lors de la formation de CS lyophobes, une dispersion (broyage) se produit en raison de travaux mécaniques ou autres pour ces processus G> 0, c'est-à-dire des systèmes thémodynamiquement instables se forment. Mais néanmoins, de tels systèmes peuvent exister pendant assez longtemps.

Il existe une stabilité cinétique et agrégative des systèmes colloïdaux . Sous stabilité cinétique comprendre la capacité de la phase dispersée à être en suspension et à ne pas précipiter. Les systèmes hautement dispersés sont cinétiquement plus stables, c'est-à-dire Plus la particule est petite, plus elle se déplace rapidement et moins la gravité agit sur elle. Les sols sont donc cinétiquement plus stables que les émulsions et suspensions classiques. La stabilité cinétique est également affectée par la densité et la viscosité du milieu. Dans les liquides visqueux, même les grosses particules se déposent lentement. Dans un environnement gazeux, la densité et la viscosité sont très faibles. Par conséquent, des systèmes contenant uniquement de très petites particules – les aérosols – peuvent exister dans des environnements gazeux.

Stabilité agrégative est la capacité d'un système à maintenir un certain degré de dispersion, c'est-à-dire ne se combinent pas en particules plus grosses.

Qu'est-ce qui contribue à la stabilité agrégative du CS? Ou : Qu’est-ce qui empêche les particules de coller ensemble ?

Présence de charge sur les particules. Une charge apparaît sur les particules suite à l’adsorption sélective des ions. (voir structure des particules colloïdales, double couche électrique). Cela se produit généralement dans des solutions aqueuses d'électrolytes.

Adsorption sur les particules de tensioactifs. Ce processus entraîne une diminution de la tension superficielle et, en réduisant l'énergie totale du système, le rend plus stable. Mais cela se produit aussi principalement dans les solutions.

Hydratation des particules colloïdales. Ce phénomène est observé dans les solutions aqueuses, mais uniquement dans les colloïdes lyophiles, par exemple dans les solutions protéiques.

Une violation de la stabilité agrégative qui se produit lorsque des particules se collent ensemble pour former de gros agrégats et les précipitent est appelée coagulation.

Obtenus par l'une des méthodes considérées, contiennent des impuretés de substances dissoutes de faible poids moléculaire et de particules grossières, dont la présence peut nuire aux propriétés des sols, réduisant leur stabilité (voir section 12.5).

Pour purifier les solutions colloïdales des impuretés, la filtration, la dialyse, l'électrodialyse et l'ultrafiltration sont utilisées.

Filtration(du latin filrum - feutre) est basé sur la capacité des particules colloïdales à traverser les pores des filtres conventionnels. Dans ce cas, les particules plus grosses sont retenues. La filtration est utilisée pour purifier les solutions colloïdales des impuretés des particules grossières.

Dialyse(du grec dyalisis - séparation) - élimination des composés de faible poids moléculaire des solutions colloïdales et des solutions de DIU à l'aide de membranes. Dans ce cas, la capacité des membranes à traverser les petites molécules et les ions et à retenir les particules colloïdales et les macromolécules est utilisée. Le liquide à dialyser est séparé du solvant pur par une membrane appropriée. Les petites molécules et les ions diffusent à travers la membrane dans le solvant et, lorsqu'ils sont remplacés assez fréquemment, sont presque complètement éliminés du liquide dialysé.

La perméabilité de la membrane vis-à-vis des substances de faible poids moléculaire est déterminée soit par le fait que les petites molécules et les ions traversent librement les capillaires qui pénètrent dans les membranes, soit sont dissous dans la substance membranaire. Divers films sont utilisés comme membranes pour la dialyse, à la fois naturels - vessie de bovin ou de porc, vessie natatoire de poisson et artificiels - à partir de nitrocellulose, d'acétate de cellulose, de cellophane, de gélatine et d'autres matériaux.

Il existe une grande variété de dialyseurs - appareils de dialyse. Tous les dialyseurs sont construits sur le même principe : le fluide dialysé (« fluide interne ») est contenu dans un récipient dans lequel il est séparé de l'eau ou d'un autre solvant (« fluide externe ») par une membrane (Fig. 12.3). Le taux de dialyse augmente avec l'augmentation de la surface de la membrane, de sa porosité et de la taille des pores, avec l'augmentation de la température, de l'intensité du mélange du liquide dialysé et du taux de changement du liquide externe, et diminue avec l'augmentation de l'épaisseur de la membrane. .

Électrodialyse utilisé pour augmenter le taux de dialyse des électrolytes de faible poids moléculaire.

À cette fin, un champ électrique constant est créé dans le dialyseur avec une chute de potentiel de 20 à 250 V/cm et plus. Le diagramme schématique de l'électrodialyseur est présenté sur la figure. 12.4. Réaliser une dialyse sous champ électrique permet d'accélérer de plusieurs dizaines de fois la purification d'une solution colloïdale.

Dialyse compensatoire utilisé lorsqu'il est nécessaire de libérer une solution colloïdale d'une partie seulement des impuretés de faible poids moléculaire. Dans le dialyseur, le solvant est remplacé par une solution de substances de faible poids moléculaire, qui doit être laissée dans la solution colloïdale.

Ultrafiltration(du latin - ultra - over, filrum - feutre) est utilisé pour le nettoyage des systèmes contenant des particules de tailles colloïdales (sols, solutions de DIU, suspensions de bactéries et de virus). La méthode est basée sur le fait de forcer la séparation du mélange à travers des filtres à pores.

Souvent, les systèmes dispersés résultants contiennent, en plus des micelles, un stabilisant et un solvant, des substances de faible poids moléculaire (impuretés). Ils réduisent la stabilité du DS (ils peuvent neutraliser la charge des particules colloïdales, ce qui conduit à la coagulation et à la destruction des systèmes colloïdaux). La dialyse, l'électrodialyse et l'ultrafiltration sont utilisées pour purifier les systèmes colloïdaux des impuretés de faible poids moléculaire.

Dialyse(proposé et nommé par T. Graham) repose sur le passage d'une solution colloïdale à travers une membrane semi-perméable. Le dialyseur le plus simple (Fig. 5) est un sac en matériau semi-perméable dans lequel une solution colloïdale est versée et le sac est descendu dans un récipient contenant de l'eau (solvant). En raison de la petite taille des trous, les membranes semi-perméables retiennent les particules colloïdales et les particules de faible poids moléculaire traversent la membrane pour pénétrer dans le solvant. En conséquence, les substances de faible poids moléculaire sont éliminées de la solution colloïdale. Auparavant, les parois de la vésicule urinaire ou biliaire, des intestins et du parchemin étaient utilisées comme membrane semi-perméable. Actuellement, les membranes sont fabriquées à partir de collodion (une solution de nitrate de cellulose) - cellophane. Ils sont très pratiques car... Les membranes peuvent être fabriquées avec n’importe quelle taille de trou.

Riz. 5. Dialyseurs T. Graham.

Il convient de noter que la dialyse à long terme, en plus d'éliminer les impuretés de la solution, peut entraîner une coagulation du système suite à l'élimination du stabilisant.

Électrodialyse.Étant donné que les impuretés de faible poids moléculaire présentes dans les sols sont des électrolytes, la dialyse peut être accélérée en appliquant un courant électrique. Pour ce faire, la solution colloïdale est placée entre deux membranes à l'extérieur desquelles

La dialyse est utilisée en biotechnologie et en pharmacie pour purifier les protéines et les DIU des impuretés salines, dans la production de médicaments précieux - globuline, floculants, etc. La dialyse est utilisée en clinique comme méthode de traitement (« hémodialyse ») pour les patients atteints de maladies du foie. , maladies rénales, syndrome de pression à long terme, en cas d'intoxication aiguë. Dans ce cas, le sang du patient passe par un appareil « rein artificiel ». Il s’agit d’un système doté d’une membrane dont une face est lavée avec une solution saline (physiologique) ayant la même composition que le plasma sanguin, et l’autre avec le sang du patient. Lors de l'hémodialyse, les produits métaboliques de faible poids moléculaire quittent le sang à travers la membrane, tandis que les protéines restent dans le sang (en raison de leur grande taille). Les sels nécessaires à l'organisme sont également préservés, car il n'y a pas de gradient de leur concentration entre le sang et la solution saline.

L'ultrafiltration est utilisée au même titre que la dialyse et l'électrodialyse, notamment pour la purification du liquide de culture des corps bactériens producteurs d'antibiotiques, la séparation des protéines et la stérilisation de leurs solutions. Dans ce cas, les bactéries et les virus restent sur le filtre et les substances médicinales nécessaires (sérums, vaccins) sont isolées du filtrat.

Conférence n°5. Théories électriques à double couche