Uporabljata se predvsem 2 načina:

1. Disperzijska metoda – uporabite drobljenje trdne snovi v delce velikosti, ki ustreza koloidom. Mletje se izvaja:

• mehansko z uporabo krogličnih mlinov, homogenizatorjev ali ultrazvočnih dezintegratorjev;
• z uporabo fizikalne in kemične metode, kot je peptizacija, dodajanje površinsko aktivnih snovi.

1. Metoda kondenzacije— povečanje delcev z združevanjem molekul ali ionov do velikosti, ki ustreza koloidom. To je mogoče storiti na naslednje načine:

• izhlapevanje topila;
• zamenjava topila;
• izvajanje reakcij, pri katerih nastanejo slabo topne ali netopne snovi - razgradnja, hidroliza itd.

Metode čiščenja koloidnih sistemov

Koloidne raztopine lahko vsebujejo primesi, ki zmanjšujejo njihovo stabilnost, zaradi česar se prečistijo. V ta namen se uporabljajo metode, kot so dializa, elektrodializa, filtracija in ultrafiltracija.

Koloidno raztopino vlijemo v posodo, v spodnjem delu katere je membrana in jo postavimo v posodo z vodo. V topilo prodrejo le ioni in molekule nečistoč z nizko molekulsko maso.

Postopek dialize je počasen in za njegovo pospešitev se uporablja električno polje.

Ker koloidni sistemi zasedajo vmesni položaj v velikosti delcev med grobimi sistemi in pravimi raztopinami, lahko metode za njihovo pripravo razdelimo v dve skupini: disperzijo in kondenzacijo.

Disperzijske metode ki temelji na mletju disperzne faze. Disperzija s tvorbo liofilnih koloidnih sistemov se zgodi spontano zaradi toplotnega gibanja. Tvorba liofobnih koloidnih sistemov zahteva energijo. Da bi dosegli zahtevano stopnjo disperzije, uporabite:

mehansko drobljenje s krogličnimi ali koloidnimi mlini;

ultrazvočno brušenje;

električna disperzija (za pridobivanje kovinskih solov);

kemična disperzija (peptizacija).

Disperzija se običajno izvaja v prisotnosti stabilizatorja. To je lahko presežek enega od reagentov, površinsko aktivnih snovi, beljakovin, polisaharidov.

Kondenzacijske metode sestojijo iz interakcije molekul prave raztopine s tvorbo delcev koloidnih velikosti, kar je mogoče doseči s fizikalnimi in kemičnimi metodami.

Fizikalna metoda je metoda zamenjave topila (na primer pravi raztopini kolofonije v alkoholu se doda voda, nato se alkohol odstrani).

Kemična kondenzacija je sestavljena iz pridobivanja koloidnih raztopin s kemičnimi reakcijami s tvorbo težko topnih spojin:

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

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

Začetne raztopine morajo biti razredčene in vsebovati presežek enega od reagentov.

3. Metode čiščenja koloidnih raztopin

Če koloidne raztopine vsebujejo nečistoče raztopljenih nizkomolekularnih snovi in ​​grobih delcev, lahko njihova prisotnost negativno vpliva na lastnosti solov in zmanjša njihovo stabilnost.

Za čiščenje koloidnih raztopin pred nečistočami uporabite filtracija, dializa, elektrodializa, ultrafiltracija.

Filtracija temelji na sposobnosti koloidnih delcev, da prehajajo skozi pore običajnih filtrov. V tem primeru se zadržijo večji delci. Filtracija se uporablja za čiščenje koloidnih raztopin pred nečistočami grobih delcev.

Dializa- odstranjevanje nizkomolekularnih spojin iz koloidnih raztopin in raztopin IUD z uporabo membran. V tem primeru se uporablja sposobnost membran, da prehajajo skozi majhne molekule in ione ter zadržujejo koloidne delce in makromolekule. Tekočina za dializacijo je ločena od čistega topila z ustrezno membrano. Majhne molekule in ioni difundirajo skozi membrano v topilo in se, ko ga dovolj pogosto zamenjamo, skoraj popolnoma odstranijo iz dializirane tekočine. Prepustnost membrane za snovi z nizko molekulsko maso je določena z dejstvom, da majhne molekule in ioni prosto prehajajo skozi kapilare, ki prodrejo v membrano, ali pa so raztopljeni v membranski snovi. Kot membrane za dializo se uporabljajo različne folije, tako naravne - goveji ali svinjski mehur, ribji plavalni mehur, kot umetne - iz nitroceluloze, celuloznega acetata, celofana, želatine in drugih materialov.

Umetne membrane imajo prednost pred naravnimi, saj jih je mogoče pripraviti z različno in visoko ponovljivo prepustnostjo. Pri izbiri materiala za membrano je pogosto treba upoštevati naboj membrane v določenem topilu, ki nastane bodisi zaradi disociacije same membranske snovi bodisi zaradi selektivne adsorpcije ionov na njej, ali neenakomerna porazdelitev ionov na obeh straneh membrane. Včasih je lahko vzrok prisotnost naboja na membrani koagulacija med dializo koloidnih raztopin, katerih delci nosijo naboj, ki je v predznaku nasproten naboju membrane. Površina celofanskih in kolodijevih membran v vodi in vodnih raztopinah je običajno negativno nabita. Proteinske membrane so v okolju s pH nižjim od izoelektrične točke proteina pozitivno nabite, v okolju z višjim pH pa negativno.

Obstaja velika paleta dializatorjev – naprav za dializo. Vsi dializatorji so zgrajeni po istem principu: tekočina, ki se dializira (»notranja tekočina«), je v posodi, v kateri je z membrano ločena od vode ali drugega topila (»zunanja tekočina«). Hitrost dialize se poveča s povečanjem površine membrane, njene poroznosti in velikosti por, s povečanjem temperature, intenzivnosti mešanja dializirane tekočine in hitrostjo spreminjanja zunanje tekočine ter upada z večanjem debeline membrane. .

Sl.31.1 . Dializator: 1 - tekočina za dializo; 2 - topilo; 3 - dializna membrana; 4 - mešalnik

elektrodializa uporablja se za povečanje hitrosti dialize elektrolitov z nizko molekulsko maso. V ta namen se v dializatorju ustvari konstantno električno polje. Izvajanje dialize v električnem polju omogoča več desetkrat pospešitev čiščenja koloidne raztopine.

Kompenzatorna dializa uporablja se, kadar je treba koloidno raztopino osvoboditi le dela nečistoč z nizko molekulsko maso. V dializatorju se topilo nadomesti z zunanjo raztopino nizkomolekularnih snovi, ki jih je treba pustiti v koloidni raztopini.

Ena od vrst kompenzacijske dialize je hemodializa– čiščenje krvi z aparatom umetna ledvica. Venska kri pride skozi membrano v stik z zunanjo raztopino, ki v enaki koncentraciji kot kri vsebuje snovi, ki jih je treba ohraniti v krvi (sladkor, natrijevi ioni). V tem primeru se kri očisti toksinov (sečnine, sečne kisline, bilirubina, aminov, peptidov, odvečnih kalijevih ionov), ki prehajajo skozi membrano v zunanjo raztopino. Prosti sladkor v krvnem serumu določamo s kompenzacijsko dializo seruma proti izotonični fiziološki raztopini, ki ji dodamo različne količine sladkorja. Koncentracija sladkorja v fiziološki raztopini se med dializo ne spremeni le, če je enaka koncentraciji prostega sladkorja v krvi.

Ultrafiltracija uporablja se za čiščenje sistemov, ki vsebujejo delce koloidne velikosti (soli, raztopine IUD, suspenzije bakterij in virusov). Metoda temelji na prisilnem ločevanju zmesi skozi filtre s porami, ki prepuščajo le molekulam in ionom nizkomolekularnih snovi. Do neke mere lahko ultrafiltracijo razumemo kot tlačno dializo. Ultrafiltracija se pogosto uporablja za čiščenje vode, beljakovin, nukleinskih kislin, encimov, vitaminov, pa tudi v mikrobiologiji za določanje velikosti virusov in bakteriofagov.

Dializa– najpomembnejši med njimi. Bistvo metode: dve posodi, ločeni s polprepustno membrano (kolodij, celofan, pergament, polisiloksan, polivinilklorid, polietilen). V eni posodi je koloidna raztopina, ki jo je treba prečistiti, v drugi pa čisto topilo. Zaradi difuzije bodo vsi ioni iz koloidne raztopine, ki lahko preidejo skozi membranske luknje, prešli v topilo, večji koloidni delci pa bodo ostali v raztopini. Prednost metode: enostavnost in nizki stroški. Slabost: čas dialize je več dni. Hitrost se lahko poveča zaradi temperature, vendar zelo malo.

Toda hitrost se lahko poveča zaradi usmerjenega gibanja ionov v električnem polju. Dializator je opremljen z dodatno komoro z elektrodami (konstantna napetost). Čas dialize bo nekaj ur ali celo minut. Ta metoda se pogosto uporablja v biokemiji, farmaciji, medicini, čiščenju vode in proizvodnji hrane.

Pogosto se uporablja druga vrsta dialize - kompenzacijska dializa (vividializa) je v tem, da se disperzni sistem ne izpira s čistim topilom, temveč z raztopinami z različnimi koncentracijami določene snovi (ali snovi). Na primer: določanje sladkorja v krvnem serumu. Krvni serum speremo z izotonično raztopino sladkorja. Koncentracija sladkorja v zunanji raztopini se ne spremeni, če je enaka koncentraciji sladkorja v krvi. Umetna ledvica temelji na vividializi ( hemodializa). Umetna ledvica se uporablja za osvobajanje krvi od presnovnih produktov, popravljanje elektrolitsko-vodnega in kislinsko-bazičnega ravnovesja pri akutni in kronični ledvični odpovedi ter za odstranjevanje dializabilnih toksičnih snovi pri zastrupitvah in odvečne vode pri edemih.

Eno najbolj obetavnih področij uporabe dialize je podaljšanje delovanja zdravil. Trajanje nadzorovanega sproščanja je od 2 dni do nekaj let, kar zagotavlja enakomerno oskrbo z zdravilom. Običajen način jemanja zdravil – v obliki injekcij ali v obliki tablet – močno poveča njihovo koncentracijo v telesu, kar lahko povzroči neželene stranske učinke. Tako lahko zdravila, ki vsebujejo hormone, s tradicionalno "pulzno" injekcijo povzročijo endokrine motnje. Zato se uporabljajo zdravila, prevlečena z membransko plastjo. Kmalu po dajanju postane hitrost, s katero zdravilo vstopi v telo, konstantna in jo je mogoče nastaviti z debelino membrane.

Ultrafiltracija - To je baromembranski proces, ki sestoji iz dejstva, da se tekočina ne filtrira spontano, ampak se pod pritiskom "potisne" skozi polprepustno pregrado. To metodo včasih imenujemo suha dializa, v smislu, da na drugi strani membrane ni topila. Velikost lukenj (por) ultrafiltracijskih membran se giblje od 5 nm do 0,05–0,1 µm. Materiali, ki se uporabljajo za izdelavo ultrafiltracijskih membran, so predvsem polimerne snovi - celulozni acetat, polisulfon, poliamid, poliimid itd. Večina membran je sestavljena iz tanke selektivne plasti z debelino nekaj deset mikronov in poroznega substrata, ki zagotavlja mehansko trdnost. . Večina sodobnih polimernih membran je odpornih na mikroorganizme in kemične spojine v širokem območju pH, imajo visoko selektivnost in produktivnost ter omogočajo kratkotrajno izpostavljenost močnim oksidantom: prosti klor, ozon. Za izdelavo ultrafiltracijskih membran se uporabljajo tudi anorganski (keramični in kovinsko-keramični) materiali na osnovi oksidov Al 2 O 3, TiO 2, ZnO. Keramične membrane odlikujejo vzdržljivost, visoka fizikalna, kemična in bakterijska odpornost, kar jim omogoča delovanje v najtežjih pogojih. V industriji se ultrafiltracija uporablja za čiščenje odpadne vode, ločevanje produktov mikrobiološke sinteze in koncentriranje biološko aktivnih snovi. V zadnjem času se ultrafiltracija uporablja za čiščenje krvi toksinov in odstranjevanje odvečne tekočine iz telesa.

Ultracentrifugiranje- metoda za ločevanje in preučevanje delcev, manjših od 100 nm, v polju centrifugalnih sil, t.j. pri hitrem gibanju v krogu. Omogoča vam ločevanje zmesi delcev na frakcije ali posamezne komponente, iskanje njihove molekulske mase itd.
To se naredi z ultracentrifugami. Razlikujemo tako imenovano analitično centrifugiranje (uporablja se pri analizi raztopin), preskusni volumni - od 0,01 do 2 ml z maso delcev od nekaj mikrogramov do mg; in preparativnega centrifugiranja (ki se uporablja za izolacijo komponent iz kompleksnih zmesi), sta lahko prostornina tekočine in masa preskusnega vzorca nekaj velikostnih redov večja kot pri analitičnem ultracentrifugiranju. Centrifugalni pospeški v ultracentrifugah dosežejo 500.000 g. Prvo analitično ultracentrifugo je ustvaril T. Svedberg (1923; 5000g).

5. Molekularno-kinetične lastnosti koloidnih sistemov se bistveno ne razlikujejo od lastnosti pravih raztopin. Zanje je značilna tudi difuzija, osmoza itd., vendar imajo vsi ti pojavi svoje značilnosti. Difuzija– ker Koloidni delci so veliko večji po velikosti in masi od molekul in ionov, zato je hitrost njihovega toplotnega gibanja manjša, zato je tudi hitrost difuzije mnogokrat manjša. Koloidni delec se premakne za 1 cm v enem dnevu, včasih v tednih; v pravih rešitvah - v urah.

Osmotski tlak. Znano je, da je P=CRT. Toda koncentracija delcev v koloidnih raztopinah je majhna tudi pri visokem masnem deležu raztopljene snovi, zato je osmotski tlak v koloidnih raztopinah nizek. (V 1% raztopini sladkorja - 79,46 kPa, v 1% raztopini želatine - 1 kPa in v koloidni raztopini arzenovega sulfida le 0,0034 kPa.) Ni presenetljivo, da je tak osmotski tlak težko zaznati. Poleg tega ni trajno. Na osmotski tlak biopolimerov pomembno vplivata temperatura in pH raztopine. Temperatura - ker se poveča disociacija, se zato poveča število delcev v raztopini. Učinek pH je povezan s spremembo razmerja med pozitivno in negativno nabitimi skupinami. V izoelektrični točki bo osmotski tlak minimalen; ko se pH premakne na kislo ali alkalno stran od IET, se bo povečal. Krvni osmotski tlak izračunano s krioskopsko metodo z določitvijo depresije (ledišče raztopine), ki je za kri 0,56-0,58 ° C nad ničlo. Osmotski tlak krvi je približno 7,6 atm. Osmotski tlak krvi je odvisen predvsem od nizkomolekularnih spojin, ki so v njej raztopljene, predvsem soli. Približno 60 % tega tlaka ustvari NaCl. Osmotski tlak v krvi, limfi, tkivni tekočini, tkivih je približno enak in konstanten. Tudi v primerih, ko v kri vstopi znatna količina vode ali soli, se osmotski tlak ne spremeni bistveno. Ko odvečna voda pride v kri, jo ledvice hitro izločijo in preide v tkiva in celice, s čimer se povrne prvotna vrednost osmotskega tlaka. Če se koncentracija soli v krvi poveča, potem voda iz tkivne tekočine vstopi v žilno posteljo in ledvice začnejo intenzivno odstranjevati soli. Produkti prebave beljakovin, maščob in ogljikovih hidratov, absorbirani v kri in limfo, pa tudi produkti celične presnove z nizko molekulsko maso lahko spremenijo osmotski tlak v majhnih mejah. Vzdrževanje konstantnega osmotskega tlaka ima izjemno pomembno vlogo v življenju celic.

Del osmotskega tlaka krvi, ki je odvisen od vsebnosti velikih molekularnih spojin (proteinov) v raztopini, imenujemo onkotski tlak. Čeprav je koncentracija beljakovin v plazmi precej visoka, je skupno število molekul relativno majhno zaradi njihove velike molekulske mase. Zato onkotski tlak ne presega 30 mm Hg. Onkotski tlak je v veliki meri odvisen od albumina (80 % onkotskega tlaka ustvari albumin), kar je posledica njihove relativno nizke molekulske mase in velikega števila molekul v plazmi. Onkotski tlak igra pomembno vlogo pri uravnavanju presnove vode. Beljakovine so dobro hidrirane in zadržujejo vodo v krvnem obtoku. Večji ko je onkotski tlak, več vode se zadržuje v žilnem koritu in manj je prehaja v tkiva in obratno. Onkotski tlak vpliva na nastajanje tkivne tekočine, limfe, urina in absorpcijo vode v črevesju. Zato morajo krvne nadomestne raztopine vsebovati biopolimere, ki lahko zadržujejo vodo. Ko se koncentracija beljakovin v plazmi zmanjša, se razvije edem, saj se voda ne zadržuje več v žilnem koritu in prehaja v tkiva.

Sedimentacija– ker na delce ne vpliva le difuzija, ampak tudi gravitacijsko polje, delci z zadostno maso se lahko usedejo (sedimentirajo). Hitrost usedanja delcev je odvisna od njihove mase (pri enakih pogojih). Krvni test določa stabilnost krvne suspenzije(stopnja sedimentacije eritrocitov - ESR). Kri je suspenzija ali suspenzija, saj so njeni oblikovani elementi suspendirani v plazmi. Suspenzijo rdečih krvnih celic v plazmi ohranja hidrofilna narava njihove površine, pa tudi dejstvo, da rdeče krvne celice (kot drugi oblikovani elementi) nosijo negativen naboj, zaradi česar se odbijajo. Če se negativni naboj oblikovanih elementov zmanjša, kar je lahko posledica adsorpcije pozitivno nabitih proteinov, kot so fibrinogen, γ-globulini, paraproteini itd., se elektrostatična "razpršenost" med rdečimi krvničkami zmanjša. V tem primeru rdeče krvne celice, ki se držijo med seboj, tvorijo tako imenovane stebre kovancev. Takšni "stolpci kovancev", ki se zataknejo v kapilarah, motijo ​​​​normalno prekrvavitev tkiv in organov. Če kri damo v epruveto po dodajanju snovi, ki preprečujejo strjevanje, lahko čez nekaj časa opazimo, da je kri razdeljena na dve plasti: zgornja je sestavljena iz plazme, spodnja pa iz oblikovanih elementov, predvsem rdečih. krvne celice.

Posebne lastnosti koloidnih sistemov. Za koloidne sisteme je značilna optična lastnost sipanje svetlobe in v tem se bistveno razlikujejo od lastnosti pravih raztopin. Pojav sipanja svetlobe (opalescenca) odkrila Faraday (1857) in Tyndall (1864). Opazovali so nastanek svetlečega stožca, ko je žarek svetlobe prešel skozi koloidno raztopino ob bočni osvetlitvi. Po Rayleighovi teoriji sipanja svetlobe, ko svetlobni val prehaja skozi koloidne sisteme, elektromagnetno polje povzroči polarizacijo razpršenih delcev. Nastajajoči dipoli so viri novega sevanja.

Rayleigheva enačba:

Kjer je: I o intenziteta vpadne svetlobe, V prostornina delcev, K razmerje lomnih količnikov disperzne faze in disperznega medija, koncentracija disperzne faze - valovna dolžina.

Ker intenziteta je obratno sorazmerna z valovno dolžino na četrto potenco, kar pomeni, da se pri prehodu snopa bele svetlobe najkrajši valovi (tj. modri in vijolični) prednostno razpršijo. Zato imajo sistemi z neobarvano snovjo disperzne faze modro opalescenco, če so osvetljeni s strani. To pojasnjuje modro barvo gorečega plina, tobačnega dima, neba in posnetega mleka. Nasprotno, v prepuščeni svetlobi opazimo rdeče odtenke, povezane z izgubo modrega dela spektra. Zato je bila kot signal nevarnosti izbrana rdeča barva – ta se ne razprši in je zato vidna daleč. Koloidne raztopine lahko absorbirajo tudi določen del spektra. Na primer, visoko razpršeni zlati soli absorbirajo zeleni del spektra in so obarvani rdeče. Ko se velikost delcev poveča, se barva raztopine premakne v hladno območje. Barva številnih mineralov, dragih in poldragih kamnov (ametist, safir, rubin) je povezana s pojavi absorpcije in sipanja svetlobe.

Nefelometrija– analizna metoda, ki temelji na pojavu sipanja svetlobe. Instrumenti za določanje koncentracije in velikosti delcev (v skladu z Rayleighovo enačbo) se imenujejo nefelometri. Običajno te naprave primerjajo intenzivnost svetlobe, razpršene s standardno in preskusno raztopino. Nefelometri določajo motnost, tj. koncentracija koloidnih delcev v različnih raztopinah pri čiščenju vode ali proizvodnji sokov in vina...

Ultramikroskopija. V običajnem mikroskopu so koloidni delci nevidni. Če pa koloidne sisteme osvetlite s stransko svetlobo na temnem ozadju, lahko vidite svetleče točke, ker vsak delec postane vir razpršene svetlobe. Naprava, ki vam omogoča, da vidite koloidne delce na temnem ozadju pri stranski osvetlitvi, se imenuje ultramikroskop. Vidni so delci velikosti do 3 nm. Takšen mikroskop sta leta 1903 zasnovala Siedentopf in Zsigmondy. Z njegovo pomočjo je bila potrjena teorija Brownovega gibanja in določeno Avogadrovo število. Vendar moramo razumeti, da ne vidimo samih delcev, temveč njihove odseve na zaslonu. Zato lahko določimo koncentracijo delcev, ne moremo pa določiti njihove velikosti ali oblike.

Elektrokinetični pojavi v koloidnih sistemih je to skupina lastnosti, ki odražajo odnos, ki obstaja med gibanjem delcev razpršenega sistema relativno drug proti drugemu in električnimi lastnostmi vmesnika med temi fazami. Obstajajo štiri vrste elektrokinetičnih pojavov: elektroosmoza, elektroforeza, pretočni potencial in sedimentacijski potencial.

Elektroosmoza- to je gibanje tekoče faze glede na stacionarno trdno fazo pod vplivom električnega toka (1808, Moskovska državna univerza, Reiss). Pri speljevanju enosmernega toka skozi cev v obliki črke U, napolnjeno s kremenčevim peskom in vodo, se je voda v kolenu z negativno elektrodo (katodo) dvignila višje, v drugem pa upadla. Tisti. tekoča faza se je premikala pod vplivom električnega toka.

elektroforeza– gibanje trdne faze glede na stacionarno tekočo fazo pod vplivom električnega toka. S prehodom enosmernega toka (100 V) skozi napravo, sestavljeno iz dveh z vodo napolnjenih steklenih cevi, potopljenih v mokro glino, je Reise odkril, da se delci gline odlomijo od površine gline in se premaknejo navzgor (proti težnosti!) proti pozitivnemu polu ( anoda). Tisti. trdna faza se je premikala pod vplivom električnega polja.

Trenutni potencial– pojav, nasproten elektroosmozi. Quincke je leta 1859 odkril, da pri filtriranju vode skozi porozno membrano nastane potencialna razlika med njenima obema stranema. Quincke je predlagal, da je površina trdnega telesa nabita z enim znakom, sosednja plast tekočine pa z drugim. Kasneje je ta ideja vodila do odkritja neverjetnega pojava na vmesniku - dvojne električne plasti. Možnost posedanja– nasprotni pojav od elektroforeze. Kremenčev pesek so nasuli v visok valj z vodo. Ko so se delci kremena usedli v vodo, so zabeležili potencialno razliko med elektrodama, ki se nahajata na različnih višinah.

Elektroforeza, ki jo je odkril profesor Reiss, in drugi elektrokinetični pojavi so služili kot osnova za ustvarjanje metod za preučevanje dvojne električne plasti na površini koloidnih delcev in preučevanje strukture koloidnih delcev na splošno. Po sodobnih konceptih na površini katerega koli telesa kot posledica pojava ODS, disociacijskih procesov, selektivne adsorpcije ionov itd. nastane dvojna električna plast (EDL) - dve plasti nasprotno nabitih ionov, ki se nahajata v prostoru v neposredni bližini drug drugega. DES je sestavljen iz dveh delov: notranjega - gostega in zunanjega - difuznega. Gosta plast je sestavljena iz ionov, ki določajo potencial, trdno vezanih na trdno površino in dela protiionov, ki jih privlači elektrostatična privlačnost in specifične adsorpcijske sile. Ta notranji del DES se imenuje adsorpcijska plast. Vsota nabojev ionov, ki določajo potencial, in protoionov v adsorpcijski plasti ni enaka nič; protiionov je običajno manj. Določena količina protiionov, ki ne zadostuje za kompenzacijo nabojev ionov, ki določajo potencial, se nahaja v zunanji, razpršeni plasti. Difuzno plast tvorijo protiioni, ki se zaradi elektrostatične interakcije privlačijo na površino, vendar so s površino zelo šibko povezani, med adsorpcijsko plastjo (trdno pritrjeno na površino) in difuzna plast (ioni, ki se nahajajo v plasti raztopine). Imamo usmerjeno gibanje nabitih delcev – električni tok. In obratno, v električnem polju se zrnca (trdna faza) gibljejo v eno smer, protiioni difuzne plasti (tekoča faza) pa v drugo, tj. faze koloidnih sistemov se premikajo.

Na primer: če raztopino srebrovega nitrata po kapljicah dodamo raztopini kalijevega jodida (tj. je v presežku), potem se oborina srebrovega jodida ne obori; raztopina vsebuje malo srebrovih ionov, potrebnih za rast kristalov. In tudi majhni kristali se ne bodo povezali, ker imajo enak naboj. Tisti. začetek procesa kristalizacije ne vodi do nastanka oborine, če raztopina vsebuje stabilizatorski elektrolit. Nastane koloidna raztopina srebrovega jodida z delci, katere strukturo običajno izrazimo s posebnimi »micelarnimi« formulami:

( m nI - (n-x)K + ) x - xK +, kjer je m jedro, tj. majhen kristal rahlo topnega srebrovega jodida;

m nI - (n-x)K + - adsorpcijska plast, ki jo sestavljajo jodovi ioni, ki določajo potencial, ki so bili selektivno adsorbirani na kristalu (v raztopini so bili v presežku) in določena količina kalijevih protiionov, trdno vezanih na ione joda; xK + - mobilna difuzijska plast kalijevih ionov; ( m nI - (n-x)K + ) x - je granula koloidnega delca, ki se bo neodvisno gibala v električnem polju. Naboj zrnca določa velikost in potencial naboja (zeta) (elektrokinetični potencial) na površini koloidnega delca.

V bioloških sistemih lahko DES nastane tudi zaradi selektivne adsorpcije ali ionizacije površinskih funkcionalnih skupin. Adsorpcija poteka predvsem na polisaharidih, lipidih, holesterolu, na beljakovinah pa DES običajno nastane zaradi disociacije karboksilne in amino skupine. Znano je, da aminokisline, odvisno od pH okolja, obstajajo v raztopinah v obliki nevtralnih bi-ionov, kationskih ali anionskih oblik beljakovin.

Potencial se zmanjša, ko se število protiionov v adsorpcijski plasti poveča in lahko postane nič, če skupni naboj protiionov postane enak naboju ionov, ki določajo potencial (izoelektrično stanje). To se lahko zgodi, ko se koncentracija protiionov v raztopini poveča. Čim več - potencial, bolj stabilen je CS, ker prisotnost naboja preprečuje, da bi se delci zlepili.

Magnitude potenciala ni mogoče izmeriti, lahko pa jo izračunamo z enačbo Helholtz-Smoluchowskega:

Kje je viskoznost medija, je dielektrična konstanta medija, je razdalja med elektrodama, U je hitrost elektroforeze, E je potencialna razlika.

Uporaba elektrokinetičnih pojavov. Sedemdeset let po tem, ko je Reise odkril elektrokinetične pojave (že v 19. stoletju), je bila elektroosmoza uporabljena v praksi za sušenje šote in nato sušenje lesa. Od 60. let 20. stoletja se elektroosmoza uporablja za sušenje in utrjevanje tal pri gradnji stavb, za boj proti zemeljskim plazovom pri gradnji jezov, za zniževanje nivoja podzemne vode, za popravilo železniških tirov in sušenje zgradb.

V zemeljski skorji se podzemna voda pretaka skozi prst in kamnine, spremljajo pa jih tako imenovani pretočni potenciali, s katerimi geofiziki iščejo minerale, kartirajo podtalnico in iščejo poti, kako voda pronica skozi jezove. Pretočni potenciali nastajajo pri prevozu tekočih goriv, ​​pri polnjenju rezervoarjev, rezervoarjev, tankerjev za nafto in letalskih plinskih rezervoarjev. Ko gorivo teče po ceveh, nastanejo na koncih cevovodov precej velike potencialne razlike, zaradi katerih nastanejo veliki požari na naftnih tankerjih. Obstajajo tudi možnosti za usedanje (to je tudi tok, t.j. gibanje) vodnih kapljic v oblakih - vzrok za razelektritve strele v atmosferi.

Elektrokemijske metode se pogosto uporabljajo v medicini. Ko kri teče skozi kapilare obtočil, nastanejo pretočni potenciali, ki so eden od virov biopotencialov. Ugotovljeno je bilo npr., da je eden od vrhov elektrokardiogrami je posledica pojava potencialov krvnega pretoka v koronarnih žilah srca. Ti potenciali se merijo v kardioloških ambulantah in laboratorijih.

Elektroforeza se uporablja kot metoda za določanje in ločevanje beljakovin(in druge električno nabite delce)) v raztopini s prehajanjem električnega toka skozi to raztopino. Hitrost gibanja koloidnih delcev v električnem polju je odvisna od njihovega naboja in mase, zato se postopoma ločujejo in premikajo na različne poli elektrode. Z elektroforezo lahko pridobite zdravila in biološko aktivne snovi.

Elektroforezo lahko uporabimo tudi za analizo sestave koloidnih sistemov.Elektroforezo lahko tako kot kromatografijo izvajamo na papirju. Elektroferogrami beljakovin krvne plazme so skoraj enaki za vse zdrave ljudi. S patologijo pridobijo značilen videz, ki je značilen za vsako bolezen. Elektroforeza se pogosto uporablja za preučevanje kemične sestave telesnih tkiv. Na primer za analizo različnih beljakovin in lipoproteinov v krvnem serumu, analizo sestave beljakovin v urinu itd.

Elektroforeza se zelo pogosto uporablja v terapevtske namene. Na primer: za dajanje zdravil skozi kožo (zdravila so koloidne raztopine); pospešitev migracije levkocitov na mesto vnetja (med vnetjem se celične strukture uničijo s tvorbo kislih produktov, v tem primeru površina tkiva pridobi pozitiven naboj); ali pospeševanje premikanja rdečih krvnih celic v tkiva, ki trpijo zaradi hipoksije (potencial človeških rdečih krvnih celic je stabilen in enak -16,3 mV).

Elektroforeza je postala vse bolj razširjena v kliniki terapevtskega zobozdravstva kot ena od metod lajšanja bolečin. V ta namen se uporabljajo 5-10% raztopine novokaina, dikaina, trimekaina in nikotinske kisline.

Problem stabilnosti CS je eden glavnih v koloidni kemiji. Raztopine IUD in nekateri liofilni koloidi (gline, mila) so termodinamično stabilni in se tvorijo spontano. Pri nastajanju liofobnega CS pride do disperzije (mletja) zaradi mehanskega ali drugega dela; za te procese je G> 0, tj. nastanejo sistemi, ki so temodinamsko nestabilni. Toda kljub temu lahko takšni sistemi obstajajo precej dolgo.

Obstajata kinetična in agregatna stabilnost koloidnih sistemov . Pod kinetična stabilnost razumeti sposobnost dispergirane faze, da je v suspenziji in ne precipitira. Visoko disperzni sistemi so kinetično bolj stabilni, tj. Manjši kot je delec, hitreje se giblje in manj gravitacije deluje nanj. Zato so soli kinetično stabilnejši od klasičnih emulzij in suspenzij. Na kinetično stabilnost vplivata tudi gostota in viskoznost medija. V viskoznih tekočinah se tudi veliki delci počasi usedajo. V plinastem okolju sta gostota in viskoznost zelo nizki, zato lahko v plinastem okolju obstajajo sistemi z zelo majhnimi delci - aerosoli.

Agregatna stabilnost je sposobnost sistema, da vzdržuje določeno stopnjo razpršenosti, tj. ne združujejo v večje delce.

Kaj prispeva k agregatni stabilnosti CS? Ali: Kaj preprečuje, da bi se delci zlepili?

Prisotnost naboja na delcih. Na delcih se pojavi naboj kot posledica selektivne adsorpcije ionov. (glej strukturo koloidnih delcev, električna dvojna plast). To se običajno zgodi v vodnih raztopinah elektrolitov.

Adsorpcija na delce površinsko aktivne snovi. Ta proces vodi do zmanjšanja površinske napetosti in z zmanjšanjem celotne energije sistema, ga naredi bolj stabilnega. A tudi to se dogaja predvsem v rešitvah.

Hidracija koloidnih delcev. Ta pojav opazimo v vodnih raztopinah, vendar le v liofilnih koloidih, na primer v beljakovinskih raztopinah.

Kršitev agregatne stabilnosti, ki nastane kot posledica lepljenja delcev v velike agregate in njihovega obarjanja, se imenuje koagulacija.

Pridobljeni z eno od obravnavanih metod vsebujejo nečistoče raztopljenih nizkomolekularnih snovi in ​​grobih delcev, katerih prisotnost lahko negativno vpliva na lastnosti solov in zmanjša njihovo stabilnost (glej oddelek 12.5).

Za čiščenje koloidnih raztopin pred nečistočami se uporabljajo filtracija, dializa, elektrodializa in ultrafiltracija.

Filtracija(iz latinščine filtrum - klobučevina) temelji na sposobnosti koloidnih delcev, da prehajajo skozi pore običajnih filtrov. V tem primeru se zadržijo večji delci. Filtracija se uporablja za čiščenje koloidnih raztopin pred nečistočami grobih delcev.

Dializa(iz grške dialize - ločevanje) - odstranitev spojin z nizko molekulsko maso iz koloidnih raztopin in raztopin IUD z uporabo membran. V tem primeru se uporablja sposobnost membran, da prehajajo skozi majhne molekule in ione ter zadržujejo koloidne delce in makromolekule. Tekočina za dializacijo je ločena od čistega topila z ustrezno membrano. Majhne molekule in ioni difundirajo skozi membrano v topilo in se, ko ga dovolj pogosto zamenjamo, skoraj popolnoma odstranijo iz dializirane tekočine.

Prepustnost membrane za snovi z nizko molekulsko maso je določena z dejstvom, da majhne molekule in ioni prosto prehajajo skozi kapilare, ki prodrejo v membrane, ali pa so raztopljeni v membranski snovi. Kot membrane za dializo se uporabljajo različne folije, tako naravne - goveji ali svinjski mehur, ribji plavalni mehur, kot umetne - iz nitroceluloze, celuloznega acetata, celofana, želatine in drugih materialov.

Obstaja velika paleta dializatorjev – naprav za dializo. Vsi dializatorji so zgrajeni po istem principu: tekočina, ki se dializira (»notranja tekočina«), je v posodi, v kateri je z membrano ločena od vode ali drugega topila (»zunanja tekočina«) (slika 12.3). Hitrost dialize se poveča s povečanjem površine membrane, njene poroznosti in velikosti por, s povečanjem temperature, intenzivnosti mešanja dializirane tekočine in hitrostjo spreminjanja zunanje tekočine ter upada z večanjem debeline membrane. .

elektrodializa uporablja se za povečanje hitrosti dialize elektrolitov z nizko molekulsko maso.

V ta namen se v dializatorju ustvari konstantno električno polje s padcem potenciala 20-250 V/cm in več. Shematski diagram elektrodializatorja je prikazan na sl. 12.4. Izvajanje dialize v električnem polju omogoča več desetkrat pospešitev čiščenja koloidne raztopine.

Kompenzatorna dializa uporablja se, kadar je treba koloidno raztopino osvoboditi le dela nečistoč z nizko molekulsko maso. V dializatorju se topilo nadomesti z raztopino nizkomolekularnih snovi, ki jih je treba pustiti v koloidni raztopini.

Ultrafiltracija(iz latinščine - ultra - čez, filtrum - klobučevina) se uporablja za čiščenje sistemov, ki vsebujejo delce koloidne velikosti (soli, raztopine IUD, suspenzije bakterij in virusov). Metoda temelji na prisilnem ločevanju zmesi skozi filtre s porami.

Pogosto nastali disperzni sistemi poleg micelov, stabilizatorja in topila vsebujejo tudi nizkomolekularne snovi (nečistoče). Zmanjšujejo stabilnost DS (lahko nevtralizirajo naboj koloidnih delcev, kar vodi do koagulacije in uničenja koloidnih sistemov). Za čiščenje koloidnih sistemov pred nizkomolekularnimi nečistočami se uporabljajo dializa, elektrodializa in ultrafiltracija.

Dializa(predlagal in poimenoval T. Graham) temelji na prehajanju koloidne raztopine skozi polprepustno membrano. Najenostavnejši dializator (slika 5) je vrečka iz polprepustnega materiala, v katero vlijemo koloidno raztopino, vrečko pa spustimo v posodo z vodo (topilo). Polprepustne membrane zaradi majhnosti lukenj zadržijo koloidne delce, delci nizke molekulske mase pa prehajajo skozi membrano v topilo. Posledično se snovi z nizko molekulsko maso odstranijo iz koloidne raztopine. Prej so se kot polprepustna membrana uporabljale stene sečnega ali žolčnega mehurja, črevesja in pergamenta. Trenutno so membrane izdelane iz kolodija (raztopine celuloznega nitrata) - celofana. So zelo priročni, ker... Membrane je mogoče izdelati s poljubno velikostjo lukenj.

riž. 5. T. Graham dializatorji.

Upoštevati je treba, da lahko dolgotrajna dializa poleg odstranitve nečistoč iz raztopine povzroči koagulacijo sistema kot posledico odstranitve stabilizatorja.

elektrodializa. Ker so nečistoče z nizko molekulsko maso v solih elektroliti, lahko dializo pospešimo z uporabo električnega toka. Da bi to naredili, je koloidna raztopina postavljena med dve membrani, zunaj katerih

Dializa se uporablja v biotehnologiji in farmaciji za čiščenje beljakovin in IUD iz nečistoč soli, pri proizvodnji dragocenih zdravil - globulina, flokulantov itd. Dializa se uporablja v kliniki kot metoda zdravljenja (»hemodializa«) pri bolnikih z boleznimi jeter. , bolezni ledvic, sindrom dolgotrajnega pritiska, za akutne zastrupitve. V tem primeru se bolnikova kri prenaša skozi aparat "umetna ledvica". Gre za sistem z membrano, katere ena stran se spere s fiziološko raztopino, ki ima enako sestavo kot krvna plazma, druga pa s krvjo bolnika. Med hemodializo nizkomolekularni presnovni produkti zapustijo kri skozi membrano, beljakovine pa ostanejo v krvi (zaradi velike velikosti). Ohranjajo se tudi telesu potrebne soli, saj med krvjo in fiziološko raztopino ni gradienta njihove koncentracije.

Ultrafiltracija se uporablja na enak način kot dializa in elektrodializa, predvsem za čiščenje tekočine kulture iz bakterijskih teles, ki proizvajajo antibiotike, ločevanje beljakovin in sterilizacijo njihovih raztopin. V tem primeru na filtru ostanejo bakterije in virusi, iz filtrata pa se izolirajo potrebne zdravilne snovi (serumi, cepiva).

Predavanje št. 5. Teorije dvojne električne plasti