для чего используются методы очистки коллоидных растворов

Методы очистки коллоидных растворов.

Методы очистки коллоидных растворов.

Коллоидные растворы, полученные одним из рассмотренных методов, содержат примеси растворенных низкомолекулярных веществ и грубодисперсных частиц, наличие которых может отрицательно сказываться на свойствах золей, снижая их устойчивость (см. раздел 12.5).

Для очистки коллоидных растворов от примесей используют фильтрацию, диализ, электродиализ, ультрафильтрацию.

Фильтрация (от лат. filtrum — войлок) основана на способности коллоидных частиц проходить через поры обычных фильтров. При этом более крупные частицы задерживаются. Фильтрацию используют для очистки коллоидных растворов от примесей грубодисперсных частиц.

Диализ (от греч. dyalisis — отделение) — удаление с помощью мембран низкомолекулярных соединений из коллоидных растворов и растворов ВМС. При этом используют свойство мембран пропускать молекулы и ионы малого размера и задерживать коллоидные частицы и макромолекулы. Жидкость, подвергаемую диализу, отделяют от чистого растворителя соответствующей мембраной. Малые молекулы и ионы диффундируют через мембрану в растворитель и при его достаточно частой замене почти нацело удаляются из диализуемой жидкости.

Проницаемость мембраны по отношению к низкомолекулярным веществам обусловливается или тем, что малые молекулы и ионы, свободно проходят через капилляры, пронизывающие мембраны, или растворяются в веществе мембраны. В качестве мембран для диализа применяют различные пленки, как естественные— бычий или свиной мочевой пузырь, плавательный пузырь рыб, так и искусственные—из нитроцеллюлозы, ацетилцеллюлозы, целлофана, желатина и других материалов.

Существует большое разнообразие диализаторов — приборов для проведения диализа. Все диализаторы построены по общему принципу: диализируемая жидкость («внутренняя жидкость») находится в сосуде, в котором она отделена от воды или другого растворителя («внешняя жидкость») мембраной (рис. 12.3). Скорость диализа возрастает с увеличением поверхности мембраны, ее пористости и размера пор, с повышением температуры, интенсивности перемешивания диализируемой жидкости, скоростью смены внешней жидкости и уменьшается с ростом толщины мембраны.

Электродиализ используют для увеличения скорости диализа низкомолекулярных электролитов.

С этой целью в диализаторе создают постоянное электрическое поле с падением потенциала, 20—250 В/см и выше. Принципиальная схема электродиализа-, тора представлена на рис. 12.4. Проведение диализа в электрическом поле позволяет ускорить очистку коллоидного раствора в несколько десятков раз.

Компенсационный диализ применяют, когда необходимо освободить коллоидный раствор лишь от части низкомолекулярных примесей. В диализаторе растворитель заменяют раствором низкомолекулярных веществ, которые необходимо оставить в коллоидном растворе.

Источник

Конденсационные методы

Дисперсные системы

Дисперсными называют системы, в которых одно вещество (дисперсная фаза) равномерно распределено в другом веществе (дисперсионная среда).

Классификация дисперсных систем

По размеру частиц дисперсной фазы(d)дисперсные системы делятся на грубодисперсные, коллоидные и истинные растворы.

Классификация коллоидных растворов

1. По агрегатному состоянию фаз

2. По характеру взаимодействия фазы и средысистемы бывают лиофобными и лиофильными, если дисперсионная среда – вода, то соответственно – гидрофобными и гидрофильными.

В лиофобных системах частицы фазы слабо взаимодействуют или не взаимодействуют со средой. Эти системы необратимы и термодинамически неустойчивы. Примеры: гидрозоли серебра, золота, хлорида серебра AgCl.

В лиофильных системах взаимодействие частиц фазы со средой достаточно сильное, т.е. частицы фазы сильно сольватированы (гидратированы). Такие системы являются термодинамически устойчивыми и обратимыми (восстанавливаются при добавлении растворителя после его испарения). Примеры: растворы белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот в воде.

2.2. Методы получения
коллоидных растворов

Коллоидные растворы (золи) можно получить:

1) из грубодисперсных систем путем диспергирования (измельчения)частиц дисперсной фазы – это диспергационныеметоды;

2) из истинных растворов путем конденсации (укрупнения)частиц – конденсационныеметоды.

Методы диспергирования

1. Механическое дробление в шаровых и коллоидных мельницах.

2. Измельчение под действием ультразвука.

3. Электрическое диспергирование.

Перечисленные методы используются для получения золей металлов, полимеров (крахмала, каучука, нитроцеллюлозы), при производстве лекарственных препаратов, краски, цемента и т.д.

4. Пептизация – перевод свежеполученного осадка в золь под действием пептизатора-стабилизатора.

Пример: расщепление сложных белков на более простые под действием пепсина, получение гидрозоля из осадка Fe(OH)₃ под действием пептизатора FeCl₃.

Конденсационные методы

1.Физическая конденсация заключается в замене растворителя (дисперсионной среды).

Пример: раствор NaCl в воде – истинный раствор, в бензоле – коллоидный раствор.

См. опыт 1, стр. 45. Получение золя канифоли.

2. Химическая конденсация – получение золей в химической реакции (гидролиза, окислительно-восстановительной, обменной) при следующих условиях:

1) образование труднорастворимого вещества;

2) наличие стабилизатора (избыток одного из реагентов, ПАВ);

2.3. Методы очистки
коллоидных растворов

От грубодисперсных частиц очищают путем фильтрации. Коллоидные растворы проходят через фильтр, крупные частицы задерживаются.

От низкомолекулярныхпримесей коллоиды очищают методами диализа, электродиализа, ультрафильтрации, компенсационного диализа.

Диализ основан на свойстве полупроницаемых мембран задерживать коллоидные частицы и пропускать молекулы или ионы низкомолекулярных веществ в растворитель, циркулирующий в диализаторе.

Электродиализ – это ускоренный диализ под действием электрического тока (продолжительность диализа – недели, месяцы, электродиализа – минуты, часы).

Ультрафильтрация – это диализ под давлением или при разрежении. Этот метод широко используют для очистки воды, белков, нуклеиновых кислот, витаминов, для определения размеров вирусов.

Компенсационный диализ или вивидиализ – это очистка от части низкомолекулярных примесей. В диализаторе растворитель заменяется раствором низкомолекулярного вещества, которое необходимо оставить в коллоидном растворе.

Вивидиализ применяется для количественного определения веществ в биологических жидкостях. Например, содержание сахара в крови определяется диализом сыворотки крови по сравнению с физиологическим раствором, к которому добавляют различные количества сахара. Концентрация сахара во внешнем растворе не изменяется лишь в том случае, когда она равна концентрации свободного сахара в крови.

По принципу компенсационного диализа работает аппарат «искусственная почка» (АИП), применяемый при острых отравлениях, обширных ожогах, токсикозах для очистки крови (гемодиализа) от шлаков: мочевины, мочевой кислоты, билирубина и т.д. Внешним диализирующим раствором является физиологический раствор (0,85% NaCl).

2.4. Молекулярно-кинетические
свойства коллоидных растворов

Броуновское движение – хаотическое тепловое движение коллоидных частиц вследствие ударов о них молекул растворителя.

Интенсивность броуновского движения оценивается средним квадратичным проекции смещения частицы по формуле Эйнштейна – Смолуховского:

,

Благодаря броуновскому движению коллоидные частицы находятся во взвешенном состоянии, коллоидный раствор обладает кинетической устойчивостью.

Диффузия – самопроизвольный процесс выравнивания концентрации частиц во всем объеме раствора. Cкорость диффузии увеличивается с повышением температуры и уменьшением размера частиц и вязкости среды:

,

Осмотическое давление коллоидных растворов подчиняется закону Вант-Гоффа:

; ; ,

где n – число частиц в единице объема, N_A – число Авогадро (6,02 ×10 23 молекул).

Из-за большого размера и малой концентрации коллоидных частиц осмотическое давление коллоидных растворов значительно меньше осмотического давления истинных растворов.

Седиментационное равновесие – это протекание противоположных процессов: диффузии и седиментации. Седиментация – оседание частиц под действием силы тяжести. По закону Стокса на частицу действуют сила тяжести и сила трения:

При оседании с постоянной скоростью F_трения = F_{тяжести}. Из уравнения Стокса cледует, что скорость седиментации (u) прямо пропорциональна размеру частиц, разности плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды и обратно пропорциональна вязкости раствора.

,

где U – скорость седиментации (м/с), r – радиус сферической частицы дисперсной фазы (м), r и r₀ –плотность дисперсной фазы и среды соответственно (кг/м 3 ), g – ускорение силы тяжести (9,8 м/с 2 ), h – вязкость (Н ×с/м 2 ).

Определение скорости седиментации лежит в основе седиментационного анализа, который используется:

1) для определения скорости оседания эритроцитов СОЭ (в норме у женщин – 3-12 мм/ч, у мужчин – 2-6 мм/ч);

2) для разделения на фракции центрифугированием компонентов клетки, крови, костного мозга;

3) для выделения белков, ДНК, вирусов.

2.5. Оптические свойства
коллоидных растворов

Оптические свойства коллоидных растворов существенно отличаются от свойств истинных растворов.

Размеры коллоидной частицы соизмеримы с длиной волны падающего света 2r » l. Частица становится вторичным источником света, в коллоидах наблюдается дифракционное рассеяние света. Визуально наблюдается опалесценция – различная окраска золей в проходящем свете (напротив источника света) и в рассеянном свете (сбоку). Это явление было обнаружено Фарадеем и Тиндалем:

При боковом освещении коллоидного раствора хорошо виден светящийся конус Тиндаля.

Интенсивность светорассеяния количественно выражается уравнением Рэлея

,

Из уравнения Рэлея следует, что I рассеянного света обратно пропорциональна l 4 (I

1/l 4 ), следовательно, сильнее всего рассеиваются волны синей и фиолетовой части спектра (окраска золя в рассеянном свете). Незначительное рассеивание красного и желтого цветов объясняет окраску коллоидного раствора в проходящем свете.

Явление светорассеяния лежит в основе работы ультрамикроскопа, применяемого для определения размеров частиц плазмы, сыворотки крови, лимфы, вакцин и для контроля чистоты инъекционных растворов.

Строение мицеллы

Мицелла – это сложная коллоидная частица. Основой мицеллы является электронейтральный агрегат – совокупность атомов или молекул труднорастворимого вещества.

С заряженной поверхностью ядра устойчиво связано некоторое количество ионов противоположного знака – противоионов (в данном примере – ионы К + ). ПОИ и часть противоионов формируют адсорбционный слой. Агрегат вместе с адсорбционным слоем называют гранулой.

Знак заряда гранулы определяется знаком потенциалопределяющих ионов (ПОИ). Заряд гранулы компенсируют остальные противоионы, образующие подвижный диффузный слой. Диффузный слой насыщен молекулами растворителя.

Источник

Методы получеия и очистки коллоидных растворов

Имеют большую вязкость, чем истинные, что обусловлено большим размером частиц

Условия и способы получения коллоидных растворов.

Термин “коллоидный” раствор предложил Томас Грем (от латинского слова cоlа – клей), ко-

торый заметил их сходство с растворами клеящих веществ. Коллоидные растворы занимают

промежуточное место между грубодисперсными системами и истинными растворами. Для

приготовления коллоидных растворов необходимо придерживаться определенных условий:

1. Размеры частиц должны быть в пределах 10

2. Необходимы ионы электролитов, которые образуют ионный слой вокруг коллоидной ча-

стицы, придавая ей стабильность.

3. Дисперсная фаза гидрофобных коллоидных растворов должна иметь низкую раствори-

Различают 2 группы методов получения коллоидных растворов: Дисперсионный ме-

тод заключается в измельчении вещества до мелких частиц: 1) механическим способом (ша-

ровые мельницы, гомогенизаторы, ультразвуковые дезинтеграторы); 2) физико-химическим

способом – метод пептизации, когда осадок вещества переводиться в коллоидное состояние

Конденсационный метод направлен на увеличение размеров частиц путем агрегации

молекул или ионов. Для этого используют: 1) испарение растворителя, вследствие чего идет

конденсация твердой фазы; 2) замена растворителя, например, если спиртовой раствор холе-

стерина вылить в воду; 3) использование реакций, в которых осадки формируются из мелких

частиц. Так, получение коллоидного раствора йодида серебра идет по реакции замещения:

KJ + AgNO3 → AgJ ↓ + KNO3

Коллоидные растворы можно получать в реакциях восстановления, окисления и гидролиза:

Ag2O + H2 → 2Ag↓ + H2O

2 H2S + SO2 → 3 S↓ + 2Н2О

FeCl3 + 3H2O → Fe(OH)3↓ + 3 HCl

3. Методы очистки коллоидных растворов. Очистка коллоидных растворов необхо-

дима для устранения избытка ионов, посторонних примесей, присутствие которых уменьша-

ет их стабильность.

через полупроницаемую мембрану. Для этого коллоидный раствор вводят в мешочек из та-

кой мембраны (например из целлофана) и погружают в дистиллированную воду. Молекулы

или ионы с размером меньшим, чем поры мембраны, будут переходить из раствора в воду.

Для ускорения создают электрическое поле (электродиализ), что ускоряет переход ионов.

Принципы диализа используются в аппарате “искусственная почка”, где поток крови

пропускают через искусственные полупроницаемые мембраны. С одной стороны мембраны

кровь пациента. В результате в компенсационную жидкость переходят избыточные количе-

ства метаболитов и токсинов, которые накапливаются при заболеваниях почек.

Ультрафильтрация. Проводят фильтрование коллоидного раствора через полупрони-

цаемую мембрану при повышенном давлении. При этом коллоидные частицы задерживают-

ся мембраной, а примеси покидают коллоидный раствор.

Ультрацентрифугирование – это сепарация частиц в зависимости от размеров и мас-

сы под действием ускорения, которое создается центрифугами, способными давать до 100

тысяч оборотов в мин. Таким способом удается не только выделить частицы с определенным

2размером, но и разделить субклеточные фракции. Для осаждения ядер клеток необходимо

ускорение 600g, митохондрий – 8000-12000g, эндоплазматического ретикулума – 100000 g.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

МЕТОДЫ ОЧИСТКИ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Полученные тем или иным способом коллоидные растворы обычно очищают от низкомолекулярных примесей (молекул и ионов). Удаление этих примесей осуществляется методами диализа, электродиализа, ультрафильтрации.

Диализ был разработан еще Грэмом в 1861 г. Коллоидный раствор, подлежащий очистке, наливают в сосуд, который отделен полупроницаемой мембраной от другого сосуда с чистой дисперсионной средой. В качестве полупроницаемой (т. е. проницаемой для молекул и ионов, но непроницаемой для частиц дисперсной фазы) мембраны применяют пергамент, целлофан, коллодий, керамические фильтры и другие тонкопористые материалы. В результате диффузии низкомолекулярные примеси переходят во внешний раствор.

В настоящее время существует много усовершенствованных конструкций диализаторов, обеспечивающих более быстрый процесс очистки. Интенсификация диализа достигается:

• увеличением поверхности мембран;

• уменьшением слоя очищаемой жидкости;

• частотой или непрерывной сменой внешней жидкости;

• повышением температуры (ускорение диффузии).

Электродиализ обусловлен миграцией ионов через мембрану под действием приложенной разности потенциалов порядка 40 В/см. Предложено много конструкций электродиализаторов. Схема относительно простого электродиализатора, применявшегося Паули, приведена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема ‘лектродиализатора.

Диализатор состоит из трех стеклянных камер, разделенных полупроницаемыми перегородками. В боковых камерах установлены электроды, на которые от внешнего источника постоянного тока подается разность потенциалов. В боковых камерах находится дистиллированная вода, которая непрерывно сменяется. Очищаемый золь, находящийся в средней камере, перемешивается мешалкой.

Улътрафильтрацией называется диализ, проводимый под давлением во внутренней камере. По существу, ультрафильтрация является не методом очистки золей, а лишь методом их концентрирования.

Интересным примером сочетания диализатора и ультрафильтрации является аппарат «искусственная почка», предназначенный для временной замены функции почек при острой почечной недостаточности. Аппарат оперативным путем подключается к системе кровообращения больного. Кровь под давлением, создаваемым пульсирующим насосом («искусственное сердце») протекает в узком зазоре между двумя мембранами, омываемыми снаружи физиологическим раствором. Благодаря большой рабочей площади мембран (

15 000 см 2 ) из крови сравнительно быстро (3–4 часа) удаляются «шлаки» – продукты обмена и распада тканей (мочевина, креатин, ионы калия и т. д.).

Применяя для ультрафильтров мембраны с определенной пористостью, можно в известной мере разделить по размерам коллоидные частицы и одновременно приближенно определить их размеры. Этим способом были определены размеры частиц ряда вирусов и бактериофагов.

Рис.6.2. Обратный осмос.

В цилиндре 1 под поршнем 2 находится очищаемый раствор, который с помощью полупроницаемой мембраны 3 отделен от чистой воды 4. При отсутствии внешнего давления происходил бы обычный осмос – чистая вода проникала бы через мембрану в неочищенный раствор. Если внешнее давление на поршень больше осмотического, происходит обратный осмос – переход воды из очищаемого раствора в чистую воду. Растворенные примеси концентрируются в пространстве S.

Источник

Московский государственный университет печати

Полимеры и коллоидные системы

Учебное пособие

При получении коллоидных растворов тем или иным методом, особенно с помощью химических реакций, практически невозможно точ­но предусмотреть необходимое точное количество реагентов. По этой причине в образовавшихся золях может присутствовать чрезмерный из­быток электролитов, что снижает устойчивость коллоидных растворов. Для получения высокоустойчивых систем и для изучения их свойств золи подвергают очистке как от электролитов, так и от всевозможных других низкомолекулярных примесей.

Очистку коллоидных растворов можно проводить либо методом диализа, либо ультрафильтрацией.

Недостатком метода является большая длительность процесса очистки (недели, месяцы).

Поскольку поры обычной фильтровальной бумаги легко пропус­кают коллоидные частицы, при ультрафильтрации в качестве мембраны применяют специальные фильтры (целлофан, пергамент, асбест, керами­ческие фильтры и т.п.). Применение мембраны с определенным размером пор позволяет разделить коллоидные частицы на фракции по размерам и ориентировочно определить эти размеры. Так были найдены размеры некоторых вирусов и бактериофагов. Все это говорит о том, что ультра­фильтрация является не только методом очистки коллоидных растворов, но может быть использована для целей дисперсионного анализа и препа­ративного разделения дисперсных систем.

© Центр дистанционного образования МГУП

Источник