Очистка коллоидных растворов

После того, как коллоидные растворы получены, они почти всегда загрязнены примесями – избытком исходного электролита или стабилизатора. Для получения устойчивых коллоидных растворов, способных к длительному хранению, пригодных для медицинского использования вакцин и сывороток, их очищают. Для этого используют фильтрацию, диализ, электродиализ и ультрафильтрацию.

Фильтрация через бумажные фильтры – это очистка от грубодисперсных примесей.

Диализ - это процесс очистки золя от низкомолекулярных примесей, которые легко проходят через полупроницаемую мембрану в чистый растворитель, а более крупные коллоидные частицы не проходят и остаются в диализном мешке (Рис 2.3а). Мембраны бывают естественные и искусственные – из целлофана, бычьего или рыбьего пузыря, коллодия и т.д. Процесс диализа длительный, поэтому его ускоряют, используют элекродиализ.

Электродиализ – диализ с применением электрического тока, с помощью которого создаётся направленное движение низкомолекулярных ионов через полупроницаемую мембрану, что ускоряет очистку от низкомолекулярных электролитов и примесей (Рис. 2.3б).

Ультрафильтрация (отделение дисперсной фазы от среды) – это фильтрование через полупроницаемую мембрану под давлением или с помощью вакуума, в результате чего создается разность давлений по обе стороны мембраны, что ускоряет диализ. Ультрафильтрация и электродиализ применяются в аппарате «искусственная почка». В организме по принципу ультрафильтрации в почечных нефронах происходит постоянная очистка крови от низкомолекулярных продуктов метаболизма (аммиака, фосфатов, хлоридов, ксенобиотиков).

Рис. 2.3 Очистка коллоидных растворов

1 - растворитель (вода)

2 –коллоидный раствор

3 - мембрана

а. Диализ б. Электродиализ 4 – электроды

2.4. Строение коллоидных частиц – мицелл.

Отдельные частицы коллоидных растворов называют мицеллами. Мицеллы имеют сложное строение. Основой мицеллярной теории является наличие у мицелл двойного электрического слоя. Он может образоваться:

– либо за счёт избирательной адсорбции ионов на поверхности;

– либо в результате ионизации молекул твёрдой фазы.

Рассмотрим образование мицелл в коллоидном растворе иодида серебра, полученном методом химической конденсации по реакции обмена: AgNO₃ + KJ = AgJ↓ + KNO₃

В зависимости от соотношения исходных веществ может быть три случая:

а) при эквивалентом соотношении реагентов коллоидный раствор образоваться не может, стабилизация системы происходит за счет уменьшения площади поверхности, т.е. роста кристаллов AgJ и выпадения осадка.

б) рассмотрим образование мицеллы при небольшом избытке KJ. В этом случае уменьшение поверхностной энергии может идти за счёт адсорбции ионов из раствора. Согласно правилу Панета – Фаянса из раствора электролита на поверхности микрокристаллов адсорбируется тот ион, который входит в состав твёрдого тела и способен достраивать его кристаллическую решётку. В нашем случае в растворе имеются ионы К⁺ и J^-. Достраивание кристаллической решётки агрегата идет за счёт ионов J^–, входящих в состав кристалла. Иодид-ионы в количестве «n» адсорбируются на поверхности микрокристаллов (агрегате мицеллы), и поверхность приобретает отрицательный заряд: m[AgJ] · nJ^-, поэтому их называют потенциалоообразующими. Образуется ядро мицеллы. К поверхности ядра притягиваются из раствора оставшиеся противоионы калия, К⁺ (но не все, а в количестве «n - x»).

Потенциалообразующие ионы J^- и связанные противоионы К⁺ образуют вокруг ядра плотный адсорбционный слой. Он имеет заряд. Его потенциал называют дзета-потенциалом. Агрегат с адсорбционным слоем составляют гранулу: { m[AgJ] nJ^- (n-х) К⁺ }^х-

Поскольку в адсорбционном слое потенциалообразующих ионов больше, чем противоионов, то гранула имеет заряд, совпадающий по знаку с зарядом потенциалообразующих ионов.

В адсорбционный слой гранулы входят не все противоионы К⁺, а только часть, (n-x), а оставшиеся противоионы К⁺ (х) находятся дальше – в рыхлом диффузном слое. Почему? Противоионы испытывают действие двух противоположных сил:

1. притяжения к заряженной поверхности ядра;

2. теплового движения, стремящегося равномерно распределить их в объёме.

Поэтому плотность слоя противоионов убывает по мере удаления от заряженной поверхности гранулы.

двойной электрический слой, ДЭС

агрегат

{ m[AgJ] nJ^- (n-х) К⁺ } ^х- хК⁺ ∙ l H₂O

ядро потенциало противоионы рыхлый гидратная

образующие диффузный оболочка

ионы слой

плотный адсорбционный слой

гранула

мицелла

Гранула с диффузным слоем образует мицеллу. Мицелла электронейтральна. В зависимости от исходных концентраций растворов, условий и других факторов числа m, n и х могут меняться. Снаружи мицелла окружена гидратной оболочкой. Избыток KJ адсорбировался на поверхности микрокристаллов нерастворимого иодида серебра и образовал двойной электрический слой (ДЭС). Этот защитный слой препятствует росту кристаллов и выпадению осадка. Поэтому избыток электролита, из которого формируется двойной электрический слой, является стабилизатором.

в) если имеется небольшой избыток другого электролита, AgNO₃, то состав коллоидной мицеллы будет другим. Агрегат по-прежнему будут составлять молекулы иодида серебра, AgJ. Но после образования мелких кристалликов осадка AgJ – зародышей, в растворе остались лишь ионы Ag⁺ и NO₃^-. По правилу Панета-Фаянса адсорбироваться на поверхности могут только ионы Ag⁺, достраивающие ее кристаллическую решётку.

Ag⁺ - потенциалообразующие ионы. Образуется ядро - m[AgJ]nAg⁺. Значит, противоионами будут ионы NO₃^-. Вместе с ионами Ag⁺ они образуют адсорбционный слой, а с агрегатом – положительно заряженную гранулу:

{ m[AgJ] nAg⁺ (n-х) NO₃^- }^х+

Оставшиеся х ионов NO₃^- входят в диффузный слой мицеллы. Они сольватированы

{ m[AgJ] nAg⁺ (n-х) NO₃^- }^х+ хNO₃^- l H₂O

Рис.2.4 Схема строения коллоидной мицеллы золя иодида серебра

а) полученного при избытке KJ

б) полученного при избытке AgNO₃

2.5. Электрокинетические явления в золях – электрофорез и электроосмос

Хотя мицелла и не заряжена, но если её поместить в электрическое поле, то ионы рыхлого диффузного слоя будут отрываться и перемещаться к электроду с противоположным знаком, а заряженная гранула – к другому электроду.

Движение твёрдой дисперсной фазы относительно неподвижной дисперсионной среды в электрическом поле называется электрофорезом.

Так, при электрофорезе золя иодида серебра, стабилизированного KJ, катионы рыхлого диффузного слоя отрываются и мигируют к катоду («–» электроду), а отрицательно заряженная гранула перемещается к аноду («+» электроду).

Перемещение жидкой среды относительно твердой дисперсной фазы под действием электрического поля называется электроосмосом. Впервые эти явлениия наблюдал в 1808 г. Ф.Ф. Рейс.

Эти электрокинетические явления не могли бы наблюдаться, если бы не было двойного электрического слоя в составе мицеллы.

Если все ионы диффузного слоя перейдут в адсорбционный слой, тогда в плотном адсорбционном слое заряд противоионов будет равен заряду потенциалообразующих ионов, и гранула не будет иметь заряда. Такое состояние коллоидного раствора называется изоэлектрическим – ИЭС. Это состояние коллоидной системы наименее устойчивое.

Электрофорез и электроосмос широко используют на практике для:

– разделения белков, α- аминокислот, нуклеиновых кислот, антибиотиков;

– нанесения коллоидных частиц каучука или красок на металлические поверхности;

– обезвоживания пористых материалов;

– диагностики многих заболеваний;

- лечения.

Дата добавления: 2014-11-20