Дисперсные-системы. Дисперсные системы
 Скачать 1.12 Mb.
|
|
Дисперсные системы . Цель занятия: Овладение навыками получения коллоидных растворов и ознакомление с их свойствами. Овладение навыками очистки коллоидных растворов и биологически важных растворов. Значимость изучаемой темы: Кровь, лимфа, спинномозговая жидкость, протоплазма клеток и др. биологические жидкости являются коллоидными системами и содержат в коллоидном состоянии ряд веществ, например, фосфаты, жиры, липиды, что необходимо учитывать при изучении свойств этих жидкостей. Кроме того, некоторые лекарственные препараты представляют собой коллоидные растворы, например, протаргол, колларгол. Многие продукты питания, моющие средства и другие являются также коллоидными системами. Все это требует довольно подробного изучения свойств и методов получения коллоидных растворов. Вопросы к занятию 1. Классификация. Ткани организма как дисперсные системы 2. Методы получения коллоидных растворов 3. Лиофобные коллоидные растворы. 4. Мицелла лиофобного золя. Методы получения и очистки коллоидных растворов. 5. Свойства лиофобных коллоидных растворов - молекулярно-кинетические; -оптические свойства; -электрокинетические свойства. 6. Устойчивость коллоидных растворов. 7. Коллоидная защита Системы, содержащие в себе мельчайшие взвешенные частицы, называются дисперсными. Дисперсные системы состоят как минимум из двух фаз. Одна из них является сплошной и называется дисперсной средой. Другая фаза раздроблена и распределена в первой, ее называют дисперсной фазой. После изучения раздела вы сможете: 1) Различать понятия: «дисперсная система», «дисперсная фаза», «дисперсионная среда», «дисперсность», «коагуляция», «пептизация», «сендиментация», «агрегация», «коалесценция», «антогонизм», «синергизм», «расклинивающее давление», «коллоидная защита; 2) Классифицировать дисперсные системы по разным признакам: дисперсности, агрегатному состоянию, межфазному взаимодействию; анализировать отличительные особенности отдельных типов дисперсных систем: аэрозолей, порошков, паст, эмульсий, суспензий, пен; 3) Знать методы получения и очистки дисперсных систем; 4) Интерпретировать основные молекулярно-кинетические, оптические и электрические свойства дисперсных систем, объяснять причины, предопределяющие их; 5) Различать составные части двойного электрического слоя коллоидных частиц и объяснять влияние добавленных электролитов; 6) Различать составные части мицеллы и составлять формулы мицелл золей; 7) Анализировать факторы устойчивости дисперсных систем, закономерности и механизм их коагуляции; 8) Различать особые случаи коагуляции и объяснять их причины. Белки - основа существования живой материи – в клетках живых организмов находятся в виде коллоидно-дисперсных систем. Отдельная клетка – это сложная дисперсная система, в которой определенные вещества – минеральные (кислоты, основания, соли) и органические (белки, нуклеиновые кислоты, моно-, ди-, полисахориды, липиды, витамины, гормоны) – с разной степенью дисперсности формируют цито- и кариоплазму, а также органеллы и включения. Среди биологических объектов с разными размерами частичек к дисперсным системам можно отнести: эритроциты крови человека (7·10 -6 м), кишечную палочку (3·10 -6 м), вирус гриппа (0,1-100·10 -6 м), вирус сибирской язвы (1,0·10 -8 м). Следует отметить, что размеры частичек в этих системах отличаются на несколько порядков. В окружающей нас природе, в живом организме редко встречаются индивидуальные химические вещества. Чаще многообразие веществ, составляющих живую и неживую природу, представлено в виде растворов или в виде дисперсных систем. Дисперсной системой называется гетерогенная система, в которой дисперсная фаза раздроблена и распределена в дисперсионной среде (рис. ). Дисперсная система состоит из дисперсной фазы (ДФ) и дисперсионной среды (ДС). Дисперсная фаза — это раздробленное вещество. Дисперсионная среда — это среда, в которой распределено раздробленное вещество. Рис 1. Дисперсная система Классифицировать дисперсные системы можно на основе следующих общих признаков: агрегатное состояние дисперсной фазы и дисперсионной среды; размер и распределение частиц; по межфазному взаимодействию. Дисперсная фаза Дисперсионная среда Количественной характеристикой дисперсности является степень дисперсности вещества D – величина, обратная размеру частиц a: (D = 1/a), где под размером a подразумевается либо диаметр сферических и волокнистых частиц цилиндрической формы, либо длина ребра кубических частиц, либо ширина волокнистых частиц прямоугольной формы или толщина пленок. Дисперсность (степень дисперсности) численно равна количеству частиц, которые можно плотно уложить в ряд или в стопку (для пленок) на протяжении одного сантиметра. Классификация по агрегатному состоянию. В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсной среды все дисперсные системы можно разделить на восемь типов (табл. ). Их обозначают в виде обычной дроби начальными буквами названий агрегатного состояния: в числителе – дисперсная фаза, в знаменателе – дисперсионная среда. Например, обозначения Ж/Т означает «жидкая фаза в твердой среде»; Т/Г – «твердая фаза в газообразной среде». По этой классификации некоторые системы имеют специальные названия. Так, высокодисперсные системы называют золями. В зависимости от природы и агрегатного состояния дисперсионной среды различают гидрозоли (дисперсионная среда – вода), органозоли (органическая жидкость), аэрозоли (газ). Грубодисперсные системы типа Т/Ж называют суспензиями, типа Ж/Ж – эмульсиями. К дисперсным системам типа Ж/Ж можно отнести и жидкие кристаллы, служащие основой для исследования структур многих биологических систем. Согласно этой классификации, коллоидные состояние материи является промежуточным. Например, моча в зависимости от состояния организма (норма или патология) изменяется от истинного раствора через коллоидное состояние до суспензии. Таблица 1 Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсной среды Обозначение системы Название систем Примеры Т/Ж Золи, суспензии Золи металлов, пасты, ил Ж/Ж Эмульсии Молоко, смазочные масла, масло, кремы Г/Ж Газовые эмульсии, пены Мыльная пена, кислородная пена, противопожарные пены Т/Т Твердые коллоидные системы Минералы, сплавы, бетон, твердое ракетное топливо Ж/Т Пористые тела, гели Почва, твердые эмульсии Г/Т Пористые и капиллярные системы Пемза, активированный уголь, силикагель, твердая пена Т/Г Аэрозоли Пыль, дым, смог, порошки Ж/Г Аэрозоли Туман, тучи Классификация по межфазному взаимодействию. Между дисперсной фазой и дисперсионной средой происходит взаимодействие, однако степень проявления его в разных системах существенным образом отличается. Г. Фрейндлих предложил в зависимости от степени межфазного взаимодействия все дисперсные системы разделить на лиофильные («лио» - растворяю, «фило» - люблю) и лиофобные («фобос» - страх). Если дисперсионная среда – вода, то системы называют соответственно гидрофильными и гидрофобными. В лиофильных системах взаимодействие частичек дисперсной фазы с дисперсионной средой довольно сильное, т.е. происходит сольватация (гидратация) частиц. В лиофобных системах это взаимодействие слабое, т.е. взаимодействие дисперсной фазы со средой незначительно. Лиофильные системы называют обратимыми (способны самопроизвольно растворяться), а лиофобные – необратимыми (после удаления дисперсионной среды не способны самопроизвольно образовывать золи). К лиофильным системам относят растворы высокомолекулярных соединений: белков, полинуклеиновых кислот, полисахаридов, полиэфиров и т.п.) К лиофобным дисперсным системам относятся золи благородных металлов, золи ряда неорганических соединений, эмульсии, суспензии. В зависимости от размера частиц дисперсной фазы, дисперсные системы делятся на 3 группы: 1. Грубодисперсные системы – размер частиц от 10 -4 м и выше (суспензии, эмульсии, порошки и др.). 2. Коллоидные системы – размер частиц от 10 -7 до 10 -9 м. 3. Истинные или молекулярно-ионные системы – размер частиц не более 10 -9 м. Среди дисперсных систем в медицине важное значение имеют коллоидные растворы (золи). Окружающая нас природа, в том числе организмы человека и животных и растения, представляет собой сложную совокупность множества разнообразных и разнотипных грубодисперсных и коллоидно-дисперсных систем. Биологические системы и ткани организма человека являются сложными образованиями, состоящими из лиофобных и лиофильных коллоидов, микрогетерогенных систем, истинных растворов. Для них характерен широкий спектр свойств, что не позволяет включить ткани организма в определенную классификационную группу дисперсных систем. Биологические мембраны являются многокомпонентными дисперсными системами. Вследствие жидкокристаллического состояния биомембраны способны, с одной стороны, сохранять устойчивость, а с другой – сливаться друг с другом, а также изменять свойства под внешним воздействием. Благодаря своему строению и динамичной структуре биомембраны выполняют разнообразные функции: барьерную, транспортную, метаболическую, разделительную, каркасную, защитную, контактную, ферментативную и др. Надо отметить, что жидкокристаллическое состояние свойственно не только клеточным мембранам, но и мембранам органелл клетки, цитозолю. Кровь – это сложная дисперсная система, в которой дисперсионной средой является плазма, а дисперсной фазой – форменные элементы крови и коллоидные частицы. Важнейшие функции крови – дыхательная, питательная, транспортная, выделительная, регуляторная, защитная. Размеры лейкоцитов составляют (10–13)·10 -6 м, эритроцитов – (7,2– 7,5)·10 -6 м, тромбоцитов – (2–5) ·10 -6 м. Следовательно, форменные элементы крови являются микрогетерогенной фракцией дисперсной фазы. Клетки крови окружены мощной гидратной оболочкой, препятствующей их слипанию. На границе «клетка – плазма» возникает двойной электрический слой (ДЭС), благодаря которому поверхность клетки имеет заряд. Сами клетки крови, как и любые другие клетки организма, представляют собой сложные по составу дисперсные системы. Коллоидная фракция дисперсной фазы в крови представлена мицеллами лиофильных коллоидов (белки, липопротеины) и мицеллами лиофобных коллоидов. Плазма крови (дисперсионная среда) состоит на 92% из воды, в которой растворены белки (6%), органические продукты метаболизма (как промежуточные, так и конечные), а также неорганические ионы (Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Cl - , HCO 3 - , H 2 PO 4 - и др.), на долю которых приходится около 2% по массе. Основная функция ионов – поддержание осмотического давления крови (740– 780 кПа). Липиды имеют гидрофобный характер, в силу чего транспортируются кровью в виде растворимых белковых комплексов – липопротеинов (ЛП), разного размера и состава. Белки, входящие в ЛП, называются апопротеинами, среди которых различают пять групп: апопротеины A, B, C, D, E. Липопротеины классифицируют на несколько классов: хиломикроны, липопротеины очень низкой плотности, низкой плотности, высокой плотности и промежуточной плотности. Основой строения организмов является клетка – наименьшая единица живого. Тремя основными компонентами клетки являются: ядро, цитоплазма и окружающая их клеточная мембрана – плазмолемма. Цитоплазма клетки включает в себя гиалоплазму, находящиеся в ней обязательные клеточные компоненты – органеллы, а также различные непостоянные структуры – включения. Гиалоплазма представляет собой совокупность лиофильных и лиофобных коллоидов со свойствами золей, гелей и эмульсий, участие в формировании которых принимают белки, нуклеиновые кислоты (РНК), соли металлов, липиды и другие вещества. Для гиалоплазмы характерны переходы из состояния золя в гель при определенных условиях. Многообразие коллоидов гиалоплазмы и их взаимных переходов создает условия для биохимических процессов (в том числе поддержание осмотического давления), происходящих в цитоплазме клеток, и формирует цитоскелет клетки (коллоидно-белковая система, пронизывающая клетку). Цитоскелет обеспечивает движение клеток, цитоплазмы, органелл, транспорт веществ и формирует каркас клетки. Гиалоплазма и ее коллоиды объединяют клетку в единое целое. Коллоидная среда ядра клетки обеспечивает процессы репликации ДНК и биосинтеза белка. Процесс репликации клеточной ДНК во время митоза возможен только в определенной динамически меняющейся среде, обеспечиваемой свойствами коллоидов. Практически любая жидкость или ткань организма человека представляет собой коллоидно-дисперсную среду. Так, моча представляет собой гидрофильный золь, состоящий из мицелл уратов, фосфатов и оксалатов. Молоко грудных желез и лимфа – это сочетание эмульсии с белковым золем. Соединительнотканные волокна – это гели. При патологических изменениях в организме в коллоидном состоянии находятся белки отечной жидкости (транссудаты) или белки в воспалительных экссудатах. Нарушение коллоидных свойств биологических сред организма приводит в крови к образованию тромбов и, как следствие, развитию инсультов и инфарктов; в желчи и моче – к образованию камней, в суставной ткани – к осаждению солей мочевой кислоты (подагра). Таким образом, коллоидные системы – основа химического состояния всех веществ, из которых построены клетки, ткани и органы организма. Этим и обусловлено многообразие функций, которые обеспечивают в организме коллоидные системы. Методы получения коллоидных растворов Характерным признаком, отличающим коллоидные растворы от истинных, служит их гетерогенность. Действительно, размеры коллоидных частиц по сравнению с размерами молекул растворителя настолько велики, что между ними образуется поверхность раздела. Поверхностью раздела называется пограничный слой, отделяющий одну фазу от другой. Собственно коллоидные системы представляют собой микрогетерогенные системы, состоящие из дисперсионной среды и дисперсионной фазы. Эти системы образуются при следующих условиях: а) Размеры диспергируемого вещества должны быть доведены до размеров коллоидных частиц; б) Необходимы стабилизаторы (ионы электролитов), которые на поверхности раздела фаз образуют ионный слой и гидратную оболочку, обеспечивающую сохранение коллоидных частиц во взвешенном состоянии; в) Дисперсная фаза должна обладать плохой растворимостью по крайне мере при получении гидрофобных золей. Таким образом, частицы приобретают электрический заряд и гидратную оболочку, что препятствует выпадению их в осадок. Коллоидные растворы занимают по размерам своих частиц промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярно- дисперсными системами. Для их получения используются два метода: раздробление - диспергирование более крупных частиц до желаемой степени дисперсности, отвечающей величине коллоидных частиц, и укрупнение – объединение в агрегаты молекул или ионов до частиц, приближающихся по размерам к частицам коллоидных систем. Дисперсионные методы. Механические методы. Для дробления веществ применяются машины, работающие по принципу ударного размельчения и растирания. Степень дисперсности при такой обработке все же остается сравнительно низкой – диаметр частиц около 50-60 мк. Ультразвуковой метод. Для диспергирования веществ в последнее время чаще используется ультразвуковой метод, который сопровождается появлением разрывающих сил, ведущих к измельчению веществ. Метод пептизации. Пептизация – это процесс перехода вещества из геля в золь под влиянием пептизаторов. Пептизации в основном подвергаются рыхлые cвежеобразованные осадки гидроокисей металлов, например Al(OH) 3 , Fe(OH) 3 , Zn(OH) 2 и др. Пептизация может происходить вследствие удаления из раствора коагулирующих ионов, вызывающих укрупнение частиц или адсорбции пептизатора, сопровождающейся образованием двойного электрического слоя и возникновением сольватной оболочки на коллоидных частицах. Пептизаторами служат, главным образом, электролиты, которые способствуют дезагрегации осадков. Метод растворения, или метод самопроизвольного диспергирования. Этот метод может быть использован для получения растворов высокомолекулярных веществ из твердых полимеров диспергированием их в соответствующих растворителях. Метод самопроизвольного диспергирования твердого вещества в жидкой среде приводит к образованию двухфазной устойчивой коллоидной системы. Самодиспергирование совершается без внешних механических воздействий на этот процесс. Конденсационные методы. В основе большинства конденсационных методов получения коллоидных растворов лежит разнообразные химические реакции: окисления, восстановления, реакция обменного разложения, гидролиза и др. Метод окисления. В результате реакции окисления могут быть полученные коллоидные растворы, например: 2𝐻 2 𝑆 + 𝑆𝑂 2 → 3𝑆 + 2𝐻 2 𝑂 Образующиеся атомы нейтральной серы затем самопроизвольно конденсируются в коллоидные частицы серы. Метод восстановления. Восстановление – это реакция присоединения электронов ионами, которые, превращаясь затем в атомы, конденсируются в коллоидные частицы. В качестве восстановления обычно используются вещества, обладающие слабыми восстановительными свойствами (формалин, газообразный водород и др.). 𝐴𝑔 2 𝑂 + 𝐻 2 → 2𝐴𝑔 + 𝐻 2 𝑂 2𝑁𝑎𝐴𝑢𝑂 2 + 3𝐻 − 𝐶 + 𝑁𝑎 2 𝐶𝑂 3 → 2𝐴𝑢 + 3𝐻 − 𝐶 + 𝑁𝑎𝐻𝐶𝑂 3 + 𝐻 2 𝑂 |