Коллоидная химия
 Скачать 0.72 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ УКРАИНЫ ЗАПОРОЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ И ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО МЕДИЦИНСКОЙ ХИМИИ ДЛЯ СТУДЕНТОВ МЕДИЦИНСКОГО ФАКУЛЬТЕТА Тема: Коллоидная химия Запорожье 2015 г. Рецензенты: зав кафедрой органической химии д. фарм. н., Коваленко С.И. проф. кафедры биологической химии д. фарм. н., Романенко Н.И. Методическое пособие подготовили сотрудники кафедры физической и коллоидной химии Запорожского государственного медицинского университета: − д. фарм. н., Каплаушенко А.Г.; − доц. Похмёлкина С.А.; − доц. Чернега Г.В.; − доц. Пряхин О.Р.; − ст. пр. Авраменко А.И.; − асс. Юрченко И.А.; − ст. лаб. Щербак М.А. Методические указания к практическим занятиям и выполнению лабораторных работ по медицинской химии для студентов медицинского факультета. Тема: Коллоидная химия [и др.]. – Запорожье : [ЗГМУ], 2015. – 67 с. Рассмотрено и утверждено на заседании цикловой методической комиссии химических дисциплин Запорожского государственного медицинского университета (протокол №__ от ______ 2015года) Копирование и тиражирование только по письменному согласию ЗГМУ 2 Предисловие Коллоидная химия имеет большое значение для студентов медицинского факультета, так как многие лекарственные препараты представляют собой дисперсные системы, порошки, эмульсии, аэрозоли, пасты, мази и т.д. Механизм действия на живую клетку лекарственных веществ часто протекает по адсорбционному механизму , поэтому необходимо изучение физико-химических основ поверхностных явлений и адсорбции. ВМС входят в состав белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов. В результате их специфических свойств, выполняют следующие функции: - катализируют биохимические реакции; - сохраняют и передают генетическую информацию, играют защитную роль , исполняют структурную и опорную функцию. Курс медицинской химии изучается студентами медиками на первом курсе. Сотрудниками кафедры подготовлено учебно-методическое пособие в котором в сжатой и доступной форме изложен теоретический материал. Распределение материала отвечает учебной программе и тематическому плану лекций и практических занятий. В данное пособие включены темы. «Свойства дисперсных систем. Поверхностные явления», «Физико- химические свойства коллоидных растворов», «Свойства растворов высоко молекулярных соединений». Материал каждой темы изложен таким образом, что выполнению практической работы и решению ситуационных задач предшествует теоретическая часть в которой отражены вопросы медико-биологического значения а также связи с другими дисциплинами: биологической химией, нормальной физиологией, патофизиологией и другими. Предлагаемые лабораторные работы и ситуационные задачи дадут возможность закрепить теоретический материал и научить студентов использовать эти знания на практике. 3 В учебном пособии описаны практические работы по разделам бионеорганической и биофизической химии предусмотренные действующей программой для медицинской химии по специальности «Лечебное дело». Опыт преподавания медицинской химии показывает, что не всегда удается согласовать порядок реализации лабораторных работ с последовательностью изложения лекционного курса и студенты должны самостоятельно готовиться к выполнению практического задания. Поэтому к каждому разделу предшествует теоретическая часть, в которой дан необходимый объем знаний для сознательного выполнения эксперимента. Повышение уровня семинарских и лабораторных работ достигается использованием таких форм занятий, которые раскрывая и закрепляя теоретические знания, обучают научному мышлению, развивают творческую инициативу и прививают навыки обращения с приборами и химическими веществами, химической посудой. Студент должен знать теоретическое обоснование и целенаправленность эксперимента и уметь анализировать полученные результаты. При составлении методического пособия авторы руководствовались тем, что определение целей и задач лабораторных работ и семинарских занятий приблизит постановку учебного процесса реальным научным исследованиям. В методическое пособие входят тесты для самоконтроля полученных знаний 4 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ Цель занятия (общая):Изучить основные методы получения и очистки золей, строение мицеллы; устойчивость и коагуляцию золей; определение порога их коагуляции; электрокинетические явления (электрофорез; электроосмос, потенциал протекания, потенциал оседания); особенности оптических свойств золей – эффект Тиндаля; молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем. Целевые задачи: • научиться использовать реакции гидролиза, окисления-восстановления, двойного обмена – для получения золей; • научиться работать на нефелометре – уметь записывать строение мицелл лиофобного золя; • изучить влияние величины заряда иона-коагулянта на устойчивость лиофобных золей – влияние смеси электролитов на коагулирующее действие: синергизм, антагонизм, аддитивность; • изучить электрокинетические явления: электрофорез, электроосмос, эффект Дорна и эффект Квинке. Студент должен знать: • уравнение химической реакции получения золя, стабилизаторы; • строение мицеллы золя; • конденсационные методы получения золей; • диспергационные методы получения золей; • методы очистки коллоидных растворов; • сущность нефелометрического метода определения концентрации золя; • зависимость пороговой концентрации от величины заряда иона- коагулятора. • теоретические основы возникновения электрического заряда у коллоидных частиц; • технику безопасности работы с прибором для электрофореза; 5 • причину возникновения заряда коллоидных частиц; • теории, описывающие возникновения ДЭС, уметь назвать электрокинетические явления, записать зависимость между электрофоретической скоростью и величиной дзета-потенциала; • изоэлектрическое состояние, как качественную перестройку мицеллы. Студент должен уметь: • Определять электрокинетический потенциал электрофоретическим методом; • определять порог коагуляции. • получать золи конденсационным методом; • определять концентрацию золя нефелометрическим методом. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ПО ТЕМЕ ЗАНЯТИЯ Коллоидная химия играет очень важную роль в биологии и медицине, так как растения и животные организмы содержат сложные дисперсные системы (кровь, лимфу, плазму, слизь и т.д.), а у жизненных процессов в значительной мере коллоидно-химический характер. Дисперсные системы Коллоидная химия по определению П.А.Ребиндера – это раздел физической химии, в котором рассматриваются процессы образования, разрушения и характерные свойства дисперсных систем. Такие системы относятся к гетерогенным. Высокодисперсная фаза называется дисперсной фазой, а среда, в которой она измельчена, называется дисперсной средой. Для всех дисперсных систем характерны два основных признака: 1. Дисперсность, т.е. раздробленность. 2. Гетерогенность, (неоднородность), система состоит из двух и более фаз. По дисперсности системы делят на три типа: 6 - грубодисперсные (взвеси, эмульсии, порошки) с размером частиц 10 -4 – 10 -7 м; - коллоидно-дисперсные (золи) с размером частиц 10 -7 - 10 -9 м; - молекулярные или ионные растворы с размером частиц - менее 10 -9 м. Степень раздробленности вещества дисперсной фазы выражается величиной дисперсности. Дисперсность отвечает размерам частичек дисперсной системы – радиусу (r), диаметру (d) или величине, обратной диаметру: D=1/d (9.1) Удельная поверхность – это площадь поверхности частичек дисперсной фазы, которая приходится на единицу массы или объема дисперсной фазы: Классификация дисперсных систем Дисперсные системы классифицируют по различным признакам: по дисперсности, агрегатному состоянию, структуре (свободнодисперсные и связнодисперсные), межфазному взаимодействию (лиофильные и лиофобные). По дисперсности рассматривают высокодисперсные системы и грубодисперсные системы, с размерами частичек дисперсной фазы больше чем 1-10 мкм. Ультрамикрогетерогенные системы (1-100 нм) называются коллоидными растворами. Классификация по степени взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой По взаимодействию дисперсной фазы с дисперсионной средой различают системы: 1. Лиофильные-системы, в которых сильно выражено взаимодействие частиц дисперсной фазы с растворителем. Системы термодинамически устойчивы. Дисперсная фаза в таких средах может подвергаться 7 самопроизвольному диспергированию. К таким системам относят поверхностно- активные вещества (ПАВ), растворы высокомолекулярных веществ, некоторых глин и др. 2. Лиофобные или гидрофобные. Дисперсная фаза слабо взаимодействует с дисперсионной средой. Системы требуют специальных методов стабилизации, так как термодинамические неустойчивы. К таким системам относятся золи металлов, лиозоли, эмульсии, аэрозоли, пены. Согласно классификации по агрегатному состоянию дисперсные системы условно обозначаются двумя буквами, первая из которых отвечает агрегатному состоянию дисперсной фазы, а вторая – агрегатному состоянию дисперсной среды. Например, обозначение Т/Ж означает, что твердое тело измельчено в жидкой среде. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию Дисперсная фаза Дисперсная среда Обозначение системы Примеры Газ Газ Г/Г Атмосфера земли Жидкость Газ Ж/Г Туман, тучи, аэрозоли жидких лекарств Твердое тело Газ Т/Г Дым, пыль, смог, порошки, аэрозоли твердых лекарств Газ Жидкость Г/Ж Пены, газовые эмульсии Жидкость Жидкость Ж/Ж Эмульсии (молоко, лекарственные эмульсии) Твердое тело Жидкость Т/Ж Суспензии, лиозоли Газ Твердое тело Г/Т Твердые пены, пемза, силикагель 8 Жидкость Твердое тело Ж/Т Жемчуг, капиллярные системы, гели Твердое тело Твердое тело Т/Т Разноцветное стекло, минералы, сплавы Методы получения дисперсных систем По размеру частиц золи занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами. Поэтому, все методы получения коллоидных систем можно разбить на две основные группы: 1. Диспергирование – дробление крупных частиц грубодисперсных систем до коллоидной дисперсности. 2. Конденсация – укрупнение молекул и ионов истинных растворов в боле крупные агрегаты коллоидных размеров. Методы химической конденсации. Это могут быть реакции: восстановления, окисления, разложения, гидролиза и др. Восстановление: получают золи металлов. Красный золь золота – реакция восстановления соли золота (аурата натрия) формальдегидом: O H NaHCO HCOONa Au 2 CO Na HCOH 3 O Au Na 2 2 3 0 3 2 2 3 + + + = + + + аурат натрия формальдегид на образующихся частичках (микрокристаллах золота) адсорбируются ионы − 2 AuO - потенциалобразующие ионы. Противоионы - + Na Строение частиц можно представить схемой: [ ] ( ) { } + − + − − ⋅ − ⋅ ⋅ xNa Na x n nAuO mAu x n 2 частицы золота имеют отрицательный заряд Х - Этим же способом можно получить из нитратов серебра (очень разбавленного раствора) желто-коричневый золь серебра. 9 Окисление: получают золи серы и селена действием кислорода: Se 2 O H 2 O Se H 2 S 2 O H 2 O S H 2 2 2 2 2 2 2 + → + + → + строение золя серы можно представить схемой: [ ] ( ) { } + − + − − ⋅ − ⋅ ⋅ xH H x n nHS mS x n Разложение: получение золя серы разложением тиосульфатов и полисульфатов: ( ) ( ) S S H SO NH SO H S NH S SO O H O S H 2 4 2 4 4 2 т полисульфа 2 2 4 2 2 тиосульфат 3 2 2 + + → + + + → Двойной обмен: позволяет получать многие золи труднорастворимых соединений: ( ) ) р ( 3 ) нр ( 4 ) р ( 4 2 ) р ( 2 3 ) р ( 3 ) нр ( ) р ( ) р ( 3 KNO 2 BaSO SO K NO Ba NaNO AgCl NaCl AgNO + ↓ → + + ↓ → + Гидролиз: получают золи гидроксидов тяжелых металлов: ( ) HCl 3 OH Fe O H 3 FeCl 3 2 3 + ↔ + Степень гидролиза возрастает с повышением температуры и с увеличением разведения. Возможны следующие схемы строения мицелл золя: ( ) [ ] ( ) { } ( ) [ ] ( ) { } − − − + + − + − + + ⋅ − ⋅⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ xCl Cl x n nFe OH Fe m II xCl Cl x n nFeO OH Fe m I x n x n 3 3 3 3 3 3 3 С помощью гидролиза могут быть получены золи кремниевой, вольфрамовой, титановой и других кислот, нерастворимых в воде. 10 Методы диспергирования. Диспергирование – тонкое измельчение твердых материалов или жидкостей и распределение их частиц в жидкой или газообразной среде. В результате образуются порошки, суспензии, аэрозоли, эмульсии. Механическое диспергирование.Для получения коллоидных растворов этим методом производится растирание и дробление твердых тел в специальных машинах – коллоидных мельницах. Метод электрического распыления: через какую-либо дисперсионную среду (например, воду) пропускают электрический ток между электродами, изготовленными из материала, коллоидный раствор которого хотят получить – один электрод распыляется. Получают коллоидные растворы золота, серебра, платины и других металлов. Ультразвуковое распыление: ультразвуковые волны с частотой от 20 тысяч до 1 млн. колебаний в секунду получают с помощью пьезоэлектрических осцилляторов. Электрогидравлический удар– новый способ получения дисперсных систем, обеспечивающий высокую степень дисперсности при минимальных затратах времени. Метод пептизации.Перевод осадка в золь путем обработки пептизаторами – растворами электролитов, ПАВ или растворителем. При пептизации не происходит изменения степени дисперсности частиц. Результатом пептизации является разобщение частиц и распределение их по всему объему дисперсионной среды. Непосредственная пептизация: действуем раствором 3 FeCl . Ионы железа, адсорбируясь на поверхности частиц, сообщают им положительный заряд, одноименно заряженные частицы отталкиваются и переходят из осадка в раствор: ( ) ( ) [ ] ( ) { } − + − + + ⋅ − ⋅ → + xCl Cl x n nFe OH mFe nFeCl OH mFe x n 3 3 3 3 3 3 3 3 11 Посредственная пептизация: действуем разбавленной соляной кислотой. Часть молекул ( ) 3 OH Fe взаимодействует с HCl с образованием хлороксида железа FeOCl . Ионы вновь полученного пептизатора + FeO , адсорбируясь на поверхности частиц осадка ( ) 3 OH Fe , переводят его в коллоидное состояние: ( ) ( ) ( ) [ ] ( ) { } − + − + + − + − + ⋅ − ⋅⋅ → + + + → + → + xCl Cl x n nFeO OH mFe nCl nFeO OH Fe nCl nFeO nFeOCl O H FeOCl HCl OH Fe x n 3 3 2 3 2 Во многих случаях процесс пептизации имеет смешанный характер. На пептизацию влияют: структура осадка, возраст осадка (коагеля), концентрация пептизатора, механическое воздействие, температура. Очистка коллоидных растворов. Коллоидные растворы, полученные любыми методами, обычно содержат ряд примесей (исходные вещества или побочные продукты). Все эти вещества изменяют свойства коллоидных систем и поэтому должны быть удалены. Основные методы очистки золей. Диализ: процесс очистки (отделения) коллоидных растворов,которыйоснован на свойстве полупроницаемой мембраны пропускать примеси ионов и молекул малых размеров и задерживать коллоидные частицы. Электродиализ: процесс диализа, ускоренный путем применения электрического тока. Ультрафильтрация: фильтрование коллоидных растворов через полупроницаемую мембрану под давлением или в вакууме. При этом коллоидные частицы остаются на фильтре (мембране), а фильтрат, содержащий низкомолекулярные вещества, переходит в растворитель. Для ускорения ультрафильтрацию проводят под давлением (иногда в вакууме). 12 Электроультрафильтрация– это ультрафильтрация в электрическом поле. В таблице приведены относительные скорости очистки коллоидных растворов: Молекулярно-кинетические и оптические свойства коллоидных систем. Броуновское движение.Коллоидные частицы по молекулярно- кинетическим свойствам принципиально не отличаются от истинных растворов. Взвешенные в растворе частицы находятся постоянном беспорядочном тепловом движении. Траектория движения частиц, зафиксированная с помощью кинематографической микросъемки имеет вид ломаной линии. Средняя квадратичная величина всех смещений без учета направления движения равна: n n 2 2 2 2 1 ∆ + ∆ + ∆ = ∆ n - число смещений (число отрезков ломаной линии); i ∆ - отдельные проекции смещения частицы на ось х. Элементарные исследования броуновского движения проводились Р. Зигмонди, Ж. Перреном, Т. Сведбергом, а теория этого движения была развита Эйнштейном и Смолуховским (1905). Уравнение Эйнштейна-Смолуховского для среднего квадратичного смещения частицы за время t при броуновском движении имеет вид: t N r RT A ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ∆ η π 3 2 R - универсальная газовая постоянная; T - абсолютная температура; η - вязкость среды; 13 r - радиус взвешенных частиц; A N - постоянная Авогадро; t - время. Из уравнения следует вывод – чем крупнее частица, тем меньше величина ее смещения. Кроме поступательного движения частицы обладают также и вращательным движением. Для вращательного броуновского движения частиц сферической формы среднее квадратичное значение угла вращения (угла поворота) составит: t N r RT A ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 3 2 4 η π ϕ Теория Эйнштейна получила многочисленные и неоспоримые доказательства. Например, блестящим подтверждением теории являлись работы Ж. Перрена, который в своих опытах использовал сферические частицы мастики с точно известным радиусом ≈1 мкм. Измеряя на этом золе поступательное и вращательное движение частиц при известных значениях Т и ηПеррен вычислил постоянную Авогадро, получив значение N A =6,5 ⋅10 23 |