7.1 Загальна характеристика дисперсних систем: основні визначення та класифікація.

Колоїдну хімію слід розглядати як самостійний розділ фізичної хімії.

Дисперсні системи. Якщо одна речовина, що знаходиться в роздробленому (діспергированому) стані, рівномірно розподілена в суцільній масі іншої речовини, то таку систему називають дисперсною системою. У таких системах роздроблену речовину прийнято називати дисперсною фазою, а середовище, в якому ця фаза розподілена, - дисперсійним середовищем. Так, наприклад система, що є взмученную глиною у воді, полягає: 1) із зважених дрібних частинок глини - дисперсної фази і 2) води - дисперсійного середовища.

Всі дисперсні системи по величині частинок дисперсної фази можна розділити на групи.

Грубодисперсні системи містять як дисперсну фазу найбільш крупні частинки з діаметром від 0,1 м і вище. До цих систем можуть бути віднесені суспензії і емульсії.

Суспензіями називаються системи, в яких тверда речовина знаходиться в рідкому дисперсійному середовищі, наприклад суспензія крохмалю, глини і ін. у воді.

Емульсіями називаються дисперсні системи двох рідин, що не змішуються, де одна рідина у вигляді крапельок диспергує в іншій, наприклад масло, бензол, толуол у воді або крапельки жиру (діаметр від 0,1 до 22 μ ) в молоці і ін.

Колоїдні системи мають розміри частинок дисперсної фази від 0,1 м до 1 m μ (або від 10-5 до 10-7 см). Такі частинки можуть проходити через пори фільтрувального паперу, але не проникають через пори тваринних і рослинних мембран. Колоїдні частинки через наявність у них електричного заряду і водних оболонок залишаються в зваженому стані і без змін умов дуже довго можуть не випадати в осад. Прикладами колоїдних систем можуть служити розчини альбуміна, желатину, гуміарабіку, колоїдні розчини золота, срібла, сірчистого миш'яку і ін.

Молекулярно-дисперсні системи мають розміри частинок, що не перевищують 1 mμ : дійсні розчини різноманітних неелектролітов: сечовини, глюкози, сахарози, спирту і др.-относятся до молекулярно-дисперсних систем.

Іонно-дисперсні системи - це розчини різних електролітів, як, наприклад, кислот, солей, підстав і інших речовин, що розпадаються на відповідні іони, розміри яких вельми малі і виходять далеко за межі 10^-8 см.

от 10^-1 10^-2 10^-3 10^-4 10^-5 10^-6 10^-7 10^-8 10^-9 10^-10 см

___________________________________________________________

Микроскопическая Коллоид- Молеку- Ионная

дисперсность (сус- ная дис- лярная дисперс-

пензии, эмульсии) персность дисперсность ность

Дисперсные системы, в .частности коллоидные, широко распространены в природе. Такие биологиче­ские жидкости животных организмов, как кровь, плазма, лимфа, спинно-мозговая жидкость и др., пред­ставляют собой коллоидные системы, в которых ряд веществ, например белки, холестерин, гликоген и др., находятся в коллоидном состоянии; то же можно сказать о белках, крахмале, слизях и камедях в расте­ниях.

Коллоиды различных тканей животного и растительного организмов обусловливают разнообразие их свойств (состояние гелей, эластичность, набухание и др.). Коллоидные вещества могут связывать огромные количества воды (соединительная ткань, стекловидное тело и др.), а также соединяться (адсорбировать) с са­мыми разнообразными веществами. Последнее свойство имеет важное значение при обмене веществ и процес­сах пищеварения. Этим же может быть объяснен первоначальный механизм воздействия лекарственных веществ на организм.

Весьма существенную роль играют коллоиды в промышленности: в резиновой, текстильной, лакокра­сочной, пищевой, при изготовлении 'Пластмасс, искус­ственного волокна и т. д.

Большое значение имеет измельчение ценных руд и последующее отделение их от «пустых» пород путем флотации .

Механическая и термическая обработка металлов, технология фотографических и кинематографических процессов имеет непосредственное отношение к кол­лоидно-дисперсным системам и их свойствам.

КЛАСИФІКАЦІЯ ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ

Класифікацію дисперсних систем найчастіше проводять, виходячи із ступеня дисперсності або агрегатного стану систем.

У першому випадку це зводиться до вже розглянутим нами основним групам дисперсних систем: грубим суспензіям (суспензіям), колоїдним і молекулярним розчинам.

Інша класифікація заснована, на різних агрегатних станах фаз, створюючих дисперсні системи. Кожна дисперсна фаза і дисперсійне середовище можуть бути в трьох агрегатних станах: у газоподібному, рідкому і твердому.

Виходячи з цього, можна було б чекати наявність в природі 9 груп різних дисперсних систем, але система газ в газі не утворює агрегатів, а є гомогенною сумішшю, що не має поверхні розділу між фазами (табл. 1).

Найбільший інтерес з вказаних дисперсних систем, що найближче стоять до біологічних об'єктів, представляють колоїдні розчини, що включають високомолекулярну дисперсну фазу і рідке дисперсійне середовище (колоїдні розчини білків . полісахаридів і ін.).

Коллоидные растворы иначе называют золями (от латинского слова solutus — растворенный). В зависи­мости от растворителя - дисперсионной среды, т. е. воды, спирта, бензола или эфира и т. п., различают гидрозоли, алкозоли, бензозоли, этерозоли и т. д.

Таблица 1

Враховуючи, що колоїдні розчини можуть за відомих умов, втрачаючи свою текучість, тверднути, утворюючи холодці або гелі (від латинського слова gelatus - замерзлий), то відповідно до сказаного і назви їх будуть - гідрогелі, алкогелі, бензогелі і т.д.

Вельми істотним для загальної характеристики, колоїдних розчинів є властивість їх дисперсної фази взаємодіяти з дисперсійним середовищем. В цьому відношенні розрізняють два типи золів: у одних частинки не мають спорідненості до розчинника, слабо з ним взаємодіють і утворюють навколо себе тільки невелику оболонку з молекул розчинника; такі колоїди отримали назву ліофобних (від грецького слова phobia- ненависть); зокрема, якщо дисперсійним середовищем є вода, то такі системи називаються гідрофобними, наприклад золи гідрата окислу заліза, золота, сірчистого миш'яку, хлористого срібла і ін.

В протилежність цьому, в системах, у яких між діспергированими речовиною і розчинником є спорідненість, частинки набувають великої оболонки з молекул розчинника. Такі системи отримали назву ліофільних (від грецького слова philia - любов), а у разі водного дисперсійного середовища - гідрофільних колоїдів; так, наприклад, розчини білка, крохмалю, агар-агару, гуміарабіку і ін.

В даний час ділення колоїдних систем на дві основні групи - ліофільні і ліофобні колоїди - є застарілим, хоча назви гідрофільні і гідрофобні зустрічаються, але не як групові, а як поняття, що характеризують взаємодію між молекулами середовища і дисперсною фазою.

Многие исследователи придерживаются иной клас­сификации коллоидных систем:

1) собственно коллоиды (гидрозоли металлов, суль­фидов и др.);

2) грубодисперсные системы (эмульсии, аэрозоли, полуколлоиды);

3) высокомолекулярные соединения и их растворы (белки, полисахариды,

каучук, полиамиды и др.).

В дальнейшем изложении будут подробно рассматри­ваться только некоторые представители из указанных групп классификации и главным образом те, значение которых представляет больший интерес для биологии и медицины.

7.2 Методи очищення колоїдних розчинів: діаліз, електродіаліз, ультрафільтрація, гемодіаліз, апарат '"Штучна нирка". Оптичні властивості дисперсних систем (ефект Тіндаля): ультрамікроскопія, електронна мікроскопія, нефелометрія.

Характерною ознакою, що відрізняє колоїдні розчини від істинних, є їх гетерогенність. Дійсно, розміри колоїдних частинок, в порівнянні з розмірами молекул розчинника, настільки великі, що між ними утворюється поверхня розділу.

Поверхнею розділу називається граничний шар, що відокремлює одну фазу від іншої.

Власне колоїдні системи, про що мовилося і раніше, є мікрогетерогенні системи (на відміну від однофазних гомогенних систем - розчинів високомолекулярних з'єднань), що складаються з двох фаз - дисперсійного середовища і дисперсної фази з сумарною (сума поверхонь всіх частинок) поверхнею розділу між ними.

Для отримання таких систем потрібне дотримання наступних умов:

а) довести розміри речовини, що диспергує, до розмірів колоїдних частинок;

6) створити відповідні умови, які могли б забезпечити збереження колоїдних частинок в зваженому поляганні в дисперсійному середовищі. Последнєє- зазвичай створюється іонами електролітів (стабілізаторами), які на поверхні розділу фаз утворюють іонний шар і оболонку гідрата;

в) а також дисперсна фаза повинна володіти поганою розчинністю принаймні при отриманні гідрофобних золів.

Таким чином, частинки набувають електрично заряду і оболонки гідрата, що перешкоджає випаданню їх в осад. Враховуючи, що колоїдні розчини займають за розмірами своїх частинок проміжне положенні між грубодисперсними і молекулярно-дисперсним системами, в основу отримання колоїдних розчинів можуть бути покладені два принципи:

раздробление-диспергирование более крупных частиц до желаемой степени дисперсности, отвечающей величине коллоидных частиц и

укрепление — объединение в агрегаты молекул или ионов до частиц, приближающихся по размерам к частицам коллоидных систем.

Первый метод получил название дисперсионного (от латинского слова dispergere — рассеивать, дробить), а второй — конденсационного метода.

Дисперсійні методи.

При роздрібненні крупних частинок необхідно витратити деяку кількість енергії. Основним принципом отримання колоїдів дисперсійними методами є дроблення твердих речовин за допомогою спеціальних млинів, електрики, ультразвука і ін.

Конденсаційні методи .

У основі більшості конденсаційних методів, отримання колоїдних розчинів лежать різноманітні хімічні реакції: окислення, відновлення, реакція обмінного розкладання, гідролізу і ін.

Метод окисления. При этом методе в результате реакции окисления могут быть получены коллоидные растворы, например:

2Н₂S + SО₂ →3S + 2Н₂О

атоми нейтральної сірки, що утворюються, потім конденсуються в колоїдні частинки сірі.

МЕТОДИ ОЧИЩЕННЯ КОЛОЇДНИХ РОЗЧИНІВ

Для отримання розчинів з найбільшою стійкістю і для вивчення їх властивостей необхідне видалення із золів всіляких домішок і в першу чергу надлишку електролітів, які, как правило утворюються при отриманні колоїдних розчинів

.

Диализ. Для очистки растворов широко применяется метод диализа. Освобождение коллоидных растворов от примесей, способных проникать через раститель­ные, животные и искусственные мембраны, называется диализом, а приборы, приспо­собленные для это­го, получили назва­ние диализаторов. Первые модели диализаторов пред­ставляли собой со­суды, заполняемые проточной водой, в которые помещалась на глубину несколь­ких сантиметров внутрен­няя часть прибора, напоми­нающая широкую усечен­ную воронку, на более узкую часть которой натяги­валась мембрана из перга­мента, коллодия, целло­фана. Во внутреннюю часть наливался коллоидный раст­вор, подлежащий очистке (рис. 39). С помощью диализа постепенно происходит удаление веществ, лег­ко проникающих через мембрану, например элек­тролитов и других кристаллоидов. Очистка коллоидных растворов этим способом протекает медленно (недели и месяцы), и поэтому для ускорения диализа было предложено использовать электрический ток.

Электродиализ. Ускоренный процесс диализа при использовании постоянного электрического тока получил название электродиализа. Прибор для электро­диализа представляет собой сосуд, разделенный двумя мембранами (М) на три части (рис. 40). В среднюю часть (А) наливается очищаемый коллоидный раствор, во внешние (В и В₁), в которых находятся электроды, наливается растворитель — проточная вода. При пропускании тока образуется направленное движение ионов и катионов к соответствующим электродам,

коллоидный раствор при этом постепенно очищается от электролитов, а также при диализе могут удаляться низкомолекулярные неэлектролиты.

Компенсационный диализ и вивидиализ. Для исследования биологических жидкостей Михаэлисом и Рона, был предложен метод, позволяющий определять кон­центрацию тех или иных низкомолекулярных веществ, находящихся в свободном состоянии в коллоидных растворах.

Сущность компенсационного диализа состоит в замене обычного растворителя специально приготовленным раствором, содержащим известные концентраций веществ, близкие к концентрации исследуемой биологической жидкости . После продолжительного диализа, когда между указанными концентрациями установится динамическое равновесие, анализируют состав и отделяют количество во внешней среде веществ, вновь в нее продиализировавших. Этот метод позволяет судить об истинных концентрациях веществ в исследуемых коллоидных растворах. Таким путем например, было выявлено наличие глюкозы и мочевины в крови в свободном состоянии.

Примерно на том же принципе основано прижизненное определение низкомолекулярных составных частей крови методом вивидиализа (вивидиффузия по Абелю). В концы перерезанного кровеносного сосуда вставляются стеклянные канюли, разветвленные части которой соединяются между собой трубочками из коллодия, и вся система погружается в сосуд, заполняемый физиологическим раствором NаС1 или водой (рис. 41).

Было установлено, что аминокислоты в крови, так же как и глюкоза, могут находиться в свободном состоянии.

На принципе компенсационной вивидиффузии был сконструирован аппарат, получивший название «искусственной почки», с по­мощью которого мож­но освобождать кровь от продуктов обмена веществ (шлаков) и, следовательно, вре­менно замещать функ­цию естественной, но больной почки. Пока­заниями к применению «искусственной почки» является острая почеч­ная недостаточность, например, при отравле­нии сулемой, сульфа­ниламидными препа­ратами, при уремии после переливания кро­ви, при тяжелых ожо­гах, токсикозе бере­менности и т. п.