7.3 Електричні властивості колоїдно-дисперсних систем: механізм утворення подвійного електричного шару. Рівняння Гельмгольца-Смолуховського. Електрофоретична рухливість.

7.4 Електрокінетичні явища: електроосмос, електрофорез, потенціали перебігу та седиментації. Застосування електрофорезу в дослідницькій та клініко-лабораторній практиці.(спрс)

Утворення подвійного шару іонів приводить до появи певних елек­тричних потенціалів на межі розділу твердої і рідкої фаз Іони першого шару (внутрішньої обкладки), фіксовані на твердій поверхні, надають цій поверхні свій знак заряду і створюють на ній так званий поверхневий або φ-потенціал. Знак φ-потенціалу збігається зі знаком заряду потенціал-утворюючих іонів. Величина φ -потенціалу пропорційна числу зарядів цих іонів на поверхні частинок.

Якщо подвійний шар утворився в результаті адсорбції іонів або ди­соціації твердої речовини, то електричний потенціал на поверхні частинок визначається винятково концентрацією або активністю цих іонів у розчині тому що частинка діє як оборотний електрод щодо цих іонів. У цьому випадку φ -потенціал можна виразити рівнянням Нернста:

RT a_o

φ = φ^o + ------ ln ------- (11)

zF a₁

де φ^o - стандартний потенціал утвореного електрода; R - універсальна га­зова стала; Т - абсолютна температура; z - заряд потенціалутворюючих іонів; F - число Фарадея, рівне F = 96487 Кл/моль-екв; а_o і а₁ - активність іонів на поверхні і у розчині відповідно (замість активності для розведених розчинів можна брати концентрацію c_i).

З погляду термодинаміки (φ -потенціал дорівнює роботі перенесення оди­ничного (елементарного) заряду з нескінченно віддаленої точки об'єму розчину на поверхню твердої фази, тобто це потенціал твердої поверхні. Прямих методів його виміру не існує.

Потенціал, що характеризує подвійний шар іонів, називають електрокі­нетичним або

ζ-потенціалом (дзета-потенціалом). Це електричний потен­ціал у подвійному шарі на межі між частинкою, здатною до руху в елек­тричному полі, і навколишньою рідиною.

ζ -потенціал є потенціалом поверх­ні ковзання. Однак у подвійному електричному шарі точна відстань від твер­дої поверхні до поверхні ковзання невідома Тому приблизно можна прий­няти, що поверхня ковзання проходить по межі між адсорбційним і дифузій­ним шарами іонів. Отже, ζ -потенціал близький, хоча і не зовсім ідентичний по величині, потенціалу на границі адсорбційного і дифузійного шарі.

Знак ζ -потенціалу звичайно збігається зі знаком φ -потенціалу.

Знак електрокінетичного потенціалу залежить від хімічної природи твердої фази. Кислі речовини (кремнієва кислота, танін, сульфіди металів, сірка) у водному середовищі набувають, як правило, від'ємний заряд. Особливо чітко проявляється залежність знака дзета-потенціала твердої фази від її хімічної природи при розгляді сполук кислотного (карбоксильні) і основного (аміни) характеру.

Електрофорез і електроосмос були відкриті Ф.Ф.Рейссом (1808).

В дослідженнях Рейсса в шматок вологої глини були встромлені дві скляні трубки з вмонтованими в них електродами Заливши в скляні трубки воду і підключивши електроди до джерела постійного струму, Рейсе спостерігав через деякий час під­няття частинок глини (муті) біля позитивно зарядженого електрода, а в іншій трубці, яка була підключена до негативного електрода, він спо­стерігав підняття рівня води на деяку висоту h (рис. 10.6). З цих експе­риментів Рейссом було зроблено ви­сновок, що частинки дисперсної фа­зи (муті) заряджені негативно, тоді як вода містить додатні заряди. При подальшому вивченні цих явищ було виявлено, що вони характерні для всіх колоїдно-дисперсних систем.

Р ух частинок дисперсної фази в електричному полі до протилежно

зарядженого електрода одержало назву електрофорезу.

Щоб зрозуміти причину підняття рівня води в трубці з від'ємне за­рядженим електродом, Рейсе поставив інший дослід. Він пропускав постій­ний електричний струм через ІІ-подібну трубочку, середня частина якої була заповнена дрібним кварцевим піском, який відігравав роль пористої діафрагми. Після включення струму рівень води в коліні з від'ємним елек­тродом почав підніматись, а в коліні з додатнім електродом - знижуватись. Через деякий час пропускання електричного струму встановлювалась певна різниця рівнів, яка надалі не змінювалась. Численні досліди показали, що як і у випадку електрофорезу, цей процес відбувається зі сталою швид­кістю. Причому кількість перенесеної рідини пропорційна різниці потен­ціалу і діелектричній сталій і обернено пропорційна в'язкості середовища. Це явище перенесення рідини крізь пористі діафрагми і вузькі капіляри одержало назву електроосмосу.

Методи електрофорезу мають велике теоретичне і практичне значення Величина ζ -потенціалу дозволяє судити про стійкість колоїдного розчину, оскільки зміна стійкості, як правило, відбувається симбатно зі зміною електрокінетичного потенціалу. Але вимір електрофоретичної рухливості може мати більш широке значення. В даний час електрофорез є могутнім засобом для вивчення фракційного складу складних біологічних систем -природних білків (метод Тизеліуса), а також для характеристики таких біологічних об'єктів, як ензіми, віруси, бактерії, форменні елементи крові тощо. За допомогою електрофорезу можна виділяти із суспензій зважені частинки, а також робити покриття твердих частинок або поверхонь шаром інших речовин.

Електрофорез застосовують для очищення різних фармацевтичних препаратів. У фармакопеї передбачене встановлення ступеня чистоти по електрофоретичній однорідності ряду антибіотиків, вітамінів та інших речовин. Електрофорез (іонофорез) є одним з методів уведення лікуваль­них препаратів в організм людини.

Широке застосування як аналітичний і препаративний метод поділу і виділення різних лікарських речовин і біологічно активних сполук знай­шов електрофорез на папері, а також в агаровому або крохмальному гелі. Ці методи застосовують також при діагностиці ряду захворювань шляхом порівняння фракційного складу (по числу й інтенсивності зон на електрофореграмі) нормальних і патологічних біологічних рідин.

Електрофорез у різних його варіантах широко застосовується у меди­цині для лікування та діагностики. Так, за допомогою іонофорезу через непошкоджену шкіру в організм вводять лікарські препарати При цьому лікувальну дію має не тільки речовина, яка вводиться безпосередньо до зони враження, але й електричний струм.

В гематології та імунології електрофорез застосовують для визначення змін в клітинних частинках. Всі клітини крові хребетних мають негативний заряд. Кожний тип клітин характеризується досить певним значенням елек­трокінетичного потенціалу з незначними відхиленнями. За електрокіне­тичною рухливістю клітин крові можна розмістити у такій послідовності: гранулоцити 0,6 ^.10^-12 м²/(сВ), лімфоцити 0,8^. 10^-12 м²/(сВ), еритроцити 1,0 ^. 10^-12м²/(сВ).

Електрофорез клітин знайшов застосування при оцінці клітинного іммунітету в онкологічних хворих. Електрофоретичні методи належать до най­кращих сучасних методів розділення та аналізу суміші білків та виділення цих макромолекул.

В медичній діагностиці та з метою визначення чистоти біохімічних препаратів також застосовуються методи електрофорезу. Впровадження електрофорезу в біохімічні дослідження і в медичну практику є важливим, оскільки дає змогу аналізувати суміші біологічних рідин, розділяти їх на компоненти і визначати їх індивідуальні характеристики. Найбільший інте­рес серед біологічних рідин викликає кров, тому вона досліджена найпов­ніше.

В медицині існують прикладні види електрофорезу, гелбелектрофорез, імуноелектро-форез, диск-електрофорез, ізотахофорез тощо.

Електрокінетичні явища широко використовуються в науці і техніці Нанесення електрофоретичним методом на металеві вироби антикоро­зійного покриття дає можливість одержувати рівномірний шар на деталях складної геометричної форми. Це широко використовується на автоматич­них лініях фарбування кузовів автомобілів. В цьому методі одним з елек­тродів є сама деталь, яку покривають фарбою, а другим - ємність, за­повнена суспензією, дисперсна фаза якої наноситься на поверхню. В залеж­ності від того, яким електродом є деталь, яку покривають, розрізняють анодофорез і катодофорез.

 Фізична та колоїдна хімія

Лекція № 8. Коагуляція колоїдних розчинів. Колоїдний

захист .

8.1 Стійкість та коагуляція дисперсних систем. Коагуляція гідрофобних золів під дією електролітів. Поріг коагуляції. Правило Шульце—Гарді.

8.2 Вплив електролітів на величину електрокінетичного потенціалу. Явище колоїдних частинок. Чергування зон коагуляції. Кінетика коагуляції. Коагуляція золів сумішами електролітів. Взаємна коагуляція золів.

8.3 Процеси коагуляції під час очищення питної води та стічних вод. Явище звикання золів. Сучасна теорія стійкості і коагуляції гідрофобних золів ДЛФО. Колоїдний захист і його значення для біології, медицини, фармації.

8.4 Емульсії. Методи одержання та властивості. Типи емульсій. Емульгатори та механізм їх дії. Застосування емульсій у клінічній практиці. Біологічна роль емульгування.

Аерозолі. Методи одержання, властивості, руйнування. Застосування аерозолів в клінічній та санітарно-гігігнічній практиці. Токсична дія деяких аерозолів. Грубо дисперсні системи з рідинним середовищем. Пасти, їх медичне застосування. (СПРС).

Самостійна робота : Емульсії. Застосування емульсій у клінічній практиці. Біологічна роль емульгування.

Аерозолі. Застосування аерозолів в клінічній та санітарно-гігіенічній практиці. Токсична дія деяких аерозолів. Пасти, їх медичне застосування.