Классификация дисперсных систем

По степени дисперсности коллоидные системы делятся на:

(а) коллоидно-дисперсные (10‾⁹< α< 10‾⁷м);

(б) грубо-дисперсные (10‾⁷< α < 10‾⁵м).

где a- диаметр частицы дисперсной фазы.

По степени взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды (под их взаимодействием понимают образование сольватных оболочек вокруг частиц дисперсной фазы) различают:

(а) лиофильные системы. Лиофильнымиявляются системы, в которых сильно выражен эффект сольватации (растворы ВМС и ПАВ). Они устойчивы; их образование протекает самопроизвольно.

(б) лиофобные дисперсные системы.Лиофобными являются системы, в которых эффект сольватации отсутствуют (например, дисперсии металлов и труднорастворимых солей). Они не устойчивы; их образование протекает несамопроизвольно.

По отсутствию или наличию межмолекулярного взаимодействия между частицами дисперсной фазы системы подразделяются на:

(а) свободнодисперсионные дисперсные системы. Свободнодисперсионные системы — это системы, в которых частицы не связаны между собой и свободно перемещаются (например, аэрозоли и лиозоли).

(б) связнодисперсные дисперсные системы. Связнодисперсные системы — это системы, в которых частицы связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия. Как следствие, движение частиц движение затруднено (гели, студни).

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды приведена в таблице 26.

 

Таблица 26 — Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

 

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Тип системы	Примеры
Газ     Аэрозоли	Ж   Т	Ж/Г   Т/Г	Туманы, облака, аэрозоли жидких лекарственных препаратов   Дым, пыль, порошки, аэрозоли твердых лекарств
Жидкость   Лиозоли	Г   Ж   Т	Г/Ж   Ж /Ж   Т/Ж	Жидкие пены   Эмульсии: молоко, лекарственные эмульсии, кремы   Коллоидные растворы (золи), суспензии
Твердое тело     Солидозоли	Г   Ж   Т	Г/т   Ж/Т   Т/Т	Твердые пены: хлеб, пемза, активированный уголь   Жемчуг, опал   Цветные стекла, минералы, сплавы

 

Согласно современным представлениям, любое твердое тело — это высокодисперсная система, так как размеры дефектов кристаллических решеток соответствуют размерам коллоидных частиц.

 

16.2. Получение и очистка коллоидных растворов

 

Для получения коллоидных растворов (золей) используют:

а) метод диспергирования,

б) метод конденсации.

Метод диспергирования — это дробление крупных частиц до коллоидной степени дисперсности.

Диспергирование можно осуществлять: (а) механическим дроблением (шаровые, коллоидные мельницы); (б) электрическим распылением в вольтовой дуге (получение золей золота, серебра, платины и других металлов); (в) действием ультразвука.

Особым способом диспергирования является метод пептизации, то есть дробление свежеприготовленных осадков на отдельные коллоидные частицы при добавлении небольшого количества электролита-пептизатора в раствор.

Различают адсорбционную и химическую пептизацию. При адсорбционной пептизации ионы электролита-пептизатора адсорбируются на поверхности частиц осадка, сообщая им одноименный электрический заряд и способствуя переходу во взвешенное состояние. При химической пептизации электролит-пептизатор образуется в результате химической реакции, протекающей в растворе.

Пептизация имеет большое биологическое значение. Например, рассасывание атеросклеротических бляшек, почечных и печеночных камней происходит под воздействием лекарственных препаратов, являющихся пептизаторами.

Метод конденсации — это соединение атомов, молекул или ионов в агрегаты коллоидной степени дисперсности. Конденсационные методы получения дисперсных систем делятся на химические и физические.

В основе химической конденсации лежат химические реакции, проте- кающие с образованием труднорастворимых соединений.

Например, получение дисперсии радиоактивного золота, применяемого для лечения онкологических заболеваний, осуществляется в результате окислительно-восстановительной реакции:

H[AuCl₄] + 3 H₂O₂ → 2 Au↓+ 8 HCl + 3 O₂

Получение протаргола (сильнодействующего антисептика) возможно в результате реакции ионного обмена:

AgNO₃ + KI → AgI↓ + KNO₃

Кроме того, многие золи образуются как продукты гидролиза солей:

FeCl₃ + 3 H₂O Fe(OH)₃↓ + 3 HCl.

Получение дисперсных систем методом физической конденсации выполняют: (а) путем замены растворителя, (б) понижением температуры или повышением давления паров и газов. Сущность метода замены растворителя заключается в том, что в истинный раствор добавляют жидкость, в которой растворенное вещество практически не растворимо. При понижении температуры или повышении давления паров и газов происходит их конденсация. Так в природе образуются туманы и облака.

В организме превалирующим является конденсационный метод. Одним из немногих примеров диспергирования является эмульгирование жиров в кишечнике.

К методам очистки золей относятся:

(а) диализ и электродиализ,

(б) ультрафильтрация.

При помощи диализа и электродиализа происходит очистка золей от электролитов. Диализ основан на применении мембран, задерживающих крупные коллоидные частицы и пропускающих ионы и молекулы низкомолекулярных веществ (рисунок 62).

Рисунок 62 — Простейший диализатор

 

Диализ протекает медленно, но он может быть ускорен путем пропускания электрического тока через золь, подлежащий очистке. Такой процесс получил название электродиализа, а соответствующий прибор — электродиализатора (рисунок 63).

Рисунок 63 — Простейший электродиализатор

 

Ультрафильтрация — это отделение дисперсной фазы от дисперсионной среды, осуществляемое путем продавливания золя через плотные фильтры, непроницаемые для частиц дисперсной фазы. Фильтрование обычно проводят под давлением или в вакууме. Применяя мембраны с определенной степенью пористости, можно не только разделять коллоидные частицы, но и определять их размеры. Этим методом впервые были определены размеры целого ряда вирусов и бактериофагов.

Процесс ультрафильтрации лежит в основе работы почек. Вещества с молярной массой до 10000 свободно проходят через сито базальной мембраны, а с молярной массой свыше 50 000 — проходят только в ничтожных количествах.

Примером сочетания диализа и ультрафильтрации является аппарат "искусственная почка", предназначенный для временной замены почек при почечной недостаточности. Аппарат подключают к системе кровообращения больного. Кровь под давлением, создаваемым пульсирующим насосом ("искусственное сердце"), протекает в зазоре между двумя мембранами, омываемыми снаружи физиологическим раствором (рисунок 64). Благодаря большой площади мембран (~15000 см²) из крови сравнительно быстро (3-4 ч) удаляются "шлаки" — продукты обмена и распада тканей (мочевина, креатинин, ионы калия и др.). Данный метод лечения называется гемодиализом.

 

Рисунок 64 — Прибор «Искусственная почка»

 

16.3. Строение мицелл лиофобных золей

 

Согласно мицеллярной теории, золь состоит из мицелл и интермицеллярной жидкости. Мицелла —это электронейтральная частица дисперсной фазы, окруженная двойным электрическим слоем ионов. Интермицеллярная жидкость — это дисперсионная среда, разделяющая мицеллы

Основу мицеллы составляют микрокристаллы трудно-растворимого вещества, называемые агрегатом. В результате избирательной адсорбции на поверхности агрегата адсорбируются ионы электролита-стабилизатора.

Пример. Рассмотрим строение мицеллы золя AgI, образующегося в результате реакции (рисунок 65):

AgNO₃ + KI → AgI + KNO₃

Если в избытке находится AgNO₃, то именно он является стабилизатором т.к. сообщает устойчивость коллоидным частицам. Из его ионов формируется двойной электрический слой вокруг агрегата:

AgNO₃ → Ag⁺ + NO₃^-

Рисунок 65 — Формула мицеллы AgI, стабилизированной ионами

электролита AgNO₃

 

ПОИ — потенциалопредляющие ионы, адсорбирующиеся на поверхности агрегата,

ПРИ — противоионы, адсорбирующиеся на поверхности ядра; они входят как в состав адсорбционного, так и в состав диффузного слоя.

Коллоидная частица (гранула) — это часть мицеллы, состоящая из агрегата и адсорбционного слоя. Заряд гранулы рассчитывают как алгебраическую сумму ионов, входящих в ее состав:

+n - 1(n-х) = +n – n + х = + x

Пример. Рассмотрим строение мицеллы золя AgI, образующегося в результате реакции (рисунок 66):

AgNO₃ + KI → AgI + KNO₃,

протекающей при избытке KI. В данном случае электролитом-стабилизатором является КI, диссоциирующий на ионы по уравнению:

KI → K⁺ + I^-

Из ионов К⁺ и I^- формируется двойной электрический слой вокруг агрегата.

Рисунок 66 — Формула мицеллы AgI, стабилизированной ионами

Электролита КI

 

Заряд коллоидной частицы равен:

- n + 1(n-x) = - n + n – x = - x.

Образование двойного электрического слоя (ДЭС) приводит к тому, что на поверхности раздела адсорбционного и диффузного слоя появляется электрический потенциал, называемый электрокинетическим (дзета) потенциалом (ξ). ξ–потенциал служит мерой устойчивости коллоидных частиц, а так же мерой размеров межклеточных пространств in vivo.

 

Физические свойства золей

 

Физические свойства коллоидных растворов можно разделить на три основных категории:

а) молекулярно-кинетические свойства,

б) электрокинетические свойства;

в) оптические свойства.

К важнейшим молекулярно-кинетическим свойствам относятся броуновское движение, диффузия и седиментация.

Броуновское движение — это хаотическое движение частиц дисперсной фазы под воздействием ударов молекул дисперсионной среды (рисунок 67).

Диффузия — это самопроизвольный процесс выравнивания концентраций частиц по всему объему раствора в результате броуновского движения. Характеристикой диффузии является ее коэффициент D, зависящий от размеров частиц (r) и вязкости среды (h):

где D – коэффициент диффузии, м²/с;

r — размер частиц дисперсной системы, м;

h — вязкость дисперсионной среды, Н·с/м²;

N_A — постоянная Авогадро, равная 6,02·10²³ моль^-1;

R — универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль·К;

T — температура, К

π = 3,141592654

 

 

Рисунок 67 — Траектория броуновского движения коллоидной частицы

 

Седиментация — это оседание частиц дисперсной фазы под действием силы тяжести. Седиментации противостоит броуновское движение, что приводит к установлению седиментационного равновесия. Седиментационное равновесие характеризуется постепенным увеличением концентрации дисперсной фазы от верхних слоев к нижним (рисунок 68).

 

 

 

Рисунок 68 — Распределение частиц дисперсной фазы в золе

 

Определение скорости оседания положено в основу седиментационного анализа. Он широко используется для качественной оценки состояния эритроцитов. Определение скорости оседания эритроцитов СОЭ — важный диагностический тест.

Электрокинетическими явлениями называются процессы, протекающие в золях под воздействием внешнего электрического поля. К важнейшим электрокинетическим явлениям относятся электрофорез и электроосмос.

Электрофорез (электро... и греч. phoresis - несение) — это направленное движение коллоидных частиц под действием внешнего электрического поля относительно неподвижной дисперсионной среды. Электрофорез был открыт Ф. Рейсом в 1807. Скорость движения частиц к электродам (u) связана с напряжённостью электрического поля (Е) уравнением Смолуховского:

где u — скорость движения частиц дисперсной фазы,м/с;

h — вязкость среды, Н·с/м²;

ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды;

Е — напряжённостью электрического поля, (градиент потенциала);

ξ — электрокинетический потенциал, В;

π = 3,141592654.

Электрофорез широко применяется в медицине и биологии, т.к. коллоидные частицы белков, бактерии и вирусы несут заряд и способны двигаться в электрическом поле к катоду или аноду с определенной скоростью. Метод применяется в медицине для диагностики и контроля за ходом болезни. Так, в электрофореграммах белков сыворотки крови при различных патологических состояниях наблюдается резкие изменения, специфичные для каждого заболевания.

Электрофорез клеточных частиц представляет особый интерес для гематологии и иммунологии. Все клетки позвоночных животных имеют отрицательный заряд. Каждый тип клеток характеризуется вполне определенным значением электрокинетического потенциала. В 50-х годах 20 века было обнаружено различие ξ– потенциала опухолевых клеток в зависимости от штамма и возраста клетки. Электрофорез клеток нашел применение для оценки клеточного иммунитета у онкологических больных.

Введение лекарственных веществ методом электрофореза имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными способами их использования:

· лекарственное вещество поступает в виде ионов, что повышает его фармакологическую активность;

· образование «кожного депо» увеличивает продолжительность действия лекарственного средства;

· высокая концентрация лекарственного вещества создается непосредственно в патологическом очаге;

· не раздражается слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта;

· обеспечивается возможность одновременного введения нескольких (с разных полюсов) лекарственных веществ.

Лекарственный электрофорез находит широкое применение при лечении заболеваний сердечнососудистой системы, в онкологической практике, при лечении туберкулеза.

Электроосмос — это движение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы через полупроницаемую мембрану во внешнем электрическом поле. В медицине электроосмос применяется для очистки лечебных сывороток.

Особые оптические свойства дисперсных систем обусловлены тем, что размеры коллоидных частиц сопоставимы с длиной волны видимого света. Это приводит к рассеянию света, проходящего через золь (рисунок 69).

 

Рисунок 69. — Рассеяние света, проходящего через золь.

 

Если луч света направить на коллоидный раствор сбоку, то его путь будет обнаруживаться на темном фоне в виде светящегося конуса, называемого конусом Тиндаля (рисунок 70).

 

Рисунок 70 — Конус Тиндаля

 

Основанные на эффекте Тиндаля методы определения размера и концентрации коллоидных частиц (ультрамикроскопия и нефелометрия) широко применяются в научных исследованиях и промышленной практике. Короткие волны (синяя и фиолетовая часть спектра) рассеиваются сильнее, чем длинные (желто-красная часть спектра). Этим объясняется голубой цвет неба.