Лекция 12 Лекция 12 Физик-химия дисперсных систем. Методы получения, свойства дисперсных систем. Стойкость и коагуляция лиофобных золей. Свойства растворов ВМC Подготовили: К.х.н., доц. Иванец Л.Н., Асс. Козачок С.С.

Дисперсная система это система, в которой мелкие частицы одной или нескольких веществ равномерно распределены между частицами другого вещества. Дисперсной фазой называют мелкие частицы вещества которое распределено в системе. Дисперсионной средой называют вещество в котором распределена дисперсная фаза.

Гомогенная (однородная) дисперсная система это система в которой между дисперсной фазой и дисперсионной средой нет поверхности раздела. К таким системам принадлежат истинные растворы. Размеры молекул, ионов меньшие чем 1·10 -9 м. Такие системы термодинамически устойчивые и понятие дисперсности к ним не относится.

Гетерогенная (неоднородная) дисперсная система это система в которой частицы дисперсной фазы имеют размер больше чем 1·10 -9 м и составляют отдельную фазу от дисперсионной среды.

Степень дисперсности (D) это величина, обратная размеру частицы(d) D = 1/d Чем меньший размер частицы тем большая дисперсность системы

Классификация дисперсных систем. Классификация по степени дисперсности Грубодисперсные (d= м) к ним принадлежат грубые суспензии, эмульсии, порошки. средней дисперсности (d= м) к ним принадлежат тонкие суспензии, дым, пористые тела. высокодисперсные (d= м) это коллоидные системы.

Классификация по агрегатному состоянию.

Классификация по межфазовому взаимодействию лиофобные это системы, в которых слабые силы слабые силыМежмолекулярного взаимодействия. взаимодействия. К ним принадлежат К ним принадлежат лиозоли, аэрозоли, эмульсии, пены. Лиофобные золи это коллоидные это коллоидные растворы. растворы.лиофильные это системы, в которых Интенсивное взаимодействие взаимодействие между фазой и средой. К ним принадлежат растворы растворывысокомолекулярныхсоединений.

Коллоидные растворы (золи) Коллоидными растворами называют микрогетерогенные дисперсные системы с частицами размером от до м. Их характеризует не только наличие поверхности раздела между дисперсной фазой (каждой частицей) и дисперсионной средой (растворителем), но и малая устойчивость; коллоидные растворы не образуются самопроизвольно.

Условия образования коллоидных растворов малая растворимость веществ дисперсной фазы в дисперсионной среде -соответственная степень дисперсности вещества (d = м) -наличие стабилизатора, который придает частицам дисперсной фазы одноименного заряда, что предупреждает их объединение (агрегацию).

Методы получения коллоидных растворов (золей) Конденсационные методы. Это методы получения золей путем укрупнением микрочастиц Конденсационные методы разделяют на физические и химические. Диспергационные методы. Это методы дробления больших частиц до коллоидной степени дисперсности.

Строение коллоидной частицы AgNO 3 + КI = AgI + KNO 3 (mAgI) агрегат [(mAgI) nAg + ] n+ ядро {[(mAgI)nAg + ] n+ (n-x)NO 3- } x+ гранула {[(mAgI) nAg + ] n+ (n-x)NO 3- } x+ х NO 3- - мицелла

Строение коллоидной частицы

Молекулярно-кинетические свойства коллоидно- дисперсных систем. Молекулярно-кинетические свойства это свойства, которые обусловлены тепловым движением частиц. Это броуновское движение, диффузия, осмотическое давление, седиментационно-диффузионное равновесие.

Броуновское движение. Тепловое хаотическое движение дисперсных частичек называется броуновским движением. Это движение возникает вследствие ударов молекул дисперсионной среды и частиц дисперсной фазы.

Диффузия это процесс самопроизвольного выравнивания концентрации диспергированного вещества под влиянием теплового хаотического движения частичек системы. Скорость диффузии всегда увеличивается с повышением температуры.

Осмотическое давление это явление, которое связано с тепловым движением микрочастиц. Дисперсные системы имеют осмотическое давление, но оно очень мало.

Седиментационно-диффузное равновесие. Седиментация- это процесс оседания частиц дисперсной фазы под действием силы земного притяжения. Процессы диффузии и седиментации имеют противоположные направления в результате чего в дисперсной системе устанавливается седиментационно- диффузное равновесие.

Светорассеяние. Для коллоидных систем в которых размеры частичек меньше длинны волн видимого спектра, характерно светорассеяние. При боковом освещении коллоидного раствора можно наблюдать конус Тиндаля – это образование светящегося конуса. Опалесценция – это матовое свечение золей.

Электрокинетические явления. Это явления, которые базируются на взаимодействии между электрическими и кинетическими свойствами дисперсных систем. Электрокинетические явления это электрофорез и электроосмос.

Электрофорез Движение заряженных коллоидных частиц, а также частиц грубых взвесей к противоположно заряженному электроду называется электрофорезом.

Электроосмос Перемещение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы к электроду, происходящее под влиянием внешней разности потенциалов, называют электроосмосом.

Коагуляция коллоидных растворов Коагуляцией называют уменьшение дисперсности системы в результате слипания частичек дисперсной фазы. Коагуляция может происходить вследствие старения системы, изменения температуры, механического действия, действием электромагнитного поля и в наибольшей мере под действием электролитов. Правила коагуляции Коагуляцию вызывают любые электролиты, но с заметной скоростью она начинается при достижении определенной концентрации, т.е. при достижении порогу коагуляции. Порог коагуляции выражают в ммоль/л: = Сэл Vэл/Vзоля; Коагулирующее действие имеет лишь тот ион электролита, заряд которого противоположный заряду коллоидной частички. коагулирующия способность иону тем большая, чем больший его заряд (правило Шульц-Гарде); У неорганических ионов с одинаковим зарядом коагулирующее действие возрастает с уменьшением гидратации; У органических ионов коагулирующия способность возрастает с повышением адсорбционной способности Начала коагуляции отвечает снижение - потенциала к критической величине (30 мВ); В осадке, образованному при коагуляции, всегда присутствуют ионы, которые ее вызвали.

Коагуля́ция процесс обращения крови. При разрушении стенки сосудов, тромбоциты собираются у места травмы и выбирают тромбопластин, который рядом с кальцием, витамином К и протромбином, оказывает содействие превращению фибриногена в фибрине. Образовываются сетки фибрина, где задерживаются форменные элементы крови. Это и является сгустком крови тромбом. Процесс коагуляции продлевается 3-8 мин. Свертывание крови (гемокоагуляция) сложный биологический процесс образования нитей белка фибрина, которые образовывают тромбы, в результате чего кровь теряет текучесть, приобретая сыроподобной консистенции. В нормальном состоянии кров легкотекучая жидкость, которая имеет вязкость близкую к вязкости воды. В крови растворимые фибриноген, протромбин и ионы кальция.

Понятие о ВМС, их получение и классификация К высокомолекулярным веществам (ВМВ) относят соединения с молекулярной массой и выше. Высокомолекулярные вещества имеют важное значение в разных областях науки и техники. Особенно большая их роль в процессах жизнедеятельности. К высокомолекулярным соединениям принадлежат белки (казеин, желатин, крахмал и др.), которые составляют основу питания, нуклеиновые кислоты и другие биополимеры. В технике и быту находят широкое применение такие ВМР, как целлюлоза и ее производные, шерсть, натуральный шелк, хлопок, разнообразные синтетические смолы, пластмассы, натуральные и синтетические каучуки, пленкообразующих материалы, синтетические волокна (капрон, нитрон, полиэстер ) и др. определенное использование нашли ВМС в медицине и фармации. Из полимеров изготовляют инструментарий, предметы ухода за больными, протезы для замены утраченных органов. В фармации полимеры используют для изготовления оболочек капсул, в которые помещают врачебные вещества, как покрытие и составные части таблеток, как вспомогательные вещества для создания мазей и пластырей. Из модифицированной целлюлозы, например, изготовляют бинты и вату с кровоостанавливающим свойствами. И это далеко не полный перечень применения ВМС в фармации.

Физические свойства полимеров Полимеры большей частью аморфные вещества. Длинные цепочки и большая молекулярная масса не разрешают полимерам переходить к жидкому состоянию (быстрее наступает химический распад). Тем не менее при повышении температури с полимерами происходят изменения - они размякают и становятся очень пластическими. Температура перехода от крохкого состояния к пластическому называется темературой склувания. Температура склувания не является четко определенной температурой фазового перехода, а лучше указывает на температурный диапазон, в котором происходят изменения. При низких температурах полимеры є довольно крохкими материалами. Большей частью используются механические свойства полимеров. При темературе высшей за температуру склувания их нетрудно прессовать в произвольную форму, при застигании они сохраняют форму и могут служить для инкапсуляции и других целей. Тем не менее сопряженных полимеры все более чаще используются как органические полупроводники.

Методы получения ВМР Естественные BMP содержатся в разных растительных и животных организмах и могут быть выделенные из них с помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов. Синтетические BMP получают из низкомолекулярных веществ методами полимеризации и поликонденсации. Полимеризация это реакция соединения большого числа молекул низкомолекулярных веществ (мономеров), которые имеют кратные связи. Реакция не сопровождается выделением побочных продуктов. Этим методом получают полиетилен, поливинилхлорид, полиизобутилен и другие BMP. Поликонденсацией называется процесс соединения молекул одинакового или разного строения, который сопровождается, как правило, выделением низкомолекулярных веществ. Исходные мономеры должны содержать в молекуле не меньше двух функциональных групп ( -ОН, -СООН, -NНз и др.). При поликонденсации бифункциональных соединений получают линейные или циклические BMP, а при поликонденсации три- и тетрафункциональных соединений - BMP пространственного строения. Например, поликонденсацией двоатомних спиртов получают линейные простые полиэфиры: n ( HO-R-OH) + n( HO-R'-OH) (- R-O-R'-)n+ пН 2 О. BMP можно получить также методом химических преобразований. Метод Основывается на химических реакциях, когда в готовые высоко-молекулярные вещества вводят новые функциональные группы, или старые группы замещают новыми, или происходит сшивание макромолекул или их деструкция. В зависимости от характера реакций они разделяются на два вида: полимераналогичнии преобразование и макромолекулярные реакции. К первому виду принадлежит, например, реакция взаимодействия целлюлозы с азотной кислотой, в результате которой образовывается тринитрат целлюлозы. Примером макромолекулярной реакции есть сшивания макромолекул полиакриловой кислоты этиленгликолем, при этом образовывается пространственный полимер с новыми физическими свойствами.

Набухание и растворение ВМР. Механизм растворения полимеров отличается от механизма растворения низкомолекулярных веществ. При растворении последних частички их диффундируют в объем растворителя. В случае растворения полимеров полимер выполняет роль растворителя, а низкомолекулярная жидкость растворенного вещества. Т.е. происходит диффузия молекул растворителя в объем полимера. В начальный период молекулы растворителя проникают у «пустоты» между макроцепями полимера. При этом происходит уменьшение общего объема системы. Это явление называется контракцией (V). Контракция сопровождается выделением теплоты сольватации и в большинстве случаев подчиняется эмпирическому уравнению: V = am (b + m) где m – масса жидкости, поглощенной 1 г полимера, а, b постоянные величины.

Дальше межмолекулярные связи в полимере ослабляются и молекулы растворителя все больше проникают вглубь полимера. Объем его увеличивается, а общий объем системы остается постоянным. Односторонний процесс проникновения молекул растворителя в фазу полимера называется набуханием. В зависимости от строения макроцепи и характера взаимодействия макромолекул между собой и молекулами растворителя различают ограниченное и неограниченное набухания. Неограниченное набухание - это набухание, которое самопроизвольно переходит у растворение, при этом образовывается однофазная гомогенная система. Ограниченным набуханием называется процесс взаимодействия полимера с низкомолекулярной, жидкостью, ограниченный стадией набухания. Самопроизвольное растворение полимера не происходит, т.е. цепи полимера полностью не отделяются один от другого. При этом образовываются две сосуществующих фазы. Одна фаза является раствором низкомолекулярной жидкости в полимере, а вторая - чистой низкомолекулярной жидкостью. Эти фазы разделенные видимой поверхностью деления и находятся в равновесии.

Процесс набухания количественно характеризуется степенью и скоростью набухания. Степень набухания (а) выражается количеством жидкости, поглощенной единицей массы или объема полимера. Степень набухания может быть определена весовым или объемным методом. Весовой метод состоит во взвешивании образцу к и после набухания. Степень набухания рассчитывается за формулой: α= m-m 0 /m 0 где m 0 масса исходного полимера; m – масса набухлого полимера. Скорость набухания полимера определяется скоростью диффузии растворителя у него, поэтому она характеризуется теми же закономерностями, которые и химическая реакция 1-го порядка. Итак, константу скорости набухания полимера можно рассчитать за уравнением: k = 1/ t*ln α max / α max -a1 где α max предельная или максимальная степень набухания, α степень набухания к времени t