Електрокінетичні явища - студопедія
Розрізняють 4 види електрокінетичних явищ: електрофорез, електроосмос, потенціал протікання (перебігу), потенціал седиментації (осідання).
Під дією зовнішнього електричного поля спостерігаються два явища:
1. переміщення частинок дисперсної фази відносно нерухомої дисперсійного середовища - електрофорез.
2. переміщення дисперсійного середовища відносно нерухомої дисперсної фази - електроосмос.
Явища, зворотні електрофорез і електроосмосу.
1. Виникнення різниці потенціалів при переміщенні дисперсної фази відносно нерухомої дисперсійного середовища - потенціал седиментації (осідання).
2. Виникнення різниці потенціалів при переміщенні дисперсійного середовища відносно нерухомої дисперсної фази - потенціал протікання.
Причиною електрокінетичних явищ є утворення подвійного електричного шару і, як наслідок, наявність електричного заряду, як у частинок дисперсної фази, так і у частинок дисперсійного середовища.
Значення електрофорезу, електроосмосу
Електрофорез використовують в клінічних дослідженнях для діагностики багатьох захворювань, для поділу амінокислот, нуклеїнових кислот, антибіотиків, ферментів, формених елементів крові, для визначення чистоти білкових препаратів, для введення лікарських препаратів.
Крім того в медицині електрофорез застосовують для введення лікарських препаратів. На шкіру пацієнта накладають тампон, змочений розчином лікарського препарату, а зверху електроди, до яких прикладено низький, безпечний для організму потенціал. Частинки лікарського препарату під дією електричного поля переходять в тканини організму.
Електроосмос використовують для зневоднення різних пористих матеріалів. Вологу масу поміщають між електродами, а вода під дією електричного поля в залежності від структури ДЕС переміщається до одного з електродів і збирається в спеціальні ємності.
Швидкість електрофорезу (електрофоретична активність) розраховують за рівнянням Гельмгольца-Смолуховського:
U - швидкість електрофорезу (електрофоретична рухливість)
# 949; - діелектрична проникність середовища
# 958; - електрокінетіческій потенціал
H - напруженість електричного поля
# 951; - в'язкість середовища
Напруженість електричного поля виражається відношенням різниці потенціалів до відстані між електродами:
Стійкість дисперсних систем
Під стійкістю дисперсної системи розуміють її здатність зберігати в часі
- середній розмір частинок
- їх рівномірний розподіл в середовищі
Для дисперсних систем розрізняють два види стійкості - кінетичну (седиментаційну) і агрегатную.
Кінетична (седиментаційна) стійкість характеризує здатність частинок дисперсної фази перебувати в підвішеному стані і не осідати під дією сил тяжіння.
Агрегатна стійкість характеризує здатність частинок дисперсної фази протидіяти їх злипання між собою і тим самим зберігати незмінними свої розміри.
Колоїдні розчини по стійкості займають проміжне положення між грубодисперсними системами і істинними розчинами. Колоїдні розчини звичайно являють собою седиментаційно стійкі системи. що обумовлено
1. малими розмірами частинок
2. їх інтенсивним броунівським рухом
До факторів агрегативной стійкості відноситься наступне:
1. наявність електричного заряду частинок перешкоджає їх злипанню
2. здатність до сольватації противоионов дифузного шару; утворюються на поверхні частинок захисні шари з сольватованих противоионов також перешкоджають їх злипання
3. адсорбція на поверхні речовин ПАР (поверхнево-активних речовин); навколо "гідрофільних головок" ПАР орієнтуються диполі води, в результаті формується адсорбционно-сольватний шар, що перешкоджає злипанню. Дане явище називається - "колоїдний захист"
4. в'язкість середовища: чим більше в'язкість, тим менше швидкість частинок, менше можливості для зіткнення і седиментації.
Порушення стійкості дисперсних систем призводить до виникнення коагуляції, а в подальшому до седиментації частинок дисперсної фази.
Коагуляцією називається процес злипання колоїдних частинок з утворенням більш великих агрегатів через втрату колоїдним розчином агрегативной стійкості.
Коагуляцію можуть викликати різні зовнішні впливи:
1. додавання невеликих кількостей електроліту
2. концентрування колоїдного розчину
3. зміна температури
4. дію ультразвуку
5. дію електромагнітного поля
6. струшування, перемішування і т.д.
У біологічних системах найбільше практичне значення має коагуляція електролітами, тому що колоїдні розчини клітин і біологічних рідин знаходяться в зіткненні з електролітами.
Для кожного електроліту необхідна своя мінімальна концентрація, яка називається порогом коагуляції або порогової концентрацією (СПК).
Величина, зворотна порогу коагуляції, називається коагулирующей здатністю:
Існують наступні правила коагуляції електролітами:
1. Коагуляцію викликають іони, які мають знак заряду, протилежний знаку заряду гранул. Коагуляцію позитивно заряджених золів викликають аніони, негативно заряджених - катіони.
2. Коагулююча дію іонів тим сильніше, чим вище заряд іона - коагулянту (правило Шульце-Гарді)
ліотропний ряд катіонів
ліотропний ряд аніонів
3. Для іонів одного заряду коагулирующая здатність залежить від радіуса сольватованих іона: чим більше радіус, тим менше коагулирующая здатність.
Отже, для катіонів лужних металів можна записати наступний ліотропний ряд:
У механізмах коагуляції роль електролітів полягає в тому, що:
1. може відбуватися зменшення заряду поверхні твердої фази (заряду поверхні ядер), тобто за рахунок зниження міжфазного (електротермодінаміческого) потенціалу E.
2. може відбуватися зменшення товщини дифузного шару при незмінному заряді поверхні ядер.
У зв'язку з цим розрізняють такі теорії коагуляції:
1. адсорбційна (хімічна) теорія Фрейндліха
2. фізична теорія коагуляції ДЛФО (Б. В. Дерягина, Л. Д. Ландау, Е. фервея, Дж. Т. Овербека)
1. Відповідно до теорії Фрейндліха коагуляція відбувається під дією електроліту, який хімічно взаємодіє з потенціалопределяющего іонами, пов'язуючи їх в міцне з'єднання (наприклад, переводячи в осад).
Так, при додаванні до позитивно зарядженого золю йодиду срібла AgI сульфіду калію K2 S між коагулирующими аніонами S 2 і потенціалопределяющего катіонами Ag + відбувається реакція: 2Ag + + S 2 → Ag2 S ↓. В результаті величина міжфазної потенціалу падає, число протиіонів, необхідних для компенсації заряду ядер також зменшується, а, отже, зменшуються і гідратів оболонки навколо іонів, що і призводить до злипання частинок, тобто до коагуляції. Крім того, зниження величини міжфазного потенціалу тягне і зменшення # 958; -потенціалу, тобто зменшення заряду частинок, що призводить до падіння стійкості, тобто до коагуляції.
2. Відповідно до теорії ДЛФО коагуляція настає під дією електроліту, який хімічно не взаємодіє з ПВІ і не змінює заряд ядра.
В цьому випадку коагулююча дія проявляють ті іони доданого електроліту, які є противоионами для даних мицелл.
Підвищення концентрації електроліту призводить до зменшення дифузного шару. Міжфазний потенціал при цьому залишається незмінним, проте відбувається зменшення # 958; -потенціалу.
Наприклад: при додаванні нітратів до позитивно зарядженого золю йодиду срібла AgI, міцели якого містять протівоіони NO3 -
У міру збільшення концентрації додаються іонів NO3 - вони сприяють впровадженню противоионов з дифузного шару в шар адсорбційний. Дифузний шар стискається і може наступити такий стан, при якому дифузний шар зовсім зникне і гранула стане електронейтральної, тобто вона буде перебувати в ізоелектричному стані.
Ізоелектрична станом називається стан колоїдних частинок, при якому електрокінетіческій потенціал (# 958;) дорівнює 0 і, яке характеризується відсутністю спрямованого руху гранул в електричному полі.
В агрегативно-стійкому стані колоїдного розчину значення # 958; -потенціалу коливається в межах 50-70 мВ. при зменшенні # 958; -потенціалу під дією електроліту до 25-30 мВ в системі не спостерігається ніяких зовнішніх змін (помутніння або зміни забарвлення), так як швидкість коагуляції дуже низька, внаслідок чого ця стадія (I) називається "прихованої" коагуляцией (рис).
Мал. Вплив концентрації електроліту на швидкість коагуляції
Подальше додавання електроліту (> СNN) супроводжується помутнінням розчину і починається "явна" коагуляція. Спочатку швидкість коагуляції швидко збільшується (стадія II), а потім стає постійною, коли значення # 958; -потенціалу стане рівним 0 і настане стадія швидкої коагуляції (III).
Коагуляція сумішами електролітів
Існують 3 можливі варіанти взаємодії між електролітами: адитивна дія, антагонізм і синергізм.
Адитивність - це підсумовування коагулюючої дії іонів, що викликають коагуляцію.
Адитивна дія спостерігається в тих випадках, коли електроліти, що містять коагулюють іони, хімічно не взаємодіють між собою.
Наприклад, суміш солей KCl, NaNO3 проявляє адитивну дію по відношенню і до негативно зарядженим золів (коагуляцію викликають K +. Na +), і до позитивно заряджених золів (коагуляцію викликають Cl -. NO3 -).
Антагонізм - це ослаблення коагулюючої дії одного електроліту в присутності іншого.
Антагонізм проявляється в тому випадку, коли в результаті хімічної реакції між електролітами коагулюють іони зв'язуються в нерозчинні сполуки (випадають в осад) або в міцний комплекс, який не володіє коагулирующей здатністю.
Наприклад, коагулююча дія катіонів Pb 2+ по відношенню до негативних золів послаблюється в присутності NaCl, тому що протікає реакція
Pb 2+ + 2Cl - = PbCl2 ↓
Синергізм - це посилення коагулюючої дії одного електроліту в присутності іншого.
Синергізм можливий, якщо між електролітами відбувається хімічна взаємодія, в результаті якого утворюється багатозарядний іон.
Наприклад, коагулююча дія FeCl3 і KCNS по відношенню до позитивних золів (коагулюють іони Cl -. CNS -) посилюється, тому що відбувається реакція
і утворюються іони [Fe (CNS) 6] 3. що володіють високою коагулирующей здатністю.
Використовуючи електроліти в медицині, необхідно враховувати можливість коагуляції в біологічних середовищах, так наприклад при введенні різних лікарських речовин в організм у вигляді ін'єкцій слід знати, чи не є ці речовини синергистами, щоб уникнути можливої коагуляції.
Гетерокоагуляціей називається коагуляція колоїдних розчинів, що містять різнорідні частинки, що відрізняються за хімічною природою, знаку або величиною заряду.
Окремим випадком гетерокоагуляціі є взаємна коагуляція - злипання разноименно заряджених колоїдних частинок. При цьому коагуляція відбувається тим повніше, чим повніше нейтралізуються заряди колоїдних частинок (заряди гранул).
Пептизацією називають процес, зворотний коагуляції - процес перетворення осаду, що утворився в результаті коагуляції, в стійкий колоїдний розчин.
Пептизацію на практиці здійснюють двома способами:
1. Промивання осаду чистим розчинником (дисперсійним середовищем), що призводить до вимивання іонів, що викликають коагуляцію.
2. Додавання спеціального електроліту - пептизаторів, іони якого, адсорбируясь на поверхні частинок, відновлюють іонні атмосфери навколо частинок.
Умови, необхідні для проведення пептізаціі:
1. До пептізаціі здатні тільки свежеполученной опади, тому що тривале зберігання призводить до зрощування частинок осаду, до його поступового ущільнення і витіснення з його структури рідкої фази.
2. Додавання невеликих кількостей електроліту (інакше наступає коагуляція)
3. Перемішування розчину
Колоїдної захистом називається підвищення агрегативной стійкості ліофобних золів при додаванні до них ВМС.
Механізм захисної дії полягає в тому, що у водних колоїдних розчинах дифільні молекули ВМС, адсорбируясь на поверхні колоїдних частинок, орієнтуються таким чином, що їх гідрофобні ділянки звернені до частинкам дисперсної фази, а гідрофільні - до води. В результаті поверхня частинок стає ліофільної і покривається додатковою сольватной оболонкою.
По відношенню до водних колоїдних розчинів захисним дію мають добре розчинні у воді білки. Так, білки крові перешкоджають випаданню в осад і виділенню на стінках кровоносних судин холестерину і солей кальцію.
Колоїдний захист використовується при отриманні стійких ліофобних золів, що застосовуються в якості лікарських препаратів. Наприклад, колларгол і протаргол містять високодисперсне металеве срібло, захищене високомолекулярними сполуками.