Введение физическая химия
Скачать 2.17 Mb.
|
Старение коллоидных систем. С течением времени коллоидные системы стареют. Старение золей во времени выражается в постепенном структурировании системы, желатинирования и переходе в состояние геля. Старение гелей выражается в появлении капелек жидкости на поверхности, они постепенно сливаются в жидкую фазу - золь с малой концентрацией коллоидных частиц и уплотненный гель. Такое явление расслоения геля на две фазы называют синерезисом. Сама коллоидная система при синерезисе переходит в более устойчивое термодинамическое состояние. Гель после синерезиса, большинства коллоидных систем уплотняется, уменьшается в объеме, но сохраняет форму. Синерезис наблюдается при свертывании крови, скисании молока и образовании простокваши, при черствлении хлеба и мармелада. При механическом встряхивании гелей возможно разрушение их внутренней структуры, это явление называется тиксотропией. Через некоторое время исходная структура может быть восстановлена. Тиксотропия - важное технологическое свойство промывочных жидкостей, применяемых при бурении. Многие гели способны проявлять свойства тиксотропии (восстановление каркасного строения при разрушении его в результате перемешивания или встряхивания). Этот процесс протекает самопроизвольно и типичен для гелей желатина или агар-агара. Тиксотропия используется в быту и технике. Клеточные мембраны - это гелеобразные структуры, эндоплазма и кариоплазма - золи. Агрегатное состояние клетки и ее частей при выполнении ею функции постоянно изменяется, идет обратимый переход гель ↔ золь. Такой переход позволяет мембранам клеток осуществлять обмен с внешней средой, мышечным клеткам сокращаться, а нейронам передавать возбуждение. Подобный переход хорошо виден у амебы при образовании псевдоподий. В процессе жизни клетка, ткани, органы и организм в целом стареет, возникает необратимость перехода золь ↔гель, появляется жесткость структур и потеря эластичности. Клетка уплотняется, стягивается внутренняя структура и выжимается иммобилизационная вода. При гибели клеток наблюдается синерезис. Кинетические свойства коллоидных систем. ДИФФУЗИЯ. В связи с большими размерами частиц и большой моле кулярной массой коллоидные частицы золей совершают диффузионное движение в результате электростатического отталкивания одинаково заряженных частиц и некоторое колебательное движение под действием броуновского движения молекул растворителя. Низкая способность к диффузии используется для очистки коллоидных систем от посторонних примесей методом диализа, в котором используется полупроницаемая мембрана, поры которой проницаемы для молекул растворителя и молекул ионов примесей, но непроницаемы для коллоидных частиц. ДИАЛИЗ был исторически первым методом очистки. Его предложил Г. Грэм в 1801 году. Прибор для диализа называется диализатором. Устройство простого диализатора можно представить следующим образом: золь (коллоидный раствор) с примесью заливается в сосуд, дно которого является полупроницаемой мембраной, сосуд находится во внешнем сосуде с растворителем. Очистка идет до выравнивания концентрации примесей в золе и во внешнем растворителе. Для полного освобождения от примесей необходимо постоянное обновление растворителя. Если в золе необходимо сохранить определенные компоненты примеси, во внешней среде должны находиться эти вещества. Так плазма крови необходимо очистить от мочевины и хлористого натрия, но сохранить ионы магния, калия, глюкозу, поэтому во внешнем растворителе должны находиться эти ионы в той же концентрации, что и в плазме. Движущая сила диализа - разность химических потенциалов в диализируемой системе и в диализате. Для очистки коллоидных систем от примесей применяют методы ультрафильтрации и электродиализа. УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ - очистка путем продавливания, вытеснения дисперсионной среды с примесью через ультрафильтр с помощью избыточного атмосферного давления.  Рис. 12. Схема диализатора. ЭЛЕКТРОДИАЛИЗ - очистка от электролитов, ионы которых проходят через поры мембраны под действием электрического напряжения. ОСМОС. ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ. Осмотическое давление коллоидных растворов вследствие больших размеров частиц меньше, чем ионно-молекулярных растворов при одинаковой концентрации. С увеличением размера коллоидных частиц осмотическое давление уменьшается, а с уменьшением - увеличивается, осмотическое давление для коллоидов сыворотки крови равно 25 мм. рт. ст. СЕДИМЕНТАЦИЯ - процесс оседания коллоидных частиц в растворе. Способность дисперсной системы сохранять равномерное распределение частиц по всему объему называется седиментационной или кинетической устойчивостью. В отличие от истинных растворов с высокой кинетической устойчивостью, коллоидные системы занимают промежуточное положение между истинными растворами с высокой кинетической устойчивостью и грубыми дисперсными системами кинетически неустойчивыми. В коллоидных растворах - золях, сила тяжести уравновешивается диффузией, частицы в этом случае не оседают под действием силы тяжести и могут находиться во взвешенном состоянии неограниченно долго. В такой системе устанавливается определенное распределение частиц по высоте в объеме раствора – седиментационное равновесие. Оседание частиц можно вызвать нарушением этого равновесия - ультрацентрифугированием. Этот метод позволяет произвести полное разделение сложных коллоидных систем на фракции в соответствии со скоростью оседания частиц по размерам и массе. Метод ультрацентрифугирования широко применяется для определения веса коллоидных частиц и препаративного разделения многокомпонентных коллоидных систем. Мембранное равновесие Доннана (эффект Доннана). Наличие примесей в коллоидных растворах, их взаимодействие с коллоидными частицами создают особые условия для функционирования живой клетки - мембранное равновесие Доннана или эффект Доннана. Мембранное равновесие изучено Ф. Доннаном (1870-1956гг). Ученый доказал, что момент равновесия произведения концентраций противоположно заряженных ионов электролита, что находятся по обе стороны мембраны, равны. Различие в концентрации ионов истинного электролита по обе стороны мембраны является причиной возникновения мембранного потенциала и условием обмена клетки с внешней средой. Наличие по одну сторону полупроницаемой мембраны коллоида с ионами создает неравномерное распределение ионов истинного электролита по обе стороны мембраны. Чем больше концентрация коллоидного раствора, тем сильнее он влияет на неравномерность распределения ионов электролита. При высоких концентрациях истинного электролита влияние коллоида незначительно. Мембранное равновесие нарушается при возникновении патологии в клетках тканей, в частности в очаге воспаления. При соприкосновении клетки с раствором электролита некоторое количество электролита переходит в клетку, поэтому осмотическое давление, определяемое концентрацией ионов электролита и концентрацией белка, всегда будет выше, чем в окружающем растворе. Это способствует поддержанию тургора клетки даже в изотоническом растворе. В гипертоническом растворе происходит не только потеря клеткой воды, но и переход некоторых количеств соли внутрь ее. Поверхностные явления. К поверхностным явлениям относят явления, происходящие на поверхности раздела фаз гетерогенных дисперсных систем. Причиной поверхностных явлений служит особое состояние молекул в слоях жидкостей и твердых тел, прилегающих к поверхности раздела. Эти слои резко отличаются по своим физико-химическим свойствам от свойств фаз в глубине объема. Особенности поверхностного слоя обусловлены избытком поверхностной энергии. Чем больше удельная поверхность систем, тем сильнее влияние поверхностных явлений на поведение системы в целом. Изучение поверхностных явлений важно в технологии моющих и косметических средств, в фармации (большинство лекарственных форм с большой удельной поверхностью: порошки, эмульсии, суспензии, мази и т.д.). В производстве лекарств используют такие поверхностные явления как сорбция, смачивание, адгезия. В медицинской лабораторной практике и научной работе широко применяется метод хроматографии. Поверхностный слой молекул твердого тела или жидкости имеет избыток поверхностной энергии (энергия Гиббса) в сравнении с молекулами объемной фазы, она создается неполной компенсированностью межмолекулярных сил притяжения у молекул поверхностного слоя:  Рис. 13. Силы, действующие на молекулу в объеме растворителя и на его поверхности. Равнодействующая сил у молекул Б направлена вниз. Сила притяжения между молекулами жидкости в ее объеме, равные внутреннему давлению, втягивают молекулы жидкости с поверхности в глубь объема, что объясняет шарообразную форму мелких капель жидкости в свободном состоянии, в аэрозолях, туманах, эмульсиях. Для увеличения поверхности жидкости нужно преодолеть силы внутреннего давления и совершить при этом механическую работу. КОЭФФИЦИЕНТ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ является важной характеристикой любой жидкости. В гомогенных системах этой величиной по причине ее малости можно пренебречь, в гетерогенных системах она значительна. Согласно второму закону термодинамики энергия Гиббса самопроизвольно стремится к минимуму. У индивидуальных жидкостей уменьшение поверхностной энергии осуществляется за счет сокращения поверхности при слиянии мелких капель в более крупные, в растворах это происходит за счет изменения концентрации компонентов в поверхностном слое. Поверхностная энергия, поверхностное натяжение зависят от температуры, природы граничащих сред, природы и концентрации растворенных веществ. Вещества, растворение которых вызывает изменение поверхностного натяжения, называют поверхностно-активными веществами (ПАВ). Поверхностное натяжение и межмолекулярные взаимодействия внутри фаз обусловливают процессы смачивания и растекания на твердой или жидкой поверхности, явления – когезии и адгезии. По числу фаз, участвующих в процессе, различают два типа смачивания. КОГЕЗИЯ - сцепление однородных молекул, атомов, ионов, включающее все виды межмолекулярного и межатомного притяжения внутри одной фазы. Когезия у твердых и жидких веществ высока, а у газов - мала. АДГЕЗИЯ - прилипание, молекулярное притяжение между поверхностями разнородных твердых или жидких фаз. Адгезия является причиной склеивания разных веществ за счет физических или химических межмолекулярных сил. К поверхностным явлениям относится, прежде всего, сорбция. Поглотитель называют сорбентом, а поглощаемое вещество сорбатом. Различают четыре вида сорбции: адсорбция, абсорбция, капиллярная конденсация и хемосорбция. Процесс обратный сорбции называют десорбцией. АДСОРБЦИЯ - это поглощение вещества из газовой или жидкой среды поверхностным слоем жидкости или твердого тела. Это процесс увеличения концентрации поглощаемого вещества на поверхности адсорбата, она характеризуется большой скоростью и обратимостью. Адсорбция это концентрация вещества в поверхностном слое в результате перехода его из объема фазы. Адсорбция важна в жизнедеятельности организма, с ней связан процесс поглощения газов, питательных веществ. Адсорбционное равновесие определяется притяжением молекул к поверхности под действием межмолекулярных сил и тепловым движением стремящимся восстановить равенство концентраций в поверхностном слое и в объеме фаз. Количественно адсорбция характеризуется числом молей или массы вещества, накапливающегося на границе раздела фаз. В расчете на единицу площади: моль/см2, см3/см2 и т.д. Явление адсорбции лежит в основе конструкции противогаза и метода ХРОМАТОГРАФИИ. АБСОРБЦИЯ - поглощение вещества из окружающей среды поглощающим телом (АБСОРБЕНТ). При сорбции паров высокопористыми телами наблюдается КАПИЛЯРНАЯ КОНДЕНСАНЦИЯ. Она начинается с адсорбции пара пористым сорбентом, а затем происходит сгущение пара в узких порах сорбента. Капиллярная конденсация присутствует в процессе сушки, в процессе удержания влаги почвой. Из всех видов сорбции наиболее важна адсорбция. Она может протекать на поверхности раздела между твердым телом и жидкостью, твердым телом и газом, жидкостью и газом, между двумя жидкостями с ограниченной растворимостью. Адсорбция зависит от физической и химической природы адсорбента и адсорбата, температуры, давления, и представляет собой сложный физико-химический процесс. Химическая адсорбция идет на поверхности адсорбента и продолжается до полного заполнения активных центров поверхности адсорбента. Эта адсорбция необратима. Физическая адсорбция обратима (адсорбция ↔ десорбция). Процесс адсорбции экзотермический, его выгоднее проводить при низких температурах. Адсорбция является динамическим процессом, в результате которого устанавливается динамическое равновесие: так при адсорбции СО2 активи рованным углем оно устанавливается через 20 сек., О2 - через 2,5 часа, N2 -через 20 часов. Скорость адсорбции является важной величиной и определяет использование различных сорбентов. Адсорбция чаще имеет избирательный характер, так активированный уголь поглощает аммиак, хлор, но не адсорбирует оксид углерода (II) (СО), поэтому нельзя пользоваться обычным противогазом при тушении пожаров. При адсорбции из раствора адсорбент адсорбирует вместе с молекулами растворенного вещества молекулы растворителя. При малых концентрациях преобладает адсорбция молекул растворенного вещества, при больших - адсорбция растворителя. Адсорбция электролитов на поверхности сорбента идет еще и за счет заряда частиц. Биологическое значение адсорбции велико. Она является первой стадией любого поглощения, всасывания или воздействия на поверхности живого организма веществами внешней среда. Усвоение растениями углекислого газа начинается с его адсорбции поверхностью листа. С процессом адсорбции тесно связан ферментативный катализ, субстрат на начальных стадиях катализа сорбируется на активном центре фермента. Явление адсорбции лежит в основе пристеночного пищеварения в тонком кишечнике человека и животных, в основе процессов ассимиляции и диссимиляции любого живого организма. Функционирование клеточных мембран, явление иммунитета тесно связаны с адсорбцией. Многие адсорбенты используются в качестве противоядий. Адсорбция является первой стадией поглощения, всасывания, воздействия на поверхности живого организма веществами внешней среды. Поглощение питательных веществ корнями растений начинается с адсорбции их поверхностью корневых волосков, усвоение растениями СO2 начинается с его адсорбции поверхностью зеленого листа, усвоение гидролизованных питательных веществ начинается с адсорбции их на поверхности слизистой ЖКТ (пристеночное пищеварение). Адсорбция выступает в качестве стаби лизирующего фактора коллоидных систем. Явление адсорбции присутствует в переносе СО2 и O2 эритроцитами крови человека и животных. Многие адсорбенты (активированный уголь, каолин) используются в качестве противоядий при желудочно-кишечных отравлениях. Эти вещества имеют огромную поверхность, большой запас свободной энергии и способны поглощать ядовитые вещества путем адсорбции. Адсорбционная терапия используется и при бактериальных отравлениях кишечной инфекцией. На этом явлении основано применение многих лекарственных средств, способных адсорбировать вредные для организма вещества внешнего или внутреннего происхождения. Число эритроцитов у человека достигает 5 млн. в 1 мм3, общая поверхность составляет 3200 м2. Явление адсорбции лежит в основе метода хроматографии. |
Похожие:
 | Аналитическая химия учебно-методический комплекс «Химия», профили подготовки: «Неорганическая химия и химия координационных соединений», «Физическая химия», «Химия окружающей среды,... | | Высокомолекулярные соединения учебно-методический комплекс «Химия», профили подготовки: «Неорганическая химия и химия координационных соединений», «Физическая химия», «Химия окружающей среды,... |
| Химические основы биологических процессов учебно-методический комплекс «Химия», профили подготовки: «Неорганическая химия и химия координационных соединений», «Физическая химия», «Химия окружающей среды,... |  | Программа вступительных экзаменов по специальным дисциплинам, соответствующих... ... |
| Программа вступительных экзаменов по специальным дисциплинам, соответствующих... «Неорганическая химия»; «Аналитическая химия»; «Органическая химия»; «Физическая химия» | | Рабочая программа по дисциплине б пищевая химия Ооп впо направления 260100. 62 Продукты питания из растительного сырья. Дисциплина преподается в 5 семестре и методически взаимосвязана... |
| Утверждено на заседании Ученого совета философского факультета протокол №10 от 2 июля 2011 г ... | | Рабочая учебная программа предмета физическая и коллоидная химия... Рабочая учебная программа предмета «Физическая и коллоидная химия» предназначена для реализации государственных требований к содержанию... |
| Учебно-методический комплекс рабочая программа для студентов очного... Рабочая программа для студентов очного обучения по направлению 020100. 62 «Химия», профили подготовки: «Неорганическая химия и химия... | | Рабочая программа по дисциплине с физическая и коллоидная химия Она имеет логические и содержательно-методические связи с дисциплинами базовой части математического и естественнонаучного цикла... |
| Рабочая программа дисциплины Введение в микробиологию Дисциплина «Введение в микробиологию» относится к вариативной части профессионального (специального) цикла (М2) ооп магистратуры... | | Рабочая программа учебной дисциплины «химия физическая и коллоидная» С впо по направлению подготовки 110500. 62 «Садоводство», утверждённого приказом Министерства образования и науки Российской Федерации... |
| Учебное пособие Кемерово 2004 удк 637. 5 Изучение дисциплины базируется на знаниях и умениях, полученных студентами при изучении естественно научных, общепрофессиональных... | | Рабочая программа учебной дисциплины модуль «Химия» Фгос впо по направлению подготовки 111100. 62 «Зоотехния», утверждённого приказом Министерства образования и науки Российской Федерации... |
| Рабочая программа учебной дисциплины модуль «Химия» Фгос впо по направлению подготовки 111100. 62 «Зоотехния», утверждённого приказом Министерства образования и науки Российской Федерации... | | Рабочая программа учебной дисциплины модуль «Химия» Фгос впо по направлению подготовки 111100. 62 «Зоотехния», утверждённого приказом Министерства образования и науки Российской Федерации... |
