Kolloidseid pindaktiivseid aineid kasutatakse pagari-, pasta- ja kondiitritööstuses. See parandab toodete kvaliteeti, suurendab niiskuse säilimise tõttu säilivusaega ja vähendab tooraine tarbimist. Tänu kolloidsete pindaktiivsete ainete kasutamisele säilib pasta kuju keetmisel.
Lihatööstuses kasutatakse pindaktiivseid aineid toodete maitse parandamiseks, vastupidavuse suurendamiseks ebasoodsatele teguritele ladustamisel ning lihatoodete bioloogiliselt inertsete kattekihtidena.
Toiduainekontsentraaditööstuses kasutatakse kolloidseid pindaktiivseid aineid toote struktuuri parandamiseks, klombumise ja kleepumise vältimiseks.
Jäätise valmistamisel kasutatakse ka kolloidseid pindaktiivseid aineid, mille tõttu sulamisprotsess aeglustub, toote maitse ja konsistents paranevad.
Pindaktiivsete ainete lahustega õli kogumine. Pindaktiivsed ained koguvad pindaktiivsete ainete kiled ühte tilka, mida on lihtne pinnalt eemaldada.
Pindaktiivsete ainete lahustava toime tõttu kasutatakse neid meditsiinis ja farmaatsias vees mittelahustuvate ravimite lahustuvaks muutmiseks.
Pindaktiivseid aineid kasutatakse korrosiooni inhibiitoritena, kuna need on võimelised moodustama pinnale peaaegu monomolekulaarse kile, mis kaitseb metalli keskkonnamõjude eest.
7.3. emulsioonid
Emulsioonid on dispergeeritud süsteemid, milles dispersioonifaas ja dispersioonikeskkond on vastastikku lahustumatud või halvasti lahustuvad vedelikud (piim, või, majonees).
Emulsiooni dispergeeritud faasi osakesed on sfäärilise kujuga, kuna erineva kujuga osakestega võrreldes on sfäärilistel osakestel minimaalne pind ja järelikult minimaalne pinnaenergia (G surf = σ·S).
Emulsioonide dispersioonikeskkond võib olla nii polaarne kui ka mittepolaarne. Iga polaarset vedelikku tähistatakse tavaliselt tähega "B" (vesi) ja mittepolaarset - "M" (õli).
Emulsioonide saamise, stabiilsuse ja hävitamise määravad vedelik-vedelik liidese omadused.
7.3.1. Emulsiooni klassifikatsioon
Vastavalt hajutatud faasi kontsentratsioonile (C df) on:
lahjendatud (C df 0,1% vol.);
kontsentreeritud (0,1 С df< 74% об.);
väga kontsentreeritud (C df >74% vol.).
Dispergeeritud faasi ja dispersioonikeskkonna polaarsuse järgi eristatakse:
I tüüpi emulsioonid (otsene) - O / W (piim);
II tüüpi emulsioonid (tagurpidi) - W / O (või).
Otsese emulsiooni korral jaotuvad mittepolaarse vedeliku (õli) tilgad polaarses keskkonnas (vesi); vastupidises emulsioonis on vastupidi.
7.3.2. Emulsioonide saamise meetodid
Emulsioone, nagu kõiki teisi dispergeeritud süsteeme, saab saada kahe meetodite rühma abil:
kondensatsiooni meetodid. Näiteks aurude kondenseerumine. Ühe vedeliku aur (dispergeeritud faas) süstitakse teise (dispersioonikeskkond) pinna alla. Sellistes tingimustes muutub aur üleküllatuks ja kondenseerub 1 µm suuruste tilkade kujul. Tulemuseks on emulsioon.
Dispersioonimeetodid, mis põhinevad hajutatud faasi purustamisel. Eristama:
mehaaniline dispersioon (loksutamine, segamine, homogeniseerimine). Tööstus toodab erineva konstruktsiooniga propeller- ja turbiintüüpi segistitega segisteid, kolloidveskeid ja homogenisaatoreid. Homogenisaatorites juhitakse hajutatud faas kõrge rõhu all läbi väikeste aukude. Neid seadmeid kasutatakse laialdaselt piima homogeniseerimiseks, mille tulemusena väheneb piimas olevate rasvatilkade keskmine läbimõõt 0,2 mikronini. Sellist piima ei setita.
emulgeerimine ultraheliga. See kasutab suure võimsusega ultraheli. Kõige tõhusam sagedusvahemik on 20 kuni 50 kHz.
emulgeerimine elektriliste meetoditega. Eeliseks on saadud emulsioonide kõrge monodisperssus.
(eriala "Apteek")
Distsipliini "Füüsikaline ja kolloidne keemia" uurimise eesmärgid
Põhidistsipliin "Füüsikaline ja kolloidne keemia" on aluseks, et õpilased omandavad analüütilise, orgaanilise, farmatseutilise keemia, toksikoloogilise keemia, ravimvormide tehnoloogia, mis sisalduvad eriala 040500 "Farmaatsia" üliõpilaste ettevalmistamise õppekavas.
FÜÜSIKALINE KEEMIA
Füüsikalise keemia õppeaine, ülesanded ja meetodid
Füüsikalise keemia arengu põhietapid. Kodu- ja välisteadlaste roll füüsikalise keemia arengus. Füüsikalise keemia koht teiste teaduste seas ja tähtsus farmaatsia arengus. M. V. Lomonosov, D. I. Mendelejev, N. S. Kurnakov, G. I. Gess, V. F. Aleksejev, N. N. Beketov – Venemaa teadlased, füüsikalise keemia rajajad.
Keemilise termodünaamika põhimõisted ja seadused. Termokeemia
Termodünaamika õppeaine ja meetodid. Põhimõisted ja määratlused .
Süsteemid: isoleeritud, suletud ja avatud. Süsteemi olek. Riigi funktsioon. Protsessid: isobaarne, isotermiline, isohooriline ja adiabaatiline. Süsteemi siseenergia. Töö. Kuumus.
Termodünaamika esimene seadus.
1. alguse matemaatiline avaldis. Entalpia. Protsessi isokoorilised ja isobaarsed soojused ning nendevaheline seos. Hessi seadus. Termokeemilised võrrandid. Ainete tekke- ja põlemissoojused. Keemiliste reaktsioonide standardsoojuse arvutamine ainete tekkimis- ja põlemissoojustest. Neutraliseerimis-, lahustumis-, hüdratatsioonisoojused. Entalpia diagrammid. Protsessi soojuse sõltuvus temperatuurist, Kirchhoffi võrrand.
Termodünaamika teine seadus.
Pööratavad ja pöördumatud protsessid termodünaamilises mõttes. Maksimaalne protsessi töö. Kasulik töö. Termodünaamika teise seaduse entroopia sõnastus. Entroopia on süsteemi oleku funktsioon. Entroopia muutus isoleeritud süsteemides. Entroopia muutus isotermiliste protsesside ja temperatuurimuutuste ajal. Termodünaamika teise seaduse statistiline olemus. Entroopia ja selle seos süsteemi oleku termodünaamilise tõenäosusega. Boltzmanni valem.
Termodünaamika kolmas seadus. Absoluutne entroopia. standardne entroopia.
Termodünaamilised potentsiaalid.
Helmholtzi energia. Gibbsi energia; seos nende vahel. Helmholtzi energia ja Gibbsi energia muutumine spontaansetes protsessides. keemiline potentsiaal.
Keemilise tasakaalu termodünaamika
Keemilise reaktsiooni isotermi võrrand. Homogeense ja heterogeense keemilise tasakaalu massimõju seaduse termodünaamiline põhjendus. Keemilise tasakaalu konstant ja selle väljendamise viisid.
Isobaari ja isohoori võrrandid keemilise reaktsiooni jaoks. Nendest võrranditest tulenevad tagajärjed. Keemilise tasakaalu konstant ja Le Chatelier-Browni põhimõte. Keemilise tasakaalukonstandi arvutamine termodünaamiliste suuruste tabelite abil.
Faasitasakaalu termodünaamika
Põhimõisted. Homogeensed ja heterogeensed süsteemid. Faas. Koostisained. Komponendid. Faasimuutused ja tasakaal: aurustamine, sublimatsioon, sulamine, allotroopse modifikatsiooni muutus. Komponentide arv ja vabadusastmete arv. Gibbsi faasireegel. Faasiüleminekute prognoosimine muutuvates tingimustes.
Ühekomponendilised süsteemid.
Ühekomponentsete süsteemide (vesi, süsihappegaas, väävel) olekuskeemid.Clausius-Clapeyroni võrrand. Seos Le Chatelier-Browni põhimõttega.
Kahekomponendilised (binaarsüsteemid)..
Kahendsüsteemide sulatavuse skeemid. Termiline analüüs. Füüsikalise ja keemilise analüüsi kontseptsioon (N. S. Kurnakov), taotlus ravimvormide uurimiseks. Raoult' seadus – põhjendamine keemiliste potentsiaalide meetodil, mis põhineb aine kahe faasi vahelise jaotumise üldseadusel. Ideaalsed ja reaalsed lahendused. Diagrammide tüübid "koostis - aururõhk", "koostis - keemistemperatuur". Aseotroopid. Konovalovi-Gibbsi esimene ja teine seadus. Fraktsionaalne ja pidev destilleerimine (rektifikatsioon). Vedelike lahustuvus vedelikes. Ülemine ja alumine kriitiline lahustumistemperatuur (V. F. Alekseev). Vastastikku lahustumatud vedelikud. Aurudestilleerimise teoreetilised alused .
Kolmekomponendilised süsteemid.
Nernsti seadus ainete jaotumisest kahe segunematu vedeliku vahel. Jaotuskoefitsient. Tinktuuride, dekoktide saamise põhimõtted. Ekstraheerimine.
Lahjendatud lahuste termodünaamika
Kolligatiivsete omaduste vaheline seos: aururõhu suhteline langus, lahusti külmumistemperatuuri langus, lahusti keemistemperatuuri tõus ja mittelenduvate mitteelektrolüütide lahjendatud lahuste osmootne rõhk. Krüoskoopilised ja ebullioskoopilised konstandid ning nende seos lahusti keemis- ja sulamistemperatuuriga.
Elektrolüütide lahuste osmootsed omadused. Isotooniline suhe.
Krüomeetrilised, ebulliomeetrilised ja osmomeetrilised meetodid molaarmasside, isotoonilise koefitsiendi määramiseks .
Elektrolüütide lahuste termodünaamika
Debye ja Hückeli tugevate elektrolüütide lahuste teooria. Ioonse atmosfääri mõiste. Ioonide aktiivsus ja selle seos kontsentratsiooniga. Aktiivsustegur ja selle väärtuse sõltuvus elektrolüütide kogukontsentratsioonist lahuses. Lahuse ioontugevus. Ioonitugevuse reegel. Aktiivsusteguri sõltuvus lahuse ioontugevusest.
Puhversüsteemid ja lahendused: hape-alus, kontsentratsioon, redoks. Nende toimemehhanism. Atsetaat-, fosfaat-, ammoniaak-, karbonaat-, hemoglobiinipuhvrid. Puhvermaht ja seda mõjutavad tegurid. Puhversüsteemide tähtsus keemia ja bioloogia jaoks.
Elektrokeemia
teist tüüpi dirigendid. Eri-, ekvivalent- ja molaarne elektrijuhtivus; nende muutumine lahuse lahjendamisega. Molaarne elektrijuhtivus lõpmatu lahjenduse korral. Kohlrauschi seadus. Mittevesilahuste elektrijuhtivus. Ioonide kiirus ja liikuvus. Ioonide liikuvus ja hüdratsioon (solvatatsioon).
Elektroodide potentsiaalid.
Päritolumehhanism. Nernsti võrrand. Elektrokeemiline potentsiaal. Elektroodide standardpotentsiaalid. Elektroodide klassifikatsioon. Standardne vesinikelektrood. Elektroodide potentsiaalide mõõtmine. Kontsentratsiooniga galvaanilised elemendid. Keemilised vooluallikad.
Redokspotentsiaalid. Päritolumehhanism. Redokselektroodid. Tegelik standardne redokspotentsiaal .
Ioonselektiivsed elektroodid.
klaasist elektrood. Muud tüüpi ioonselektiivsed elektroodid. Kasutamine bioloogias, meditsiinis, farmaatsias. Potentsiomeetriline meetod pH mõõtmiseks. Potentsiomeetriline tiitrimine. Nende meetodite väärtus farmaatsiapraktikas. Reaktsiooni standardse Gibbsi energia ja keemilise tasakaalukonstandi potentsiomeetriline määramine.
Keemiliste reaktsioonide ja katalüüsi kineetika
Keemilise kineetika õppeaine ja meetodid. Põhimõisted.
Reaktsioonid on lihtsad (üheastmelised) ja keerulised (mitmeetapilised), homogeensed ja heterogeensed. Homogeensete keemiliste reaktsioonide kiirus ja selle mõõtmise meetodid. Reaktsioonikiiruse sõltuvus erinevatest teguritest. Reaktsioonikiiruse massimõju seadus. Molekulaarsus ja reaktsiooni järjekord.
Kineetilised võrrandid nulli, esimest, teist järku pöördumatud reaktsioonid. pool elu. Reaktsiooni järjekorra määramise meetodid. Reaktsiooni kiiruse sõltuvus temperatuurist. Reaktsioonikiiruse temperatuuritegur. Aktiivsete kahendkokkupõrgete teooria. Aktiveerimisenergia. Reaktsioonikiiruse ja aktivatsioonienergia vaheline seos. Aktiveerimisenergia määramine. Kiirendatud meetodid ravimite säilivusaja määramiseks. Siirdeoleku teooria elemendid (aktiveeritud kompleks).
Keerulised reaktsioonid: pöörduv (kahepoolne), konkureeriv (paralleelne), järjestikune, konjugaat (N. A. Shilov). Raviaine muundumine organismis järjestikuste protsesside kogumina; absorptsioonikonstant ja eliminatsioonikonstant. Ahelreaktsioonid (M. Bodenstein, N. N. Semenov). Ahelreaktsiooni eraldi etapid. Hargnemata ja hargnenud ahelreaktsioonid. fotokeemilised reaktsioonid. Einsteini fotokeemilise ekvivalentsuse seadus. Reaktsiooni kvantsaagis.
katalüütilised protsessid. Positiivne ja negatiivne katalüüs. Katalüüsi õpetuse väljatöötamine (A. A. Balandin, N. I. Kobozev). homogeenne katalüüs. Katalüsaatori toimemehhanism. Katalüütiliste reaktsioonide aktiveerimisenergia. Happe-aluse katalüüs. metallikompleksi katalüüs. ensümaatiline katalüüs. Keemiliste reaktsioonide pärssimine. Inhibiitorite toimemehhanism.
Adsorptsiooni termodünaamiline analüüs.
Gibbsi liigne adsorptsioon. Gibbsi adsorptsiooni isotermi võrrand. Adsorptsiooni mõõtmine tahke-gaasi ja tahke-vedeliku liidestel. Gaaside ja lahustunud ainete adsorptsiooni mõjutavad tegurid. Monomolekulaarne adsorptsioon, Langmuiri, Freindlichi adsorptsiooni isotermi võrrand. Polümolekulaarne adsorptsioon. Kapillaaride kondenseerumine, absorptsioon, kemisorptsioon.
elektrolüütide adsorptsioon. Ioonide mittespetsiifiline (ekvivalentne) adsorptsioon. Ioonide selektiivne adsorptsioon. Panet-Faience reegel. Ioonivahetuse adsorptsioon. Ioniidid ja nende klassifikatsioon. vahetusvõime. Ioonivahetite kasutamine farmaatsias.
Kromatograafia(M. S. Tsvet). Kromatograafiliste meetodite klassifikatsioon teostustehnika ja protsessi mehhanismi järgi. Kromatograafia kasutamine ravimainete valmistamiseks ja analüüsimiseks. Geelfiltreerimine.
KOLLOIDKEEMIA
Kolloidkeemia õppeaine, ülesanded ja meetodid
Kolloidkeemia arengu peamised etapid. T. Graham ja I. G. Borštšov on kolloidkeemia rajajad. Kodu- ja välisteadlaste roll kolloidkeemia arengus (A. V. Dumansky, V. Ostwald, P. A. Rebinder). Kolloidkeemia väärtus farmaatsia arengus.
Dispergeeritud süsteemid
Hajussüsteemide struktuur. Dispergeeritud faas, dispersioonikeskkond. Dispersiooni kvantitatiivsed omadused.
Hajussüsteemide klassifikatsioon: vastavalt dispergeeritud faasi ja dispersioonikeskkonna agregatsiooni olekule, kontsentratsioonile, dispergeeritud faasi ja dispersioonikeskkonna interaktsiooni iseloomule. Lüofiilsete ja lüofoobsete dispergeeritud süsteemide mõiste. Aine kolloidse oleku (nanostaadi) tunnused. Aine hajutatud oleku universaalsus. Pinnanähtuste rolli määramine kolloidkeemias.
Kolloidlahuste saamise ja puhastamise meetodid. Dialüüs, elektrodialüüs, ultrafiltratsioon.
Kolloidsüsteemide molekulaarkineetilised ja optilised omadused
Browni liikumine (Einsteini võrrand), difusioon (Ficki võrrandid), osmootne rõhk. Nende suhe.
Sedimentatsioon. Sette stabiilsus ja settimise tasakaal. Tsentrifuug ja selle rakendus kolloidsüsteemide uurimiseks.
Valguse hajumine ja neeldumine. Rayleighi võrrand. Kolloidsüsteemide ultramikroskoopia ja elektronmikroskoopia. Kolloidosakeste kuju, suuruse ja massi määramine.
Pinnanähtuste termodünaamika
Pinnakihi termodünaamika. Gibbsi pinnaenergia ja pindpinevus. Pindpinevuse määramise meetodid. Pindpinevuse sõltuvus temperatuurist. Gibbsi pinnaenergia ja pinnaentalpia vaheline seos. Niisutusnurk. Niisumise ja levimise termodünaamilised tingimused Tahkete ainete pinna hüdrofiilsus ja hüdrofoobsus.
Pindaktiivse aine adsorptsioon
Adsorptsiooni termodünaamika. Gibbsi võrrandi tuletamine. Pindaktiivsed ja pind-inaktiivsed ained. Pindpinevus isoterm. Šiškovski võrrand. pinna aktiivsus. Duclos-Traube reegel. Langmuiri võrrand monomolekulaarse adsorptsiooni jaoks.
Pindaktiivsete ainete molekulide orientatsioon pinnakihis. Pindaktiivse aine molekuli poolt hõivatud pindala ja pindaktiivse aine molekuli maksimaalse pikkuse määramine küllastunud adsorptsioonikihis.
Pindaktiivsete ainete adsorptsioon segunematute vedelike pinnal. Pindaktiivsete ainete adsorptsioon lahustest tahkete ainete pinnal.
Elektropinna nähtused hajussüsteemides.
Elektrokineetilised nähtused
Elektriliste nähtuste olemus hajussüsteemides. Elektrilaengu tekkimise mehhanism kahe faasi vahelisel liidesel. Elektrilise topeltkihi struktuur. Mitsell, hüdrofoobse sooli mitselli struktuur. Kolloidosakese laeng ja elektrokineetiline potentsiaal.
Elektrolüütide mõju elektrokineetilisele potentsiaalile. Kolloidosakeste laadimise nähtus.
elektrokineetilised nähtused. Elektroforees. Kolloidosakeste elektroforeetilise kiiruse ja nende elektrokineetilise potentsiaali seos (Helmholtz-Smoluchowski võrrand). elektroforeetiline liikuvus. Elektroforeesi uurimismeetodid farmaatsias.
Elektroosmoos .
Elektroosmootne meetod elektrokineetilise potentsiaali mõõtmiseks. Elektroosmoosi praktiline rakendamine farmaatsias.
Kolloidsüsteemide stabiilsus ja koagulatsioon
Kolloidsüsteemide settimise ja agregatsiooni stabiilsus.
Dispergeeritud faasi osakeste agregatsioon ja settimine. Stabiilsustegurid. Koagulatsioon ja seda põhjustavad tegurid. Aeglane ja kiire koagulatsioon. Koagulatsioonilävi, selle määratlus. Schulze-Hardy reegel. koagulatsioonitsoonide vaheldumine. Soolide koagulatsioon elektrolüütide segude abil. Aditiivsuse reegel, ioonide antagonism ja sünergism. Kolloidne kaitse. heterokoagulatsioon. Peptiseerimine.
Koagulatsiooni teooriad.. Deryagin-Landau-Verwey-Overbecki teooria. Pindaktiivsete ainete kasutamine dispergeeritud süsteemide omaduste kontrollimiseks.
Geelitamine (želatiniseerimine). Struktureeritud hajussüsteemide reoloogia.
Erinevad kolloidsüsteemide klassid
Aerosoolid ja nende omadused.
Valmistamine, molekulaarkineetilised omadused. elektrilised omadused. Agregatiivne stabiilsus ja seda määravad tegurid. Aerosooli hävitamine. Aerosoolide kasutamine farmaatsias.
Pulbrid ja nende omadused. Pulbrite paakumine, granuleerimine ja pihustatavus. Taotlus apteegis.
Suspensioonid ja nende omadused.
Kviitung. Agregatiivne stabiilsus ja seda määravad tegurid. flokulatsioon. Suspensioonide settimise analüüs. Vaht. Kleebised.
Emulsioonid, vahud ja nende omadused. Kviitung. Emulsioonide tüübid. Emulgaatorid, dispergandid ja nende toimemehhanism. Emulsioonide faasi ümberpööramine. Emulsioonide ja vahtude stabiilsus ja selle rikkumine. Emulsioonide ja vahtude stabiilsustegurid. ühinemine. Kontsentreeritud ja väga kontsentreeritud emulsioonide omadused. Vahtude ja emulsioonide kasutamine farmaatsias.
Pindaktiivsete ainete moodustatud kolloidsüsteemid: seepide, pesuainete, tanniinide, värvainete lahused. Mitsellaarsed kolloidsüsteemid. Mitsellistumine pindaktiivsete ainete lahustes. Kriitiliste mitsellide kontsentratsioon, selle määramise meetodid. Liposoomid ja vesiikulid. Solubiliseerimine ja mikroemulsioonid; nende kasutamine apteegis. Mitsellaar- ja liposomaalsed kolloidsüsteemid farmaatsias.
Makromolekulaarsed ühendid (HMC) ja nende lahused.
Molekulaarsed kolloidsüsteemid. IUDi saamise meetodid. HMC klassifikatsioon, polümeeri ahela paindlikkus. Lingide sisemine pöörlemine HMS-i makromolekulides. Mereväe kristalne ja amorfne olek.
IUD-i turse ja lahustumine. turse mehhanism. IUDide turse ja lahustumise termodünaamika. Erinevate tegurite mõju turse astmele. Lüotroopne ioonide seeria.
HMS lahuste viskoossus. HMS-lahenduste omaduste kõrvalekalle Newtoni ja Poiseuille'i seadustest. Binghami võrrand. Polümeerilahuste ebanormaalse viskoossuse põhjused.
HMS lahuste viskoossuse mõõtmise meetodid. Spetsiifiline, vähendatud ja sisemine viskoossus. Staudingeri võrrand ja selle modifikatsioon. Polümeeri molaarmassi määramine viskosimeetrilise meetodiga.
Polümeersed mitteelektrolüüdid ja polüelektrolüüdid. Polüamfolüüdid. Polüamfolüütide isoelektriline punkt ja selle määramise meetodid.
IUD lahuste osmootsed omadused. Polümeersete mitteelektrolüütide lahuste osmootne rõhk. Kõrvalekaldumine van't Hoffi seadusest. Halleri võrrand. Polümeersete mitteelektrolüütide molaarmassi määramine. Polüelektrolüüdid. Polüelektrolüütide lahuste osmootne rõhk. Donnani membraani tasakaal.
IUD lahuste stabiilsuse tegurid. Väljasoolamine, lävendite väljasoolamine. Lüotroopne ioonide seeria. Polüamfolüütide väljasoolamise lävede sõltuvus söötme pH-st. Koatservatsioon - lihtne ja keeruline. Mikrokoacervatsioon. bioloogiline tähtsus. Mikrokapseldamine. Geelistumine. Erinevate tegurite mõju geelistumise kiirusele. Želeede ja geelide tiksotroopia. Sünerees.
Peamine
- Gorshkov V.I., Kuznetsov I.A. Füüsikalise keemia alused. - M., BINOM. Teadmiste labor, 2006.
- Eremin V.V., Kargov S.I., Uspenskaja I.A., Kuzmenko N.E., Lunin V.V. Füüsikalise keemia alused.Teooria ja ülesanded.M.,eksam,2005.
- Ershov Yu.A., Popkov V.A., Berlyand A.S., Knizhnik A.Z. Üldine keemia. Biofüüsikaline keemia. M., Kõrgkool, 2000.
- Friedrichsberg D.A. Kolloidkeemia kursus. - L., 1995.
- Evstratova K.I., Kupina N.A., Malakhova E.E. Füüsikaline ja kolloidne keemia. - M., Kõrgkool, 1990.
- Füüsikalise ja kolloidse keemia töötuba (E. V. Bugreeva jt). - M., Kõrgkool, 1990.
Lisaks
- Shchukin E. D., Pertsov A. V., Amelina E. A. Kolloidkeemia. - M. 2007.
- Frolov Yu. G. Kolloidkeemia kursus. Pinnanähtused ja hajutatud süsteemid. - M., Keemia, 2004
- Zimon D. A., Leštšenko N. F. Kolloidkeemia. - M. 1999.
- Kolloidkeemia töötuba ja probleemiraamat, toimetanud Nazarov V.V., Grodsky A.S. - M. 2007.
- Shur A.M. Kõrgmolekulaarsed ained. - M., 1981.
- Zakharchenko VN Füüsikalise ja kolloidkeemia ülesannete ja harjutuste kogu. - M., 1978.
- Zahharchenko V. N. Kolloidkeemia. - M., 1989.
- Nikolsky B.P. (toim.) Füüsikaline keemia. - L., 1987.
- Solovjov Yu. I. Esseed füüsikalise keemia ajaloost. - M., 1984.
Programm koostatakse
Assoc. Kargov S.I.
Assoc. Ivanova N.I.
Tööriistakomplekt
Teema: Kolloidlahuste uurimine.
Distsipliin : Keemia
Noh : 2
Semester : 3
Koostatud : Polivanova T.V., keemiaõpetaja, esimene kvalifikatsioonikategooria
Moskva
2015
Sisu:
Teema motivatsioon …………………… …..lk 4
Eesmärgid ja eesmärgid………………………. .lk. neli
Teabeplokk ……………… lk 5
Juhtseade ………………….lk. kaheksateist
1. Motivatsiooni teema
Kolloidsüsteemid on looduses laialt levinud. Valgud, veri, lümf, süsivesikud, pektiinid on kolloidses olekus. Paljud tööstusharud (toiduaine-, tekstiili-, kummi-, naha-, värvi- ja lakitööstus, keraamikatööstus, tehiskiutehnoloogia, plastid, määrdeained) on seotud kolloidsüsteemidega. Ehitusmaterjalide (tsement, betoon, sideainelahused) tootmine põhineb kolloidide omaduste tundmisel. Hajumaterjalidega (tolm, suspensioonid, vahud) tegelevad söe-, turba-, mäe- ja naftatööstus. Kolloidkeemia on eriti oluline mineraalide töötlemise, purustamise, flotatsiooni ja maagi märja töötlemise protsessides. Foto- ja kinematograafilised protsessid on samuti seotud kolloid-dispersioonisüsteemide kasutamisega.
Kolloidkeemia objektid hõlmavad mitmesuguseid taime- ja loomamaailma vorme, eriti tüüpilisteks kolloidmoodustisteks on lihas- ja närvirakud, rakumembraanid, kiud, geenid, viirused, protoplasma, veri. Seetõttu väitis kolloiditeadlane I. I. Žukov, et "inimene on olemuselt kõndiv kolloid". Selle valguses ei kujuta ravimite (salvid, emulsioonid, suspensioonid, aerosoolid, pulbrid) tehnoloogiat, erinevate ravimite toimet organismile ette ilma kolloidkeemia tundmiseta.
2. Eesmärgid ja eesmärgid.
Sihtmärk: süstemaatiliste teadmiste omandamine kolloid-dispergeeritud süsteemide kohta, olenevalt klassifitseerimise tunnustest, hajutatud süsteemide saamise, puhastamise ja stabiilsuse meetoditest ning oskus neid teadmisi rakendada bioloogilistes objektides leiduvate spetsiifiliste süsteemide puhul.
Ülesanded:
hariv:
tutvustada õpilastele hajutatud süsteemide, kolloidsete lahuste mõistet.
tutvustada õpilasi kolloidlahuste saamise meetoditega.
selgitada õpilastele kolloidlahuste puhastamise meetodeid, mitsellide ehitust.
tutvustada õpilastele kolloidlahuste omadusi.
arendamine:
jätkata ja laiendada õpilaste kognitiivset tegevust, samuti ideid kolloidlahuste saamise meetoditest.
jätkuvalt arendada ja laiendada õpilaste arusaamist dialüüsist, elektrodialüüsist, ultrafiltratsioonist, kolloidosakeste koostisosadest ja nende praktilisest tähendusest igapäevaelus.
kasvatamine:
arendada jätkuvalt tähelepanelikkust, tähelepanelikkust, esteetilisi tundeid, tehnoloogiaga töötamise oskusi.
Teabeplokk.
Dispergeeritud süsteemid – heterogeensed süsteemid, milles üks aine (dispergeeritud faas) on teises (dispersioonikeskkonnas) ühtlaselt jaotunud. Aine omadused killustatud (hajutatud ) olek erineb oluliselt sama aine omadustest, mis on tahke keha või mingi vedelikumahu kujul.
Dispergeeritud osakestel on mitu erinevat klassifikatsiooni: osakeste suuruse järgi, dispergeeritud faasi ja dispersioonikeskkonna agregatsiooni oleku järgi, dispergeeritud faasi osakeste ja dispersioonikeskkonna molekulidega interaktsiooni olemuse järgi, vastavalt termodünaamiline ja kineetiline stabiilsus.
Sõltuvalt hajutatud faasi a osakeste suurusest eristatakse järgmisi dispergeeritud süsteeme
Dispergeeritud süsteemid
Osakese suurus
Nimi
a ≤ 10 -9 m
Tõelised lahendused
a = 10 -9 –10 -7 m
kolloidsüsteemid
a ≥ 10 -7 –10 -5 m
Jämedad süsteemid
Dispergeeritud süsteemide klassifikatsioon hajutatud faasi ja dispersioonikeskkonna agregatsiooni oleku järgi on toodud tabelis
Hajussüsteemide klassifikatsioon
hajutatud
faas
Dispersioonikeskkond
Gaas
Vedelik
Tahke
Gaas
Ei moodustatud
Vaht
kõva vaht
Vedelik
Pihustuspurk
Emulsioon
tahke emulsioon
Tahke
Aerosool, pulber
Suspensioon ja sol
tahke sool
Kolloidne olek on iseloomulik paljudele ainetele, kui nende osakeste suurus on 10ˉ 7 kuni 10 5 vt. Nende kogupind on tohutu ja sellel on pinnaenergia, mille tõttu ta suudab lahusest osakesi adsorbeerida. Saadud kolloidosakest nimetataksemitsell . Sellel on keeruline struktuur ja see koosneb tuumast, adsorbeeritud ioonidest ja vastasioonidest.
Kui lahusti interakteerub osakeste tuumaga, siislüofiilne kolloidid, kui see ei interakteeru, siislüofoobne kolloidid.
Ajaloo viide
Tavaliselt arvatakse, et kolloidkeemia rajajaks on inglise teadlane Thomas Graham (1805-1869), kes tutvustas kolloid-keemia põhimõisteid möödunud sajandi 50-60ndatel. Kuid me ei tohiks unustada, et tal olid eelkäijad ja ennekõike - Jacob Berzelius, Itaalia keemik Francesco Selmi. 30ndatelXIXsajandil kirjeldas Berzelius mitmeid sademeid, mis pestes filtrit läbivad (räni- ja vanadiinhape, hõbekloriid, Preisi sinine jne). Berzelius nimetas neid filtrit läbivaid sademeid "lahusteks", kuid samas tõi ta välja nende lähedase afiinsuse emulsioonide ja suspensioonidega, mille omadusi ta hästi tundis. Francesco Selmi 50ndatelXIXsajandil jätkas tööd selles suunas, otsides füüsikalis-keemilisi erinevusi filtrit läbivatest setetest moodustunud süsteemide (ta nimetas neid "pseudolahusteks") ja tavaliste tõeliste lahuste vahel.
Inglise teadlane Michael Faraday (*) aastal 1857 sünteesiti kulla kolloidseid lahuseid - suspensioonAuvees osakeste suurusega 1 kuni 10 nm. ja töötasid välja meetodid nende stabiliseerimiseks.
Need “pseudolahused” hajutavad valgust, neis lahustunud ained sadestuvad väikese koguse soolade lisamisel, aine üleminekuga lahusesse ja sealt sadestumisega ei kaasne süsteemi temperatuuri ja ruumala muutust. seda täheldatakse tavaliselt kristalsete ainete lahustumisel.
Thomas Graham arendas need ideed "pseudolahenduste" ja tõeliste lahenduste erinevuse kohta ning tutvustas "kolloidi" mõistet. Graham avastas, et ained, mis on võimelised moodustama želatiinseid amorfseid sademeid, nagu alumiiniumhüdroksiid, albumiin, želatiin, difundeeruvad vees aeglasel kiirusel võrreldes kristalsete ainetega (NaCl, sahharoos). Samal ajal läbivad kristalsed ained kergesti lahuses läbi pärgamendi kestade (“dialüüsivad”) ja želatiinsed ained ei läbi neid kestasid. Võttes liimi kui tüüpilist želatiinsete, mittehajuvate ja mittedialüüsivate ainete esindajat, andis Graham neile üldnimetuse "kolloid", st. liimitaoline (kreeka sõnast colla - liim). Ta nimetas kristallaineid ja aineid, mis sobivad hästi hajutamiseks ja dialüüsiks, "kristalloidideks".
Mitsell ja selle struktuur
Kolloidosake on kolloidse dispersiooniga halvasti lahustuva aine südamik, mille pinnale on adsorbeerunud lahuse elektrolüüdiioonid. Elektrolüüdi ioonid tagavad sooli stabiilsuse, mistõttu seda elektrolüüti nimetatakse ioonseks stabilisaatoriks. See tähendab, et kolloidosake on kompleks, mis koosneb tuumast koos vastasioonide adsorptsioonikihiga. Osakese või tuuma agregaat on kristalse struktuuriga aine, mis koosneb sadadest või tuhandetest aatomitest, ioonidest või molekulidest, mida ümbritsevad ioonid. Südamikku koos adsorbeeritud ioonidega nimetatakse graanuliteks. Seega on graanulil teatud laeng. Vastupidiselt laetud ioonid kogunevad selle ümber, andes sellele üldise elektrilise neutraalsuse. Kogu graanulitest ja seda ümbritsevatest ioonidest koosnevat süsteemi nimetatakse mitselliks ja see on elektriliselt neutraalne. Mitselli ümbritsevat vedelat faasi nimetatakse mitsellidevaheliseks vedelikuks. Seda saab kujutada järgmise lühikese diagrammina:
graanul, st. kolloidne osake = tuum + adsorptsioonikiht + vastasioonkiht + hajuskiht
mitsell = graanul + vastasioonid
sol = mitsellid + mitsellidevaheline vedelik.
Vaatleme näitena sol As 2 S 3 (Joonis 7). Selle sooli saamiseks tuleb arseenhapet töödelda vesiniksulfiidiga. Käimasoleva reaktsiooni saab kirjutada järgmiselt:
2H 3 AsO 3 + 3H 2 S= Nagu 2 S 3 + 6H 2 O
Liigne H 2 S mängib selles süsteemis ioonse stabilisaatori rolli. H 2 S dissotsieerub osaliselt ioonideks:
H 2 S↔HS - + H +
Nendest HS ioonidest - ioonid adsorbeeritakse mitselli tuuma As pinnal 2 S 3 , seega selles süsteemis:
[As 2 S 3 ] n - üksus
[As 2 S 3 ] n , m HS - - tuum
([As 2 S 3 ] n , m HS - ,(m-x)H + } - x - graanul
([As 2 S 3 ] n , m HS - ,(m-x)H + } - xH + - mitsell
Mitsellide tuumad on kristalse struktuuriga. Kolloidosakeste moodustumise protsessi uuris üksikasjalikult V.A. Kargin ja Z.Ya. Berestneva 1953. aastal elektronmikroskoobi abil ja lõi uue teooria. Selle teooria kohaselt toimub kolloidosakese moodustumise mehhanism kahes etapis: esmalt tekivad sfäärilised osakesed, mis on amorfses olekus, ja seejärel ilmuvad amorfsete osakeste sisse väikesed kristallid. Amorfsete osakeste sees olevate kristallstruktuuride ilmnemise tõttu tekib pinge ja vastavalt süsteemi minimaalsele siseenergiale tingimustele (∆Н<0, ∆S<0), |∆Н| >|Т∆S|, ∆G<0) происходит самопроизвольный процесс распада на множество мелких кристаллических частиц и эти кристаллы становятся центром мицеллы. Скорость кристаллизации для различных золей различна.
Kolloidsete lahuste saamise meetodid
Kolloidseid lahuseid võib saada:
1. Dispersioonimeetodid mis põhineb aine suurte osakeste purustamisel või hajutamisel kolloidsete suurusteni. Dispersiooni saab läbi viia mehaanilise lihvimise, elektripihustamise ja nii edasi.
Hajutatud meetodid hõlmavad– geelidest või lahtistest setetest soolide moodustumise protsess kolloidtuumade pinnale adsorbeerunud peptisaatorite (enamikul juhtudel elektrolüütide) toimel, mis hõlbustab nende interaktsiooni dispersioonikeskkonnaga.
2. kondensatsiooni meetodid , mis põhineb suuremate osakeste molekulide või ioonide agregatsioonil. Osakeste liitmist saab läbi viia mitmel viisil.
Kondensatsioonimeetodi puhul peatub osakeste kasv ammu enne termodünaamiliselt stabiilse liidese teket. Seetõttu on kolloidsüsteemid sõltumata valmistamismeetodisttermodünaamiliselt ebastabiilne . Aja jooksul, termodünaamiliselt soodsama oleku poole püüdlemise tulemusena, lakkavad kolloidsüsteemid olemast koagulatsiooni – osakeste suurenemise protsessi – tõttu.
Füüsikalis-keemiline kondensatsioon viitab lahusti asendamise meetodile, mis taandub asjaolule, et aine, millest sool eeldatavalt saadakse, lahustatakse sobivas lahustis stabilisaatori juuresolekul (või ilma selleta) ja seejärel lahus. segatakse teise vedelikuga, milles aine on lahustumatu. Selle tulemusena moodustub sool. Nii saadakse väävlisoolid, kampol. Mille tõttu sel juhul tekib küllastumine.
Kondensatsiooni keemiline meetod põhineb reaktsioonidel, mis viivad tahke toote moodustumiseni.
a) Taastumisreaktsioonid.
Näiteks kulla ja hõbeda soolide saamine nende metallide soolade koostoimel redutseerivate ainetega:
2KAuO2 + 3HCHO + K2CO3 → 2Au + 3HCOOK + KHCO3 + H2O.
(·nAuO2–·(n–x)К+)x–·xК+ – kullasooli mitsell.
b) Oksüdatsioonireaktsioonid.
Näiteks väävlisooli saamine:
2H2S + O2 → 2S + 2H2O.
Saadud sooli mitsellstruktuuri saab esitada järgmise valemiga:
{ · nS5O62–· 2(n–x)H+)· 2xH+.
c) Vahetusreaktsioonid. Näiteks baariumsulfaadi sooli saamine.
Vahetusreaktsioonide kasutamisel sõltub mitsellide koostis reaktiivilahuste valamise järjekorrast!
d) Hüdrolüüsireaktsioonid.
Näiteks saadakse punakaspruun raud(III)hüdroksiidi sool, lisades keevasse vette väikese koguse raud(III)kloriidi: FeCl3 + H2O → Fe(OH)3 + 3HCl.
Fe(OH)3 soolmitsellide struktuuri, sõltuvalt sellest, milline ioon on stabilisaator, saab väljendada valemitega:
{ · nFeO+· (n–x)Cl–)x+· xCl-
või { · nFe3+· 3(n–x)Cl–)3x+· 3xCl-
või { · nH+· (n–x)Cl–)x+· xCl-.
Kolloidsüsteemide kristallimise teel valmistamise näide on kristallimine suhkru tootmisel üleküllastunud sahharoosilahusest. Desublimatsiooniprotsess toimub pilvede tekkimise ajal, mil ülejahutatud tingimustes tekivad veeaurust kohe kristallid, mitte veepiiskad.
Kolloidsüsteemide omadused:
valguse hajumine (opalestsents) (näitab süsteemi heterogeensust, mitmefaasilisust).
Opalestsents muutub eriti märgatavaks, kui nagu Tyndall tegi (
lasta läbi kolloidse lahuse koonduvate kiirte kiir, asetades läätse valgusallika ja lahusega küveti vahele. Sel juhul on läbiva valguse käes läbipaistvatel lahustel kõik häguse keskkonna omadused külgvalgustuses. Küljelt vaadeldavas kolloidses vedelikus moodustub ere helendav koonus (Tyndalli koonus).
aeglane difusioon
madal osmootne rõhk
kolloidlahused on võimelised dialüüsiks, st. saab membraani abil lisanditest eraldada
on võimeline süsteemi koaguleerima (hävitama) lisandite lisamisel, T muutmisel, segamisel jne.
mõnikord tuvastatakse elektroforeesi nähtus, st. süsteemis olevatel osakestel võib olla laeng.
Kolloidsete lahuste stabiilsus
Kolloidsüsteemidel on kineetiline ja agregatiivne stabiilsus.Kineetiline stabiilsus seostatakse hajutatud faasi osakeste võimega lahuses spontaanseks termiliseks liikumiseks, mida tuntakse Browni liikumisena. Osakeste selline kaootiline liikumine takistab nende ühendamist. Tavaliselt on kolloidlahused kineetiliselt stabiilsed ja nende hävimine toimub alles pärast lahuse agregaadi stabiilsuse rikkumist.
Kogu stabiilsus tingitud asjaolust, et ioonide (molekulide) adsorptsioon keskkonnast toimub kolloidosakeste pinnal.
Aine, mis adsorbeerub osakeste tuumadele ja suurendab kolloidlahuste stabiilsust, nimetatakse stabilisaatoriks. Ioonse stabilisaatoriga tekivad mitsellide tuumade ümber topeltelektrilised kihid, mis muudab nende ühendamise keeruliseks. Molekulaarse stabilisaatori puhul tekivad molekulidevaheliste interaktsioonijõudude toimel adsorbeerunud molekulidele dispersioonikeskkonna molekulidest solvaadikestad (kihid), mis takistavad osakeste seostumist.
Kolloidsete lahuste hävitamine
Kolloidosakeste suurenemise protsessi, mis viib dispergeeritud aine dispersiooniastme vähenemiseni, nimetataksekoagulatsioon . Koagulatsioon ehk osakeste kokkukleepumine põhjustab suurte agregaatide settimist (settimist) setete kujul.
Kolloidsüsteemide stabiilsuse vähenemise põhjustab elektrolüütide sissetoomine, mis muudavad ioonide hajutatud kihi struktuuri. Pealegi on elektrolüüdis koaguleeriv toime ainult nendel ioonidel (koagulaatoritel), mis kannavad vastavalt samanimelisele seadusele laengut kolloidosakese vastasiooni laenguga. Koagulaatori iooni koaguleeriv toime on seda suurem, seda suurem on selle laeng.
Koagulatsioon - spontaanne protsess, mis tuleneb süsteemi soovist minna madalama pinnaenergia ja väiksema isobaaripotentsiaaliga olekusse. Ka hüübinud aine settimise protsess kulgeb spontaanselt. Koagulatsioon võib olla tingitud erinevatest põhjustest, elektrolüütide kõige tõhusam toime. Elektrolüüdi minimaalset kontsentratsiooni lahuses, mis põhjustab koagulatsiooni, nimetatakse koagulatsiooniläveks. Koagulatsioon toimub ka kahe erineva osakeste laengu tunnustega sooli nihkumisel. Seda nähtust nimetatakse vastastikuseks koagulatsiooniks.
Kolloidsete lahuste puhastamise meetod
dialüüsi teel
Kolloidsete süsteemide saamisel on nende koostises lisaks dispergeeritud faasile suurtes kogustes happeid, aluseid ja sooli. Kolloidlahuse stabiilsuse tagamiseks peab lahuses olema veidi elektrolüüti, kuid üleliigne elektrolüüt tuleb eemaldada. Elektrolüüdi liigse koguse eemaldamist kolloidlahusest nimetatakse elektrolüüdi eemaldamiseks kolloidlahusest. Kolloidlahuste puhastamisel kasutatakse dialüüsi, ultrafiltratsiooni ja elektrodialüüsi meetodeid.
Dialüüsi eripäraks on see, et kolloidlahus ja selles sisalduvad elektrolüüdid eraldatakse poolläbilaskva membraani abil puhtast lahustist (veest) (joonis 4). Molekulid ja ioonid, mis on võimelised sellist membraani läbima, lahustuvad, kuni saavutatakse tasakaal molekulide ja ioonide kontsentratsioonide vahel mõlemal pool membraani. Lahustit perioodiliselt vahetades on võimalik sool teatud määral lisanditest puhastada. Dialüüsiks kasutatakse tavaliselt kolloodiumkilesid, aga ka tselluloosatsetaadist, tsellofaanist ja muudest materjalidest vaheseinu. Koos sellega kasutatakse ka looduslikke kilesid, näiteks põie seinu.
Kolloidlahus (A) valatakse membraaniga kaetud anumasse (B), misjärel see kastetakse puhta veega täidetud anumasse (C). Välisanumas muutub vesi perioodiliselt, s.t. kasutatakse pideva veevahetusega läbivooludialüsaatorit. Kusepõie või muude membraanide seintel on väga väikesed augud (nende läbimõõt on 20-30 mikronit). Nendest aukudest võivad läbida molekulid või ioonid, kuid mitte kolloidosakesed. Tuhas sisalduvad elektrolüüdid difundeeruvad vette ja pestakse läbi membraani kolloidlahusest välja. Vett vahetades saab kolloidlahust teatud määral puhastada. 
elektrodialüüsi meetod
Elektrodialüüsi puhul kiirendatakse dialüüsi elektrivoolu toimel. Kahe membraani vahel M 1
neid 2
asetatakse kolloidlahus, mis tuleb puhastada elektrolüütidest (joon. 5). Anuma külgmistes osades, milles voolab pidevalt puhast vett (lahustit), on elektroodid. Elektrivoolu läbimisel suunatakse positiivselt laetud ioonid katoodile ja negatiivse laenguga anoodile. Membraanist läbinud elektrolüütide ioonid kogutakse anuma osasse, kuhu elektroodid on paigaldatud. Puhastatud sool jääb kahe membraani vahele anuma keskossa. Seda meetodit kasutatakse peamiselt orgaaniliste kolloidide puhastamisel. Tööstuses kasutatakse seda laialdaselt puhta želatiini, liimi saamiseks.
ultrafiltratsiooni meetod
Kolloidseid lahuseid saab puhastada, filtreerides need läbi poolläbilaskvate membraanide. Ultrafilter koosneb Buchneri lehtrist (1), membraanist (2), Bünseni kolvist (3) ja pumbast (4) (joonis 6). Ultrafiltrimise kiirendamiseks viiakse läbi rõhu all. Teatud membraani kasutades on võimalik elektrolüüdist välja filtreerida kolloidlahus, aga ka soolid üksteisest. Selleks peavad membraaniava läbimõõdud olema suuremad kui ühe sooli osakesed ja väiksemad kui teise sooli osakesed. 
Kasutamine meditsiinis
Meditsiinis kasutatakse kolloidseid lahuseid kõikjal. Siin on mõned näited nende kasutamisest. mis on vees dispergeeritud väikesed metalliosakesed, mida kasutatakse põletuste raviks, ja kaksteistsõrmiksoole, nina limaskesta pesemiseks, et vältida viirusnakkuste levikut.
Farmaatsiatööstus pakub laias valikus kolloidseid lahuseid erinevatel eesmärkidel. Nende hulgas on universaalseid vahendeid, mida saab kasutada haavade paranemiseks põletuste, hemorroidide korral; põletikuvastane - koos nohu, tonsilliidi, sinusiidiga; valuvaigistid - hambavalu leevendamiseks ja mitte ainult. Nende hulka kuulub kolloidne lahus "Millennium". Geel sisaldab aaloed, nisuvalku, ženšenni, E-vitamiini ja muid kasulikke lisaaineid. Paljud paikselt kasutatavad ravimid on tegelikult kolloidsed lahused. Liigeste jaoks kasutatakse näiteks "Artro Complexi", mis sisaldab sellist kasulikku komponenti nagu haikõhre.
Kasutamine igapäevaelus ja tööstuses
Kolloidsed lahused moodustavad pesu- ja puhastuspindaktiivsete ainete aluse. Saasteained tungivad mitsellidesse ja eemaldatakse seega pinnalt.
Mitselle moodustavate pindaktiivsete ainete kasutamise teine oluline aspekt on polümeeride, eriti lateksite, polüvinüülalkoholi ja taimse päritoluga liimide tootmine. Emulsiooni baasil saadakse erinevaid plastmassi, nahaasendajaid. Puhastamiseks kasutatakse ka pindaktiivseid aineid ja joogivesi.
Kolloidlahustel põhineva kosmeetika eelisteks on toimeainete tungimine läbi inimese naha ja juuste struktuuri. Selliseid tooteid kasutatakse tõhusalt vananemise vastu. Nende hulka kuulub eelkõige Millennium Neo geel. Kolloidlahus aitab selles sisalduvatel komponentidel epidermist mööda minnes jõuda naha sügavamatesse kihtidesse.
Kirjandus:
Pustovalova L.M., Nikanorova I.E. Üldine keemia. - Rostov n / D: Phoenix, 2006. - 478 lk.
Stromberg A.G., Semchenko D.P. Füüsikaline keemia. - M.: Kõrgkool, 2003. - 527 lk.
Evstratova K.I., Kupina N.A., Malakhova E.E. Füüsikaline ja kolloidne keemia. - M.: Kõrgkool, 1990. - 487 lk.
Boldyrev A.I. Füüsikalise ja kolloidkeemia näidiskatsed. - M.: Kõrgkool, 1976. - 256 lk.
Juhtplokk
Test teemal: "Hajutatud süsteemid"
1.
Mõelge joonisele, mis kujutab hajutatud süsteemi. Nimetage selle peamised komponendid:
1
2
2.
Bioloogiline geel on:
kõhre
õhku
pilved
jõe vesi
3 .
Jaotage hajutatud süsteemid eraldi rühmadesse sõltuvalt hajutatud faasi ja dispersioonikeskkonna agregatsiooni olekust: kehavedelikud, liivatormid, õhk, nendega seotud gaas õlipiiskadega, koor, vahud, värvilised klaasid, tekstiilkangad, gaseeritud joogid, meditsiini- ja kosmeetikatooted , gaseeritud šokolaad, piim, tellised ja keraamika, maagaas, märg pinnas, kivid, mördid, pastad, sudu, pulbrid, õli, õhutolm, geelid, aurud, sulamid, udu, sool.
Kolmapäevane etapp
G - gaasiline aine;JA - vedel aine;T - tahke
4.
Suspensioonide ja emulsioonide sarnasus on järgmine:
need on heterogeensed süsteemid
osakesed on palja silmaga nähtavad
need kukuvad kergesti maha
kõik vastused on õiged
5.
Emulsioon on:
piim
vaht
tarretis
udu
6.
Jämedate süsteemide hulka kuuluvad:
lahendus
sol
peatamine
geel
7.
Keraamiliste toodete hajutatud faas on:
1) tahke
2) gaas
3) vedelik
4) oleneb keraamikatoote tüübist
8.
emulsioonide hulka kuuluvad:
1) koor
2) jõemuda
3) värviline klaas
4) tekstiilriie
9.
Gaseeritud jookide dispergeeritud faas:
1) lämmastik
2) vesi
3) süsinikdioksiid
4) hapnik
10.
Täpsustage joonis, mis illustreerib Tyndalli efekti kolloidsetes ja tõelistes lahustes:
11.
Aerosool on:
1) pulber
2) tolmupilv
3) juukselakk
4) kõik vastused on õiged
12.
Kromatograafia on:
meetod heterogeensete segude eraldamiseks
hajutatud süsteemi tüüp
dispersioonikeskkond
homogeensete segude eraldamise meetod
13.
Emulsioon on süsteem, mille moodustavad:
1) tahke ja gaasiline
2) kaks erinevat vedelikku
3) vedelik ja gaas
4) vedel ja tahke
14.
Looge vastavus hajutatud süsteemide näidete ja nende nimede vahel:
DISPERSIIVNE SÜSTEEM
NÄIDE
1) peatamine
A) piim
2) emulsioon
B) munavalge
3) kolloidlahus
B) muda suspensioon
4) lahendus
D) suhkrulahus
VASTUSTE STANDARDID
1. PEATÜKK
PINNAKIHI KONSTRUKTSIOONILISED OMADUSED. PIND PINEVUS
1.1. Gibbsi pinnaenergia. Pind pinevus
Liidespind saab eksisteerida ainult siis, kui süsteemis on vedel või tahke faas. Need määravad pinnakihi kuju ja struktuuri - üleminekupiirkonna ühest faasist teise.
Iga tahke või vedel aine koosneb lihtsaimal juhul sama tüüpi molekulidest. Nende pinnal olevate molekulide olek erineb aga tahkes või vedelas faasis olevate molekulide olekust, kuna neid ei ümbritse igast küljest muud sarnased molekulid. Pinna molekulid tõmmatakse vedelasse või tahkesse ainesse, kuna need tunnevad suuremat külgetõmmet kondenseerunud faasi põhiosa molekulide poolt kui pinna teisel poolel olevate gaasimolekulide poolt. See külgetõmme põhjustab pinna kokkutõmbumise nii palju kui võimalik ja selle tulemuseks on teatud jõud, mida nimetatakse jõuks pind pinevus.
Seetõttu omandavad vedelad ja tahked kehad spontaanselt minimaalse võimaliku mahu ega ole praktiliselt alluvad kokkusurumisele ning nende venitamine ja rebenemine nõuavad märkimisväärsel hulgal energiat.
See pinnakihile antud ja selle stabiilsust määrav energia on J. W. Gibbsi järgi nn. vaba pinnaenergia G S , võrdeline faasiliidese pindalaga:
G S = S , (1.1)
kus on proportsionaalsuse koefitsient, nn pind pinevus. füüsiline tähendus - vaba pinnaenergia faasiliidese pindalaühiku kohta või muul juhul faasiliidese pindalaühiku pööratava isotermilise moodustamise töö. SI mõõde - J/m2.
Pindpinevust võib käsitleda ka jõuna, mis mõjub pinnakontuuri pikkuseühiku kohta ja mis kaldub vähendama pinda miinimumini antud faasimahtude suhte korral. Sel juhul mõõde seda on mugavam väljendada N/m.
Pindpinevuse olemasolu seletab selliseid üldtuntud fakte: veepiisad ei tungi läbi väikeste aukude ja pilude vihmavarju- või telgiriide niitide vahel; veepinnal võivad joosta vesiämblikud ja putukad, mida toetab nähtamatu pinnakiht, vihma- või udupiisad muutuvad kerakujuliseks jne.
Tahke või vedela keha purustamisel suureneb pindade kogupind, mille tõttu pinnale ilmub üha suurem osa selle molekule ja molekulide osakaal ruumalas väheneb. Seega, mida väiksemad on osakesed, seda suurem osa termodünaamilistest funktsioonidest, sealhulgas osakese Gibbsi energiast, kuulub pinnamolekulidele.
1.2. Vaba pinnaenergia vähendamise viisid
Kõik süsteemid, sealhulgas hajutatud süsteemid, kalduvad tasakaalustuma. Füüsikalise keemia käigust on teada, et sel juhul on alati kalduvus Gibbsi energia spontaansele vähenemisele. G
. See kehtib ka hajutatud süsteemide vaba pinnaenergia kohta G
S
.
Sel juhul vastavalt võrrandile (1.1) väheneb G S saab saavutada järgmistel viisidel:
a) Pindpinevuse konstantsel väärtusel liidese liidese vähendamisega:
G S = S .
Liidese ala vähendamist saab omakorda läbi viia kahel viisil:
Sellise geomeetrilise kujuga osakeste spontaanne omaksvõtt, mis vastab minimaalsele vaba pinnaenergiale. Nii et välise jõu mõju puudumisel muutub vedelikutilk palli kujul.
Väikeste osakeste ühendamine (agregeerimine) suuremateks osakesteks (agregaatideks). Sel juhul saavutatakse palju suurem energiakasv, kuna kombineerimisel väheneb faasiliides väga oluliselt.
Sellest järeldub, et omades suurt pinnaenergiat, hajutatud süsteemid on põhimõtteliselt agregatiivselt ebastabiilsed ja kalduvad hajutamise astme spontaansele vähenemisele, kombineerides hajutatud faasi osakesi.
b) Faasi liidese konstantsel alal pindpinevust vähendades:
G S = S .
Paljudel juhtudel, sealhulgas ravimvormide valmistamisel, kui on vaja säilitada süsteemis dispergeeritud faasi osakeste suurus, on liidese pinge vähendamine kõige olulisem ja sageli ka ainus viis dispersiooniastme säilitamiseks.
Pindpinevuse vähenemine saavutatakse hajutatud süsteemi sisestamisega pindaktiivsed ained (pindaktiivset ainet), millel on võime koonduda (adsorbeeruda) liidesele ja nende olemasolu tõttu vähendada pindpinevust.
1.3. Pindaktiivsed ained
Pindpinevuse alandamise võime on asümmeetriliste orgaaniliste ainetega, difiilne molekulid, mis sisaldavad nii polaarseid (hüdrofiilseid) kui ka mittepolaarseid (lipofiilseid) rühmi. Hüdrofiilsed rühmad (-OH, -COOH, -SO 3 H, -NH 2 jne) tagavad pindaktiivse aine afiinsuse vees, hüdrofoobsed (tavaliselt süsivesinikradikaalid, nii alifaatsed kui aromaatsed) - pindaktiivse aine afiinsuse mittepolaarse keskkonna suhtes. Pindaktiivse aine sisemine pindpinevus peab olema väiksem kui konkreetse tahke aine või vedeliku pindpinevus. Faasipiiril olevas adsorptsioonikihis on amfifiilsed molekulid orienteeritud energeetiliselt kõige soodsamal viisil: hüdrofiilsed rühmad - polaarse faasi poole, hüdrofoobsed - mittepolaarse poole.
Graafiliselt on pindaktiivse aine molekuli tähistatud sümboliga , milles ring tähistab hüdrofiilset rühma ja tulp hüdrofoobset rühma.
1.4. Pindaktiivsete ainete klassifikatsioon
Molekulaarse suuruse järgi
Pindaktiivsed ained jagunevad suure molekulmassiga (näiteks valgud) ja madala molekulmassiga (valdav enamus pindaktiivseid aineid on loetletud muudes klassifikatsioonides).
Vastavalt hüdrofiilsete rühmade tüübile eristama mitteioonsed (mitteioonsed) ja iooniline (ionogeenne) pindaktiivset ainet.
Mitteioonsed ained esinevad lahuses dissotsieerumata molekulide kujul (nt tweenid või sorbitaalid, alkoholid).
Ioonid dissotsieeruvad lahuses ioonideks, millest mõnel on tegelikult pinnaaktiivsus, teistel aga mitte. Sõltuvalt pindaktiivse iooni laengu märgist jagatakse pindaktiivsed ained katioonaktiivne, anioon aktiivne ja amfoteerne.
Praktikas kasutatakse kõige sagedamini anioonseid pindaktiivseid aineid: karboksüülhapped ja nende soolad (seebid), alküülsulfaadid, alküülsulfonaadid, alküülarüülsulfonaadid, fenoolid, tanniinid jne.
Tähtsuselt teisel kohal on mitteioonsed pindaktiivsed ained - alifaatsed alkoholid, nende erineva iseloomuga polüoksüetüleeetrid, lipiidid.
Oluliselt väiksem, kuid pidevalt kasvav osa pindaktiivsete ainete tootmises langeb katioonsetele (peamiselt alküülamiinide derivaadid, primaarsed, sekundaarsed ja tertsiaarsed) ja amfoteersele pindaktiivsele ainele (näiteks aminohapped, valgud). Paljud alkaloidid on ka katioonsed pindaktiivsed ained.
Käitumine lahuses kõik pindaktiivsed ained jagunevad tõeliselt lahustuv ja kolloidne (või mitsellaarne, MPAV). Esimesse rühma kuulub suur hulk vees lahustuvaid amfifiilseid orgaanilisi ühendeid väikeste süsivesinikradikaalidega (alkoholid, fenoolid, madalamad karboksüülhapped ja nende soolad, amiinid). Seda tüüpi ained esinevad lahuses eraldi molekulide või ioonidena kuni nende lahustuvusele vastavate kontsentratsioonideni.
Eriti huvitavad on kolloidsed pindaktiivsed ained. Neid kasutatakse praktikas kõige laialdasemalt, sealhulgas hajutatud süsteemide stabiliseerimiseks, ja neid mõistetakse peamiselt termini pindaktiivsed ained all. Nende peamine eristav omadus on võime moodustada termodünaamiliselt stabiilset ( lüofiilne) heterogeensed hajutatud süsteemid - mitsellaarsete pindaktiivsete ainete lahused. MPAS-i molekulides on minimaalne C-aatomite arv 8–12, st nendel ühenditel on küllaltki suur süsivesinikradikaal.
1.5. Pindaktiivsete ainete pealekandmine
Pindaktiivseid aineid kasutatakse flotatsioonireagentidena, dispergaatoritena, emulgaatoritena, detergentidena, tulekustutuskompositsioonide komponentidena, kosmeetikatoodetena jne. Pindaktiivsetel ainetel on oluline roll bioloogilistes protsessides.
Farmaatsias kasutatakse pindaktiivseid aineid peamiselt meditsiiniliste seepide ja ravimvormide, näiteks emulsioonide, suspensioonide, kolloidsete lahuste, solubiliseeritud süsteemide stabilisaatorite kujul.
Meditsiinilisi seepe kasutatakse pesu-, desinfitseerimis- ja dermatoloogiliste ainetena. Need on tavaliste naatrium- ja kaaliumseepide segud värvainete, lõhnaainete ja erinevate desinfektsioonivahendite või ravimitega (näiteks roheline seep, tõrv, ihtiool, karbool-, väävel-, klorofenool-, sulseenseebid).
Apteekides kasutatavate ravimvormide stabilisaatoritena sellised kõrge molekulmassiga looduslikud pindaktiivsed ained nagu valgud (sh želatiin), kummid, madala molekulmassiga looduslikud ained - saponiinid, palmitaat, naatrium- või kaaliumlauraat, samuti sünteetilised pindaktiivsed ained - tweenid (sorbitaalid) jne. kasutatakse.
Igapäevaelus laialdaselt kasutatavad pesuvahendid (tegelikult seebid, šampoonid, nõudepesuvahendid, pesupulbrid jne) on valmistatud pindaktiivsete ainete nagu naatrium- (või kaalium)stearaat, oleaat ja palmitaat, aga ka sulfanooli derivaatide ( paar-naatriumdodetsüülbenseensulfonaat).
Twin-80 sulfanool
1.6. Pindpinevuse isoterm. Võrrand
Šiškovski
Pindaktiivsete ainete lahuste pindpinevuse sõltuvust nende kontsentratsioonist väljendatakse igal konstantsel temperatuuril isotermidega. Sellise isotermi üldvaade on näidatud joonisel fig. 1.1. Pindpinevus isoterm väljub punktist
0
y-teljel, mis vastab puhta lahusti pindpinevusele. Pindaktiivse aine kontsentratsiooni kasvades pindpinevus järk-järgult väheneb, saavutades teatud minimaalse konstantse väärtuse, mis on iseloomulik igale antud pindaktiivsele ainele.
Riis. 1.1. Pindpinevusisotermi üldvaade
Pindpinevuste isoterme saab kirjeldada B. Shishkovsky võrrandi (1908) abil:
,
kus - pindaktiivse aine lahuse pindpinevus; - pindaktiivse aine lahuse pindpinevuse alandamine kontsentratsiooniga FROM Võrreldes 0 - lahusti (nt vee) pindpinevus antud temperatuuril; a ja b - konstandid. Püsiv a iseloomulik igale homoloogsele seeriale; koefitsient b iga pindaktiivse aine puhul individuaalne.
1.7. Pindaktiivse aine omadused: pinnaaktiivsus, hüdrofiilne
lipofiilne tasakaal
Pindaktiivsete ainete võimet pindpinevust alandada saab iseloomustada pinna aktiivsus, mis sõltub peamiselt pindaktiivse aine molekulis oleva süsivesinikradikaali pikkusest. Pinnaaktiivsus on pindaktiivse aine lahuse pindpinevus selle kontsentratsiooni suhtes
Miinusmärk näitab, et pindaktiivse aine kontsentratsiooni suurenedes väheneb selle lahuse pindpinevus.
Tõeliselt lahustuvate pindaktiivsete ainete puhul määrab pindaktiivsuse pindpinevusisotermi alglõik (joonis 1.2) kontsentratsioonil, mis kaldub nullile.
Riis. 1.2. Pindaktiivsete ainete pindaktiivsuse määramine isotermi järgi
pind pinevus
Selle leidmiseks tõmmatakse pindpinevusisotermile vastavas punktis puutuja 0 . Puutujat pikendatakse, kuni see lõikub kontsentratsiooniteljega. Pinnaaktiivsus arvutatakse x-telje puutuja kalde puutujana:
.
Mitselle moodustavate pindaktiivsete ainete puhul saab pindaktiivsuse arvutada valemi abil
,
kus 0 ja min - vastavalt puhta lahusti pindpinevus ja pindpinevuse väikseim konstantne väärtus mitsellistumise kriitilise kontsentratsiooni saavutamisel (vt punkt 1.8).
Pinnaaktiivsuse sõltuvust pindaktiivsete ainete molekulide struktuurist kirjeldab P. E. Duclose - I. Traube reegel:
Pindaktiivse aine molekulis oleva süsivesinikradikaali pikkuse suurenemine ühe -CH rühma võrra 2 viib pinnaaktiivsuse suurenemiseni 3-5 korda (ligikaudu 3,2 korda).
Seda reeglit järgitakse peamiselt tõeliselt lahustuvate pindaktiivsete ainete, näiteks madalamate karboksüülhapete ja alifaatsete alkoholide vesilahuste puhul. Orgaanilise keskkonna puhul on Duclos-Traube'i reegel vastupidine, st pinnaaktiivsus väheneb süsivesinikradikaali pikkuse suurenedes.
Teine oluline pindaktiivsete ainete kvantitatiivne omadus on hüdrofiilne-lipofiilne tasakaal (GLB). Seda väljendatakse mõõtmeteta arvudes. :
,
kus ( b + ) on pindaktiivse aine molekuli mittepolaarse osa afiinsus (Gibbsi interaktsioonienergia) vedeliku süsivesiniku suhtes ( b on koefitsient, mis sõltub pindaktiivse aine olemusest, - afiinsus rühma kohta CH 2 , - rühmade arv CH 2 süsivesinikradikaalis); a on polaarrühma afiinsus vee suhtes.
Mida kõrgem on pindaktiivse aine hüdrofiilsus, seda suurem on selle HLB. HLB numbrite skaala (D. Davis, 1960. aastad; Griffin) on vahemikus 1 kuni 40. HLB numbrit sellel skaalal saab arvutada pindaktiivse aine molekulis sisalduva igale aatomirühmale määratud rühmanumbrite summaga:
HLB = hüdrofiilsete rühmade arvud +
+ hüdrofoobsete rühmade arv + 7
Siin on mõned grupinumbrid Griffini järgi:
|
hüdrofiilsed rühmad |
||||
|
SOOK |
COONa |
-COOH |
- Oh |
=O |
|
21,1 |
19,1 |
2,4 |
1,9 |
1,3 |
|
hüdrofoobsed rühmad |
||||
|
=CH |
CH 2 |
- CH 3 |
=C= | |
|
0,475 |
0,475 |
0,475 |
0,475 | |
HLB praktilisel määramisel kasutatakse nn võrdluspunkte, milleks on mõnede pindaktiivsete ainete HLB numbrid: oleiinhape - 1, trietanoolamiin - 12, naatriumoleaat - 18.
Kuigi HLB kontseptsioon on üsna formaalne, võimaldab see pindaktiivsete ainete kasutusalad ligikaudselt määrata. Näiteks:
1.8. Mitselliseerumine MPAS-lahustes. kriitiline
mitsellide kontsentratsioon. lahustumine
Mitsellare moodustavad pindaktiivsed ained esinevad väikestes kontsentratsioonides lahustes üksikute molekulide või ioonide kujul. Lahuse kontsentratsiooni suurenedes assotsieeruvad nende molekulid (ioonid) üksteisega, moodustades alguses dimeere, trimeere ja muid assotsieerunud aineid. Pärast iga pindaktiivse aine teatud kontsentratsiooni ületamist, mida nimetatakse kriitiliseks mitsellikontsentratsiooniks (CMC), eksisteerivad pindaktiivsed ained lahuses spetsiaalsete moodustiste, mida nimetatakse mitsellideks, kujul. Enamiku pindaktiivsete ainete puhul jääb CMC vahemikku 10–5–10–2 mol/l.
Pindaktiivse aine mitselli all mõistetakse amfifiilsete molekulide agregaati, mille lüofiilsed rühmad on muudetud vastavaks lahustiks ja lüofoobsed rühmad on omavahel ühendatud, moodustades mitselli tuuma. Mitsellide moodustumise protsess on pöörduv, kuna lahuse lahjendamisel lagunevad mitsellid molekulideks ja ioonideks.
Vesilahustes, mille kontsentratsioon ületab veidi CMC-d, moodustuvad sfäärilised mitsellid ("Hartley mitsellid"). Gartley mitsellide sisemine osa koosneb omavahel põimuvatest süsivesinikradikaalidest ja pindaktiivsete ainete molekulide polaarsed rühmad muudetakse vesifaasiks. Selliste mitsellide läbimõõt on ligikaudu võrdne pindaktiivse aine molekulide kahekordse pikkusega. Molekulide arv mitsellis (agregatsiooniaste) kasvab teatud piirini (tavaliselt 30–100 molekuli), misjärel see kontsentratsiooni edasisel suurenemisel ei muutu, kuid mitsellide arv suureneb.
Kõrgematel kontsentratsioonidel interakteeruvad Gartley mitsellid üksteisega, mis viib nende deformatsioonini. Neil võib olla silindriline, kettakujuline, vardakujuline, lamellkujuline ("McBaini mitsellid"). CMC-st ligikaudu 10–50 korda suuremate kontsentratsioonide korral (nn CMC 2) omandavad mitsellid ahelorientatsiooni ja on võimelised koos lahustimolekulidega moodustama želatiinse keha. Kui sellistele kontsentreeritud pindaktiivsete ainete mitsellilahustele lisada neutraalseid sooli (NaCl, KCl, NH 4 NO 3 jne), jätavad soolad mitsellidelt ilma hüdratatsioonikestasse sisenevast veest (dehüdreerivad mitsellid) ja hõlbustavad mitsellide assotsieerumist. Sellisel juhul sadestub või hõljub pindaktiivne aine olenevalt tihedusest pinnale. Sellist pindaktiivsete ainete vabanemist mitsellilahustest nimetatakse väljasoolamine.
Mittevesikeskkonnas tekivad mitsellimise käigus “ümberpööratud” mitsellid, mille keskosas paiknevad polaarsed rühmad, mida ümbritseb perifeeria süsivesinikradikaalide kiht. Sellised mitsellid sisaldavad tavaliselt oluliselt vähem pindaktiivsete ainete molekule (30–40) kui vesikeskkonnas.
Antud keskkonnas lahustumatute ainete lisamisel pindaktiivsete ainete, eriti vedelate, mitsellaarsetele lahustele ja segamisel on võimalik lahustumine, see tähendab nende ainete molekulide tungimist mitsellidesse. Niisiis lahustatakse süsivesinikud ja rasvad seepide ja valkude vesilahustega (otsene solubiliseerimine), vesi ja polaarsed ained solubiliseeritakse pindaktiivsete ainete mitsellaarsete lahustega mittepolaarsetes orgaanilistes lahustites (pöördsolubiliseerimine).
Solubiliseerimise fenomeni kasutatakse ravimitehnoloogias vedelate ravimvormide valmistamiseks vees lahustumatust ainest. Selliseid ravimvorme nimetatakse solubilisaatideks ja vees lahustumatuid raviaineid (näiteks rasvlahustuvaid vitamiine), mis on mitsellide osad, nimetatakse solubilisaatideks. Selliseid ravimvorme tuleks siiski kasutada ettevaatusega, kuna nende lahjendamisel lagunevad pindaktiivsete ainete mitsellid, mille tulemusel vabanevad suured solubilisaadi tilgad või terad.