Глава 2. коллоидные системы

Коллоидными системами называют такие ультрамикродисперсные системы, в которых дисперсная фаза имеет частицы размером 10^-9÷10^-7м, равномерно распределенные в дисперсионной среде.

Коллоидные системы широко распространены в природе. Такие биологические жидкости, как: кровь, лимфа, плазма, спинномозговая жидкость представляют собой коллоидные системы, в которых в коллоидном состоянии находятся белки, гликоген, холестерин и другие вещества. Лекарственные средства, приготовленные в виде коллоидных систем, весьма эффективны (суспензии, эмульсии, коллоидные растворы, мази, кремы, пасты, аэрозоли). По-видимому, их коллоидное состояние обеспечивает слабое, но продолжительное действие малых доз вещества. Большое значение имеют коллоидные растворы и в промышленности: резиновой, текстильной, лакокрасочной, пищевой, бумажной, мыловаренной, в технологии пластмасс, строительстве, нефтехимии и др.

Классификация коллоидных систем, как разновидности дисперсных, приведена в предыдущей лекции. Коллоидные растворы с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой называют золями (solutus (лат) - растворённый). В биологических системах они наиболее распространены.

Термин «коллоиды» означает «клееподобные» (от греч. колла – клей и еидос – вид) введён в 1861 г. английским химиком Томасом Грэмом. Он разделял смеси веществ методом диализа – пропускания через полупроницаемые мембраны, и вещества, не проходящие при диализе через мембраны, назвал «коллоидами». В те времена полагали, что это особые вещества, которые невозможно получить в кристаллическом виде, в отличие от «кристаллоидов». В настоящее время доказано, что коллоидные системы отличаются от истинных растворов и от грубодисперсных систем только размерами частиц.

Коллоидные частицы больше молекул, но всё же они очень малы. Поэтому они:

– не оседают под действием силы тяжести;

– не видны глазом и в обычный микроскоп.

– проходят через обычные бумажные фильтры, но не проходят через

мембраны.

Характеристика коллоидных систем и условия их

Образования.

Поскольку коллоидные системы являются гетерогенными, а частицы имеют очень маленькие размеры, то суммарная поверхность всех частиц очень большая. И, следовательно, очень велика избыточная поверхностная энергия (согласно уравнению G = σ ∙ S). Поэтому лиофобные коллоидные системы (их свойства мы рассматриваем) термодинамически неустойчивы.

По второму закону термодинамики в коллоидных системах происходят самопроизвольные процессы, идущие с уменьшением поверхностной энергии Гиббса. Чаще всего это процессы слипания частиц, при которых уменьшается суммарная площадь поверхности. Однако в природе лиофобные коллоидные системы могут существовать длительное время без изменений. Это возможно только благодаря наличию стабилизатора на поверхности коллоидных частиц, препятствующего слипанию. Стабилизатором могут быть:

– ионы, которые сообщают частицам одинаковый заряд, благодаря чему частицы отталкиваются.

– либо это особые вещества – «коллоидная защита», которые изменяют полярность поверхности частиц и увеличивают их сродство к дисперсионной среде.

Любое вещество можно получить в коллоидном состоянии. Необходимо только соблюдать условия образования золей:

1. дисперсная фаза должна обладать плохой растворимостью в дисперсионной среде;

2. размеры частиц дисперсной фазы должны быть доведены до размеров коллоидных частиц, 10^–9 – 10^–7м;

3. растворы должны быть очень разбавлены;

4. необходим стабилизатор.

Способы получения

Поскольку коллоиды занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами, размеры частиц вещества доводят до коллоидных размеров двумя методами:

Методы

Диспергационные – Конденсационные –

дробление крупных частиц укрупнение мелких частиц

а) Диспергационные методы:

1. Механическое измельчение в шаровых (а) и коллоидных (б) мельницах (рис.2.1)

а) б)

Рис.2.1. Схема механического измельчения

В мельницу помещают куски дисперсной фазы, дисперсионную среду и стабилизатор. Шаровая мельница похожа на бетономешалку. Внутри нее перекатываются тяжелые металлические или фарфоровые шары и истирают дисперсную фазу. Коллоидная мельница подобна кофемолке или блендеру, где куски измельчаются, попадая между вращающимся ротором и неподвижным корпусом. Так чаще всего готовят лекарственные формы.

2. Ультразвуковое измельчение под действием быстро сменяющихся сжатий и расширений системы, приводящее к разрушению образца.

3. Электрический метод состоит в создании электрической дуги при сближении находящихся в воде металлических электродов. Материал электродов испаряется, а затем конденсируется в частицы коллоидных размеров. Так получают золи благородных металлов: серебра, платины, золота, например, лекарственный препарат серебра – протаргол.

Рис. 2.2. Получение золей металлов с помощью электрической дуги

.

4. Метод пептизации. Многие практически нерастворимые в воде рыхлые осадки могут переходить в коллоидный раствор при действии на них некоторых веществ – пептизаторов. Метод впервые предложили биохимики, получавшие коллоидные растворы пептидов расщеплением белков на более мелкие фрагменты – пептиды, с помощью фермента пепсина.

Пептизации в основном подвергаются свежеприготовленные рыхлые осадки гидроксидов металлов – Zn(OH)₂, Fe(OH)₃, добавлением пептизаторов – небольших количеств электролитов. В медицине этот метод используется для рассасывания атеросклеротических бляшек, свежих почечных и печеночных камней.

б) Конденсационные методы - физические и химические:

1) Физические.

– конденсация пара в газовой среде при резком охлаждении (например, образование тумана).

– метод замены растворителя. Для этого надо подобрать два смешивающихся между собой растворителя, в одном из которых вещество растворяется, а в другом нет. Например, если истинный раствор поваренной соли в этиловом спирте по каплям добавлять в эфир, в котором NaСl не растворяется, то образуется золь поваренной соли в эфире;

2) Химические

– с помощью химических реакций (окислительно-восстановительных, обмена, гидролиза и др.), идущих с образованием осадка. Реакцию нужно провести так, чтобы образовался коллоидный раствор. Например, золь сульфата бария получают по реакции BaCl₂ + K₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2KCl при избытке любого из исходных веществ. В условиях организма преобладает конденсационный механизм образования коллоидных систем.