Коагуляция золя железо (III) гидроксида под влиянием электролитов
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
для проведения занятия со студентами I курса
лечебного факультета по общей химии
Тема № 16: Физико-химия дисперсных систем
Время: 3 часа
1. УЧЕБНЫЕ И ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ:
Познакомить студентов-медиков со строением, способами получения, методами очистки и физико-химическими свойствами дисперсных систем, обратив особое внимание на биологическое значение коллоидных растворов in vivo.
МОТИВАЦИЯ ДЛЯ УСВОЕНИЯ ТЕМЫ:
Коллоидные растворы играют важную роль в процессах жизнедеятельности организмов. Так, например, коллоидной системой является протоплазма живых организмов, в которой содержатся различные лиофильные вещества (белки, гликоген, фосфолипиды), молекулы которых прочно удерживают воду. В организме человека и животных в коллоидном состоянии находятся белки – важнейшая составная часть всех живых клеток. В коллоидном состоянии проявляют свою высокую каталитическую активность ферменты – биологические катализаторы. Коллоидными растворами являются многие лекарственные препараты.
ТРЕБОВАНИЯ К ИСХОДНОМУ УРОВНЮ ЗНАНИЙ:
а) понятие о дисперсных системах;
б) истинные и коллоидные растворы.
В результате проведения занятия студент должен:
1) знать:
· понятие о дисперсных системах, их классификацию;
· способы получения и очистки коллоидных растворов;
· строение мицеллы лиофобных золей, стабилизированных электролитами;
· молекулярно-кинетические и оптические свойства коллоидных систем;
· электрокинетические явления, в частности электрофорез и электроосмос, а также их применение в биологии и медицине;
· теоретические основы устойчивости и коагуляции лиофобных золей, закономерности коагуляции под действием электролитов;
· теоретические основы кинетики коагуляции, понятие о пороге коагуляции, правило Шульце-Гарди.
2) уметь:
· давать характеристику коллоидных систем в сравнении с грубодисперсными и истинными растворами;
· составлять формулы мицеллы лиофобных золей, объяснять причину их устойчивости;
· указывать направления движения коллоидной частицы при электрофорезе;
· излагать теоретические основы устойчивости и коагуляции лиофобных золей;
· определять, какой ион электролита-коагулятора будет оказывать коагулирующее действие на золь;
· сопоставлять коагулирующую способность электролитов;
· уметь рассчитывать порог коагуляции электролита в соответствии с правилом Шульце-Гарди.
· уметь готовить коллоидные растворы железо (III) гидроксида реакцией гидролиза и берлинской лазури реакцией обмена;
· проводить коагуляцию полученных золей под действием электролитов.
2. СВЯЗЬ СО СМЕЖНЫМИ ДИСЦИПЛИНАМИ:
Знания о строении и свойствах дисперсных систем, о коагуляции золей и о коллоидной защите потребуются студентам при изучении курсов медицинской физики и биологии, фармакологии, нормальной и патологической физиологии, а также при изучении клинических дисциплин.
3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ ЗАНЯТИЯ:
3.1 Дисперсные системы. Их классификация.
3.2 Характеристика коллоидных систем; их отличие от суспензий и истинных растворов.
3.3 Методы получения и очистки коллоидных растворов.
3.4 Электрокинетические явления. Электрофорез, электроосмос. Применение электрофореза в биологических и медицинских исследованиях.
3.5 Строение коллоидных частиц лиофобных золей.
3.6 Устойчивость и коагуляция лиофобных золей. Основные закономерности коагуляции под действием электролитов. Кинетика коагуляции. Порог коагуляции. Правило Шульце-Гарди.
4. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЗАНЯТИЯ:
Лабораторная работа № 1
Получение коллоидного раствора (золя) железо (III) гидроксида
реакцией гидролиза
Налейте в коническую колбу на 250 мл 150 мл дистиллированной воды, отмеренной мерным цилиндром. Нагрейте воду до кипения на электроплитке. Не снимая колбы, выключите плитку и при помощи пипетки влейте в воду 5 мл концентрированного раствора железо (III) хлорида. Происходит гидролиз FeCl3, в результате чего образуется коллоидный раствор железо (III) гидроксида интенсивного красно-коричневого цвета.
Полученный золь охладите под краном до комнатной температуры. Если необходимо, то отфильтруйте охлажденный раствор через складчатый фильтр. Золь должен быть прозрачным в проходящем свете!
ФОРМА ОТЧЕТА:
1. Напишите уравнение реакций получения золя железо (III) гидроксида.
2. Составьте формулу мицеллы золя Fe(OH)3.
3. Каков знак заряда коллоидных частиц железо (III) гидроксида?
Лабораторная работа № 2
Определение порога коагуляции полученного золя Fe(OH)3
Чтобы определить порог коагуляции золя железо (III) гидроксида, приготовьте растворы электролитов KCl, K2SO4 и K3[Fe(CN)6] с убывающей концентрацией. Для этого возьмите три ряда пробирок по 6 штук и налейте в пробирки каждого ряда заданный объем дистиллированной воды и заданный объем раствора электролита в соответствии с таблицей 1. После этого добавьте в каждую пробирку, по возможности одновременно, по 5 мл золя. Содержимое пробирок перемешайте стеклянными палочками и запишите время начала опыта. Оставьте растворы на 30 мин. для прохождения явной коагуляции, и приготовьте контрольный раствор путем сливанием в пробирке 5 мл дистиллированной воды и 5 мл золя.
О протекании коагуляции золя или ее отсутствии судят, сопоставляя контрольную и исследуемые пробирки. О начале коагуляции свидетельствует помутнение растворов или выпадение осадка. В таблице 1 отметьте наличие коагуляции в пробирке знаком "+", а отсутствие коагуляции − знаком "–".
Суммарный объем растворов в каждой пробирке составляет 10 мл, следовательно, концентрация золя во всех пробирках одинакова. Если СМ – молярная концентрация раствора электролита, а V – минимальное число мл этого электролита, достаточное для коагуляции 10 мл золя, то произведение СV – это число миллимоль электролита, добавленного к 10 мл золя.
Для пересчета на 1 л золя, произведение СV надо умножить на 100. Соответственно порог коагуляции можно рассчитать по уравнению:
γ = СV∙100, ммоль/л
ФОРМА ОТЧЕТА:
1. Внесите данные о полученных результатах в таблицу 1.
2.Отметьте, какие ионы предложенных электролитов-коагуляторов оказывают коагулирующее действие на золь Fe(OH)3.
3. Рассчитайте пороги коагуляции золя Fe(OH)3 для каждого электролита-коагулятора.
Таблица 1
Коагуляция золя железо (III) гидроксида под влиянием электролитов
Время начала опыта ....... час. ....... мин.
Время окончания опыта ....... час. ....... мин.
| Ряд проби-рок | Коагулятор | Порог коагуля- ции, моль/л | Номер пробирки | ||||||
| Электролит | Ион | ||||||||
| KCl (3,0 М) | Cl‾ | ||||||||
| K2SO4 (0,005 M) | SO22‾ | ||||||||
| K3[Fe(CN)6] (0,0005 M) | [Fe(CN)6]3‾ | ||||||||
| Объем, мл | Дистиллированная вода | 4,5 | |||||||
| Раствор электролита | 0,5 | ||||||||
| Золь железо (III) гидроксида |
5. ХОД ЗАНЯТИЯ:
КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ – это растворы, в которых растворенное вещество (дисперсная фаза) находится в растворе в виде крупных частиц (диаметром 10ˉ7-10ˉ9 м) или 1-100 Нм.
Резкой границы между истинными и коллоидными системами нет, т.к. одно и тоже вещество, в зависимости от природы растворителя, может давать как истинный, так и коллоидный раствор. Например, NaCl в Н2О – истинный раствор, NaCl в спирте – коллоидный раствор.
Коллоидные растворы являются гетерогенными (неоднородными) системами, так как каждая частица дисперсной фазы отделена со всех сторон от дисперсной среды поверхностью раздела. Большая поверхность раздела создает избыток свободной поверхностной энергии, которая делает эти системы термодинамически неустойчивыми. Коллоидные растворы не образуются самопроизвольно.
Для получения устойчивой коллоидной системы необходимо наличие стабилизатора в виде небольшой добавки электролита, один из ионов которого адсорбируется на коллоидных частицах и сообщает им стабилизирующий их одноименный заряд.
Коллоидные системы с жидкой дисперсной средой называютсяЗОЛЯМИ.
Все коллоидные системы делятся на 2 вида: лиофобные и лиофильные или гидрофобные и гидрофильные, если дисперсионная среда – Н2О.
Гидрофобные золи образуются в результате дробления более крупных частиц и являются термодинамически неустойчивыми.
Гидрофильные системы образуются самопроизвольно, следовательно термодинамически устойчивые. В этих системах частицы дисперсной среды могут состоять из небольших молекул или представлять одиночные молекулы большой массы. Гидрофильные золи (белки, полисахариды, нуклеотиды) обладают высоким сродством к дисперсной среде и представляют большой интерес с точки зрения биологии и медицины.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗОЛЕЙ
Гидрофобные золи получают 2-мя методами:
I метод диспергирования или дисперсионный (дробление);
II метод конденсации (укрупнения).
Методы диспергирования осуществляются путем механического, электрического или ультразвукового дробления веществ до размеров коллоидных частиц. Для этих целей используют специальные коллоидные мельницы.
Конденсационные методы основаны на переходе молекулярных и ионных растворов в коллоидные путем образования труднорастворимых веществ в результате химических реакций или изменения физических условий среды.
К методам конденсации относятся:
1) химические методы (гидролиз, реакция двойного обмена, окисление-восстановление);
2) методы замены растворителя, когда дисперсионная среда, в которой вещество дисперсной фазы образует молекулярный раствор, заменяется средой, в которой вещество нерастворимо.