Свойства лиофобных коллоидных растворов: молекулярно-кинетические, оптические, диализ, электродиализ

Основные свойства лиофобных золей связаны с их ультрамик-рогетерогенностью, т.е. мельчайшими размерами частиц дисперс­ной фазы, и огромной суммарной поверхностью раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Молекулярно-кинетические свойства (МКС). К ним отно­сятся свойства, связанные с тепловым движением частиц: бро­уновское движение, диффузия, осмос. Эти свойства зависят от размеров и массы частиц дисперсной фазы (броуновское движе­ние и диффузия), а также от числа частиц в единице объема системы (осмотическое давление). Так как размеры коллоидных частиц значительно больше размеров отдельных ионов и моле­кул, то, при одинаковой массовой концентрации, число колло­идных частиц в единице объема коллоидного раствора будет гораздо меньше, чем число молекул или ионов в единице объе­ма истинных растворов низкомолекулярных веществ. Этим объясняется тот факт, что МКС в коллоидных растворах выра­жены менее интенсивно, чем в истинных: скорость диффузии коллоидных частиц очень мала, осмотическое давление колло­идных растворов низкое. Так, осмотическое давление 1% ис­тинного раствора сахара составляет 79,5 кПа, а 1% коллоидно­го раствора сульфида мышьяка (3) As₂S₃ - всего 3,4×10^-3кПа.

Оптические свойства. Специфическим свойством коллоидных растворов является их способность рассеивать свет. Это обуслов­лено гетерогенностью коллоидных систем и размерами колло­идных частиц.

Грубодисперсные системы, размеры частиц в которых (r > > 10^-6 м) значительно превышают длины волн видимого света (𝝀 = (3,6-7,6)×10^-7 м), отражают свет и поэтому выглядят мутными. В истинных растворах низкомолекулярных веществ моле­кулы и ионы имеют размеры 10^-10-10^-9 м, что значительно меньше длин волн видимого света, поэтому они пропускают свет и являются прозрачными.

Если размеры коллоидных частиц (r = 10^-7-10^-6 м) соизме­римы с длинами волн видимого света, то такие коллоидные растворы рассеивают свет вследствие явления дифракции. Рас­сеяние света можно наблюдать при боковом освещении колло­идного раствора: в случае точечного источника света - в виде светящегося конуса (эффект Тиндаля), а при обычном боковом освещении - в виде голубоватой опалесценции раствора. Со­гласно закону Рэлея интенсивность рассеянного света I зависит от интенсивности I₀ и длины волны 𝝀 падающего света, объема частиц V и их концентрации с:

I = I_oK

где К - константа, зависящая от соотношения коэффициентов пре­ломления дисперсионной среды и дисперсной фазы.

Из этого выражения следует, что чем меньше длина волны падающего излучения, тем больше будет рассеяние. Этим объяс­няется голубоватая опалесценция при боковом освещении кол­лоидных растворов. Красный свет имеет наибольшую длину вол­ны (620-760 нм) в видимой части спектра и рассеивается в мень­шей степени. Поэтому запрещающие сигналы имеют красный цвет. Рассеянный солнечный свет, который образуется из-за аэрозоль­ных частиц в атмосфере, имеет голубую окраску и создает голубой цвет неба. На способности золей рассеивать свет основаны такие методы анализа, как нефелометрия и ультрамикроскопия, которые используются для определения концентрации частиц и их размеров в гетерогенных биологических средах.

Диализ. Биологические жидкости, как правило, содержат од­новременно вещества в коллоидном состоянии и в виде отдель­ных молекул и ионов. Очистка коллоидных растворов от истинно растворенных веществ основывается на том, что относительно крупные коллоидные частицы, в отличие от молекул и ионов, не проникают сквозь поры животных и растительных мембран. На практике в качестве мембраны используется пленка из колло­дия или целлофана (производные целлюлозы), а также кишеч­ная ткань.

Диализ - процесс очистки коллоидных растворов от ионов и молекул низкомолекулярных примесей в резуль­тате их диффузии в чистый растворитель сквозь полу­проницаемую мембрану.

Простейший способ диализа заключается в том, что коллоид­ный раствор помещают во внутренний сосуд, дно или стенки ко­торого представляют собой мембрану с избирательной проницае­мостью, погруженный во внешний сосуд с чистым растворителем (обычно вода). В результате диффузии молекулы и ионы, способ­ные проникать сквозь поры мембраны, переходят в наружный сосуд. В обычных условиях диализ протекает очень медленно. Для ускорения процесса необходимо увеличить градиент концен­траций растворенных веществ по обе стороны мембраны. Это легко осуществить периодической или непрерывной сменой рас­творителя в наружном сосуде (рис. 6.8 а).

Для ускорения очистки коллоидных растворов от ионов рас­творенных электролитов используют также метод электродиали­за. В этом случае во внешний сосуд помещают электроды и по­дают постоянный электрический ток (рис. 6.8 б).

Электродиализ - это диализ в условиях наложения по­стоянного электрического поля, под действием которого катионы и анионы приобретают направленное движе­ние к электродам. Электродиализ особенно эффективен при малых концентрациях удаляемого электролита, когда градиент концентраций невелик.

Рис. 6.8. Схемы диализатора (а) и электродиализатора (б):

1 - диализуемый коллоидный раствор; 2 - мембрана; 3 - подача рас­творителя; 4 - мешалка; 5 - электроды

В биологических жидкостях количественное определение низ­комолекулярных веществ часто проводят методом компенсаци­онного диализа, или вивидиализа. В этом случае биологическая жидкость в диализаторе омывается не чистым растворителем, а растворами с различными концентрациями определяемого ве­щества. Так, содержание сахара в сыворотке крови определяет­ся путем диализа сыворотки по сравнению с изотоническим раствором, к которому добавляют различные количества саха­ра. Концентрация сахара во внешнем растворе не изменяется лишь в том случае, когда она равна концентрации сахара в анализируемой сыворотке. Таким образом было выявлено нали­чие глюкозы и мочевины в крови.

По принципу диализа работает аппарат «искусственная поч­ка» (АИП), применяемый при острой почечной недостаточности, которая может наступить в результате отравления сулемой, суль­фаниламидными препаратами, при уремии после переливания крови, при тяжелых ожогах и т.п. АИП подключается к сис­теме кровообращения больного, и кровь протекает через систе­му, снабженную мембранами с избирательной проницаемостью, которые снаружи омываются физиологическим раствором. При этом кровь в процессе диализа очищается от вредных примесей, после чего поступает обратно в организм.