Свойства коллоидных систем (1)

1.

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ХИМИИ
Свойства коллоидных систем
1. Электрические свойства коллоидных систем.
2. Молекулярно-кинетические свойства
коллоидных систем.
3. Оптические свойства коллоидных систем.
Лектор: Ирина Петровна Степанова, зав. кафедрой химии, доктор
биологических наук, профессор

2.

Электрические свойства коллоидных
систем
Наличие электрического заряда на коллоидных частицах
впервые было установлено Ф.Ф. Рейссом (1807г.).
В слой влажной глины Ф. Рейсс помещал две стеклянные трубки
заполненные водой. В трубки опускал электроды, подключенные к
источнику постоянного тока.
Через некоторое время в анодной
трубке наблюдалось понижение уровня
и помутнение вследствие появления
суспензии из частиц глины . В катодной
трубке уровень воды повышался.
Коллоидные частицы глины несут
отрицательный
заряд,
так
как
перемещаются
к
положительно
заряженному электроду – аноду.

3.

Электрические свойства коллоидных систем
Перемещение
дисперсной
фазы
или
дисперсионной среды под действием внешнего
электрического
поля
называют
электрокинетическими явлениями.
Причина
электрокинетических
явлений
–
образование ДЭС на границе раздела дисперсной
фазы и дисперсионной среды и, как следствие,
наличие электрического заряда
у частиц
дисперсной фазы и дисперсионной среды.
агре
гат

4.

Электрокинетические явления
песок
вода
ток
мембрана
ток

5.

Электрофорез
Направленное
движение
частиц
дисперсной
фазы
относительно
неподвижной дисперсионной среды под
действием внешнего электрического поля
называют электрофорезом, а перемещение
дисперсионной
среды
относительно
неподвижной
дисперсной
фазы
–
электроосмосом.

6.

Электрические свойства коллоидных систем
Уравнение Гельмгольца-Смолуховского
0
U0
k l
где U0 – скорость электрофореза, м ∙ с-;
ε – относительная диэлектрическая проницаемость
среды;
ε0 – электрическая постоянная = 8,9∙10-12 Ф ∙ м-;
Δφ – разность потенциалов, В;
ζ – электрокинетический потенциал, В;
k – коэффициент, зависящий от формы частиц;
η – вязкость дисперсионной среды, Н ∙ с ∙ м-2 ;
l – расстояние между электродами, м.

7.

Электрические свойства коллоидных систем
Явления электрофореза и электроосмоса
позволяют определять знак и величину заряда
дисперсных частиц.
Установлено что поверхность биомембран несет
отрицательный заряд.
+
+
- -
+
+
+
-

8.

Электрические свойства коллоидных систем
Электрофорез широко используется в
биологии и медицине:
• для диагностики и лечения многих
заболеваний;
• разделения аминокислот и белков;
• изучения ферментов, антибиотиков и
других объектов.
Явления электроосмоса используют:
• для снятия отеков;
• в технике – для осушения болотистых
участков местности.

9.

Электрические свойства коллоидных систем
Лечебный электрофорез

10.

Электрические свойства коллоидных систем
Электрофорез
Разделение белковых фракций

11.

Молекулярно-кинетические свойства
коллоидных систем
Молекулярно-кинетические свойства
обусловлены хаотическим тепловым движением
частиц.
•броуновское движение
•диффузия
•осмос
•седиментация

12.

Броуновское движение
Броуновское движение – беспрерывное,
хаотичное движение частиц. Его
интенсивность зависит от размера частиц,
вязкости среды, температуры.

13.

Диффузия
Диффузия – процесс самопроизвольного
выравнивания
концентрации
диспергированного вещества под влиянием
теплового хаотичного движения частиц.
Скорость диффузии коллоидных частиц (из-за
больших размеров) во много раз меньше скорости
диффузии молекул и ионов низкомолекулярных
веществ. Поэтому по скорости диффузии можно
определить радиус и степень дисперсности
коллоидных частиц.

14.

Осмос
Осмос – это односторонняя диффузия
молекул чистого растворителя через
полупроницаемую мембрану из
раствора с меньшей концентрацией в
более концентрированный раствор.

15.

Oсмотическое давление
Осмотическое
давление
раствора
измеряется
минимальным
гидростатическим давлением,
которое нужно приложить к
мембране
со
стороны
раствора,
чтобы
осмос
прекратился.

16.

Осмотическое давление
Законом Вант-Гоффа
π = КБ · Сν · Т
π – осмотическое давление [Па];
КБ – константа Больцмана, КБ = 1,38 · 10-23 Дж· К-1;
Сν – частичная концентрация частиц золя [м-3];
Т – абсолютная температура [К].
Осмотическое давление коллоидных
растворов имеет особенности:
•является низким (из-за больших размеров
частиц и низкой концентрации);
•меняется во времени (из-за агрегации
коллоидных частиц).

17.

Седиментация
Седиментацией называется оседание
коллоидных частиц под действием сил
разной природы (гравитационной,
центростремительной и др.).

18.

Седиментация
Состояние системы, при котором сила тяжести и
сила диффузии уравновешивают друг друга
называется седиментационным равновесием.
Молекулы растворителя
препятствуют оседанию
Коллоидные частицы
оседают под действием
силы тяжести

19.

Седиментационное равновесие
n0 – общее число коллоидных частиц;
nh – число коллоидных частиц на высоте h;
NA=6,02 ·1023 моль-1, постоянная Авогадро;
m – масса частиц [кг];
g – ускорение свободного падения, g = 9,8 м · c-2;
h – высота [м];
R – универсальная газовая постоянная
T – абсолютная температура [К].

20.

Седиментационная устойчивость
Из уравнения следует, что с увеличением высоты
концентрация коллоидных частиц уменьшается
(более выражена эта зависимость для тяжелых
частиц).
Способность дисперсной системы
сохранять
равномерное
распределение частиц по всему
объему
называется
седиментационной или кинетической
устойчивостью.

21.

Седиментационная устойчивость
Цельную
кровь
можно
рассматривать
как
дисперсную
систему,
в
которой
форменные
элементы: эритроциты, лейкоциты, тромбоциты
составляют ДФ, а плазма – ДСр.
Эритроциты достаточно крупные частицы. В
норме
они
седиментируют
с
определенной
скоростью (СОЭ).
При
патологии
биохимический состав крови
меняется.
Эритроциты
сорбируют
крупные
молекулы белков, их масса
увеличивается и поэтому
СОЭ возрастает.

22.

Оптические свойства коллоидных систем
Для
коллоидных
систем
диаметр
частиц
примерно равен длине волны падающего света. В
этом случае преобладает дифракционное рассеяние
света, так как каждая коллоидная частица
становится вторичным источником света.
Коллоидные растворы
серебра, золота, серебразолота
Эффект Тиндаля

23.

Оптические свойства коллоидных систем

24.

Оптические свойства коллоидных систем
При боковом освещении коллоидного
раствора образуется светящийся конус,
получивший название конуса Тиндаля-Фарадея.

25.

Оптические свойства коллоидных систем
Математически рассеяние света выражают
уравнением Рэлея:
I – интенсивность рассеяного света;
I0 – интенсивность падающего света;
Сν – частичная концентрация коллоидных частиц [м-3];
V – объем одной коллоидной частицы [м3];
λ – длина волны падающего света [м];
k – константа, зависящая от показателей преломления
ДСр и ДФ.

26.

Оптические свойства коллоидных систем
Из уравнения Рэлея следует, что интенсивность
светорассеяния обратно пропорционально длине волны.
Какая часть спектра лучше рассеивается?
Ответ: Лучше рассеивается
коротковолновая часть спектра (синяя и
фиолетовая), хуже – длинноволновая
(оранжево-красная).

27.

Оптические свойства коллоидных систем
Визуально наблюдают опалесценцию, т.е.
окраска коллоидных растворов в
рассеянном свете (при рассмотрении сбоку)
и в проходящем свете неодинакова.
Конус Тиндаля при рассмотрении сбоку
имеет голубой оттенок, на просвет –
красный.

28.

Оптические свойства коллоидных систем
Оптические явления лежат в основе методов
изучения дисперсных систем – нефелометрии и
ультрамикроскопии.
Нефелометрия – метод, используемый
для изучения дисперсных систем по
интенсивности рассеянного света, которая
прямо
пропорциональна
частичной
концентрации коллоидных частиц.

29.

Оптические свойства коллоидных систем
Коллоидные частицы
видны только в
ультрамикроскоп (прибор,
позволяющий наблюдать
отсветы частиц на темном
фоне при боковом освещении).

30.

Оптические свойства коллоидных систем
С помощью
ультрамикроскопа
экспериментально
подтверждены
броуновское
движение,
определено число
Авогадро.

31.

Оптические свойства коллоидных систем
электронный микроскоп

32.

Вопросы для самоконтроля
1. В чем сущность электрофореза и
электроосмоса?
2. В чем состоит сущность броуновского
движения, диффузии, осмоса?
3. Перечислите факторы, от которых
зависит интенсивность рассеянного
света.

33.

Спасибо
за
Ваше внимание!