Valore pratico della coagulazione. meccanismo di coagulazione. Coagulazione con sali di alluminio

I colloidi si dividono in "liofili" e "liofobici" o, nel caso di sol acquosi, in "idrofili" e "idrofobici". La stabilità dei sol idrofobici dipende in gran parte dalla carica sulle particelle, mentre per i sol idrofili questo è meno importante in quanto le particelle sono stabilizzate per "solvatazione" o "idratazione".

La silice colloidale è idrofila, anche se in determinate condizioni, quando la coagulazione delle particelle è causata dai sali, la silice è parzialmente idrofoba. Questi termini non sono così importanti in relazione alla silice, tranne nel caso in cui sia previsto l'uso di flocculanti organici e l'adsorbimento di tali sostanze sulla superficie della silice la trasformi in una superficie con spiccate proprietà idrofobiche.

La coagulazione è considerata il risultato di forze attrattive di van der Waals che attirano due particelle insieme nel momento della loro collisione, a meno che questa attrazione non sia contrastata da uno strato barriera di idrati o da forze elettrostatiche repulsive tra particelle ugualmente cariche, o entrambi. Pertanto, ci sono due fattori che rallentano la coagulazione della silice:

1. Idratazione della superficie delle particelle attraverso la formazione di uno strato di molecole d'acqua legate a idrogeno ai gruppi superficiali di SiOH.

2. Carica ionica negativa che si forma su particelle al di sopra di pH - 3,5 e una nuvola carica positivamente che circonda la particella, costituita da controioni - cationi, come Na +, che porta alla formazione di un "doppio strato elettrico".

Per la maggior parte dei sol di silice diluiti a pH ~ 2, quando la particella ha solo una debole carica ionica, non si osserverà alcuna coagulazione quando il sistema è esposto all'elettrolita, apparentemente a causa dello strato di idrato. Tuttavia, Harding ha richiamato l'attenzione sul fatto che particelle di silice colloidale relativamente grandi, con un diametro di 50-100 nm o più, iniziano a flocculare a bassi valori di pH, mentre le particelle piccole non subiscono ancora questo processo. Resta da determinare se la flocculazione sia dovuta alle forze di attrazione di van der Waals tra le particelle o alla formazione di multipli legami di idrogeno tra superfici rivestite con gruppi silanolici all'interno dell'area di contatto delle particelle durante la loro collisione.

Nell'intervallo di pH compreso tra 7 e 10, i sol di silice sono stabili se la concentrazione di elettroliti è bassa, ma iniziano a coagulare quando vengono aggiunti i sali, quindi è necessario considerare due meccanismi di aggregazione:

1. Attrazione di una particella verso una particella per azione delle forze di van der Waals, la cui descrizione matematica fu fatta da London e successivamente estesa alle particelle colloidali da Hamaker.

2. "Legatura" mediante un collegamento a ponte di due particelle sotto l'azione di un agente flocculante o coagulante.

Nel primo caso, l'attrazione porta alla coagulazione, quando le forze repulsive tra particelle che trasportano cariche ioniche simili vengono ridotte dall'aggiunta di coagulante salino a una concentrazione critica (c.c.c.). La maggior parte del sale aggiunto rimane in soluzione, quindi la concentrazione rimane sostanzialmente invariata mentre si sviluppa la flocculazione. Solo una piccolissima frazione degli ioni del sale aggiunto viene adsorbita sulla superficie delle particelle flocculanti e la perdita di questi ioni nella soluzione stessa viene solitamente trascurata. Nel caso in esame l'attenzione, di regola, è principalmente focalizzata sulle proprietà del mezzo di dispersione, e non sull'eventuale adsorbimento di ioni sulle particelle flocculanti.

D'altra parte, quando l'agente aggregante è una molecola polimerica o un'altra particella colloidale, viene adsorbita una grande proporzione di tale agente. particelle fino a quando il sistema raggiunge un punto in cui solo una piccola frazione dell'agente flocculante può essere effettivamente in soluzione. In tal caso, la quantità richiesta di agente è direttamente legata alla superficie delle particelle flocculanti. Indubbiamente esistono anche situazioni intermedie, in particolare quando l'agente è uno ione a carica multipla o policatione di piccole dimensioni.

Apparentemente, la differenza sta nel fatto che se l'agente flocculante è una grande molecola o particella, e se questo agente è adsorbito prevalentemente sulle particelle in studio, quando c'è una concentrazione critica del coagulante nel sistema, allora è possibile per determinare visivamente la quantità di agente adsorbito sulle particelle flocculate. Tuttavia, se un tale agente è un sale semplice, come il cloruro di sodio, che è richiesto in grande eccesso in soluzione al punto di c.c., allora l'adsorbimento di questo agente sul coagulante non è così facile da misurare, ed è anche difficile dimostrare la possibile formazione di legami a ponte tra le particelle per mezzo di ioni sale. Si presume che le forze di van der Waals siano la fonte dell'attrazione delle particelle; infatti, le particelle di silice possono essere tenute insieme nei loro punti di contatto da ioni adsorbiti come Na+.

Le forze di Van der Waals sono spesso chiamate "forze di dispersione", il che non è del tutto corretto, poiché si tratta di forze attrattive e non forze di dispersione in senso fisico. Rouweler e Overbeck hanno studiato le forze che si sviluppano tra le superfici di silice. Allo stesso modo, Tabor e Wintherton hanno misurato le forze tra le superfici delle lastre di mica e hanno concluso che la presenza di acqua riduce l'attrazione di un fattore di circa 10.

È abbastanza probabile che le forze di dispersione svolgano un ruolo insignificante o non abbiano alcun significato nel sistema di silice considerato. Come notato da Dumont e Watillon, la silice è il sistema di ossido più complesso conosciuto, poiché mostra la massima stabilità nel punto di carica zero. A questo punto la costante di Hamaker è molto bassa, e quindi le forze di dispersione sono trascurabili, per cui, almeno in alcuni range di pH, l'aggregazione delle particelle comprende la formazione legame chimico. In uno studio più dettagliato di DePasse e Watillon, è stato notato che un monostrato d'acqua è sufficiente per schermare le forze di dispersione tra piccole particelle di silice colloidale (di diametro inferiore a 25 nm).

Pertanto, le forze di dispersione probabilmente non giocano alcun ruolo, ad eccezione forse dei sol con dimensioni delle particelle superiori a 100 nm.

La differenza tra silice e altri ossidi, secondo Wiese e Healey, è sottolineata dal fatto che ossidi come TiO2 e Al2O3 sono soggetti a flocculazione sotto l'azione dei sali e del pH, il che è spiegato in una certa misura in modo soddisfacente dalla teoria DLVO, ogni volta che il potenziale elettrocinetico scende al di sotto di 14 + 4 mV.

particelle colloidali hanno una struttura complessa. Sono costituiti da nuclei e ioni adsorbiti e attratti. Consideriamo la struttura di una particella colloidale di acido silicico, che si è formata a seguito dell'interazione di soluzioni molto diluite di silicato di sodio e di acido cloridrico(Na2Si03 + 2HCl = H2Si03 + 2NaCl). Se Na2 Si03 è in eccesso, l'acido silicico non precipita, ma si forma una soluzione colloidale trasparente di H2 Si03. Il nucleo di una particella colloidale è neutro, è costituito da m molecole di H2 Si03. Sulla superficie del nucleo vengono adsorbiti n Si03 2- ioni, ioni che determinano il potenziale, poiché determinano la carica di una particella di soluzione colloidale.

Gli ioni adsorbiti che determinano il potenziale attraggono ioni di segno opposto - controioni - dalla soluzione. In questo caso si tratta di ioni Na+ e parte di essi 2(n - x) viene adsorbita sulla particella. Gli ioni SiO3 2- adsorbiti insieme ai controioni Na+ formano uno strato di adsorbimento. L'altra parte dei controioni 2xNa+ è in fase liquida e forma uno strato diffuso mobile.

Il nucleo insieme allo strato di adsorbimento è chiamato granulo.

Nel nostro esempio, il granulo è caricato negativamente, poiché l'adsorbimento degli ioni Si03 2- è più forte di quello degli ioni Na.

La particella colloidale insieme ai controioni dello strato di diffusione è chiamata micella. Questa è una particella separata di una soluzione colloidale.

Micelle (particella colloidale)

Coagulazione(lat. coagulazione- coagulazione, addensamento, allargamento) - la combinazione di piccole particelle disperse in aggregati più grandi.

La coagulazione è un complesso di interazioni chimiche e fisiche tra particelle colloidali caricate negativamente e cationi, ad es. sostanze chimiche a carica positiva. Utilizza varie forze di repulsione e attrazione, che forniscono stabilità o, al contrario, instabilità di una sospensione colloidale, vale a dire:

• forza repulsiva elettrostatica
• Moto browniano
• forze di attrazione di van der Waals
• forza gravità

La coagulazione destabilizza la sospensione colloidale attraverso due diversi meccanismi:

1. Neutralizzazione della carica

I coagulanti a carica positiva neutralizzano la carica negativa che circonda le particelle colloidali. Quando la carica attorno a ciascuna particella viene neutralizzata, si avvicinano gradualmente l'una all'altra, diminuendo il loro raggio effettivo, diventando infine instabili e possono scontrarsi tra loro. Quando le particelle si scontrano, sono collegate tra loro a causa di legami idrogeno o, ad esempio, forze di van der Waals, formando grandi masse o fiocchi. L'energia di agitazione applicata durante il processo di pulitura aumenta il numero e la frequenza di queste collisioni di particelle, aumentando l'agglomerazione del solido e favorendo la formazione di fiocchi.

2. Legame chimico

La formazione di fiocchi è facilitata dalla natura polimerica dei coagulanti. Le loro lunghe catene molecolari raccolgono le particelle agglomerate, formano ponti da una superficie all'altra, legando insieme i singoli fiocchi in grandi masse facilmente rimovibili.

Regola Schulze-Hurdy.

La capacità di coagulazione di uno ione coagulante aumenta con l'aumento della sua carica (regola di Schulze).

Cambiamento dello stato dei sistemi colloidali

I sistemi colloidali hanno un'interfaccia altamente sviluppata e, di conseguenza, un grande eccesso di energia superficiale libera. Pertanto, questi sistemi sono termodinamicamente instabili. Se, a causa delle condizioni create, le micelle del sol entrano in stretto contatto tra loro, si combinano in grandi aggregati.

Coagulazione- questo è il processo di rafforzamento delle particelle colloidali nei sol, che si verifica sotto l'influenza di influenze esterne

Sedimentazione– il processo di sedimentazione delle particelle ingrossate della fase solida del sol.

Il processo di coagulazione è associato ad una diminuzione del grado di dispersione ed è dovuto all'instabilità aggregativa dei sistemi colloidali.

Ci sono 2 fasi della coagulazione:

1) coagulazione latente - quando il gas neonato non può ancora osservare alcun cambiamento esterno nelle ceneri.

2) coagulazione esplicita, quando il processo di aggregazione delle particelle della fase dispersa del sol può essere facilmente rilevato visivamente.

La coagulazione può essere causata da aumento della temperatura, dialisi prolungata, aggiunta di elettroliti, vari tipi di influenze meccaniche (agitazione, agitazione, agitazione), forte raffreddamento, ultracentrifugazione, concentrazione, trasmissione corrente elettrica, l'azione su un sol da parte di un altro sol.

Poiché la condizione principale per ridurre la stabilità delle soluzioni colloidali è la perdita di carica elettrica, i metodi principali per la loro coagulazione sono i metodi di rimozione della carica.

Coagulazione di sol idrofobici con elettroliti

Per avviare il processo di coagulazione è necessaria una certa concentrazione minima di elettrolita nella cenere.

Soglia di coagulazione– la più bassa concentrazione mmol/l di elettrolita che causa la coagulazione (torbidità della soluzione, scolorimento).

Regola Schulze-Hardy- Gli ioni coagulatori di carica maggiore, provocano la coagulazione a concentrazioni inferiori rispetto agli ioni di carica inferiore.

La regola Schulze-Hardy ha un carattere approssimativo, dal momento che l'effetto coagulante dell'elettrolita non dipende solo dalla carica dei suoi ioni. Alcuni ioni organici a carica singola hanno una maggiore adsorbibilità.

Dalla grandezza della capacità di coagulazione dello ione metalli alcalini possono essere disposti in file di ioni di questi metalli - linee liotropiche.

Cs + >Rb + >NH 4 + >K + >Na + >Li +

La coagulazione dei sol idrofobici può essere indotta utilizzando una miscela di elettroliti. In questo caso sono possibili 3 casi:

1) Si riassume l'effetto coagulante di elettroliti misti.

2) L'effetto coagulante di una miscela di elettroliti è minore che nel caso di elettroliti puri. Questo fenomeno si chiama antagonismo ioni. È caratteristico di miscele di ioni aventi diverse valenze.

3) In un certo numero di casi si ha un reciproco potenziamento dell'azione coagulante degli ioni misti. Questo fenomeno si chiama sinergia ioni.

La coagulazione dei colloidi idrofobici può essere causata dalla miscelazione in determinati rapporti quantitativi con un altro sol idrofobo, i cui granuli hanno il segno opposto. Questo fenomeno si chiama coagulazione reciproca. La reciproca coagulazione si verifica quando l'acqua del mare e del fiume si mescolano. Allo stesso tempo, ioni di sale acqua di mare vengono adsorbiti su particelle colloidali cariche dell'acqua di fiume, determinandone la coagulazione. Per questo motivo sul fondo si accumula costantemente una grande quantità di limo, si formano molti banchi e isole.

Nella vita di tutti i giorni: gli inchiostri sono soluzioni colloidali di vari coloranti. Inoltre, in diversi inchiostri, le particelle colloidali sono caricate in modo diverso. Ecco perché quando si mescolano inchiostri diversi, avviene la coagulazione reciproca.

Meccanismo di coagulazione elettrolitica

Il granulo diventa elettricamente neutro se i controioni caricati negativamente dello strato diffuso si spostano nello strato di adsorbimento. Maggiore è la concentrazione dell'elettrolita aggiunto, più lo strato diffuso diminuisce, più basso diventa il potenziale, più veloce inizia il processo di coagulazione. Ad una certa concentrazione di elettrolita, quasi tutti i controioni passeranno nello strato adsorbito, la carica del granulo diminuirà a zero e la coagulazione procederà alla massima velocità.

L'effetto coagulante degli elettroliti si riduce alla compressione dello strato diffuso e si procede all'adsorbimento selettivo sulla particella colloidale di quegli ioni elettrolitici che hanno una carica opposta al granulo. Maggiore è la carica di uno ione, più intensamente viene adsorbito. L'accumulo di ioni nello strato adsorbito è accompagnato da una diminuzione del potenziale e dello strato diffuso.

Conclusione: l'effetto coagulante degli elettroliti è quello di ridurre le forze repulsive tra le particelle colloidali attraverso una diminuzione del potenziale e un cambiamento nella struttura del doppio strato elettrico e la compressione della sua parte diffusa, dovuta all'aggiunta di un elettrolita - coagulante, comporta una diminuzione dell'effetto incuneamento dei gusci idrati di ioni diffusi che separano le particelle colloidali.

Quando ai sol vengono aggiunti elettroliti con ioni a carica multipla, la cui carica è di segno opposto alla carica delle particelle colloidali, non si può osservare la coagulazione, ma la stabilizzazione del sol e un cambiamento di potenziale. Questo fenomeno si chiama ricaricare sol.

I processi di coagulazione si verificano spesso in natura, ad esempio, alla confluenza dei fiumi nel mare. L'acqua del fiume contiene sempre particelle colloidali di limo, argilla, sabbia o suolo.

Quando l'acqua di fiume viene miscelata con acqua di mare salata (contenente una maggiore quantità di elettroliti), inizia la coagulazione di queste particelle e una diminuzione della velocità del flusso d'acqua contribuisce al loro assestamento alla foce dei fiumi, con conseguente formazione di secche e isole.

La coagulazione è ampiamente utilizzata nella purificazione dell'acqua che entra nella rete di approvvigionamento idrico. A tale scopo vengono aggiunti solfati di alluminio e ferro(III) che, essendo buoni coagulanti, vengono anche idrolizzati a formare sol di idrossido di metallo. Le particelle di questi sol hanno solitamente una carica opposta a quella dei granuli presenti nell'acqua. Di conseguenza, si verifica la reciproca coagulazione dei sol e la loro precipitazione.

Le soluzioni colloidali si trovano in liquame molte industrie: ad esempio emulsioni stabili di prodotti petroliferi, vari altri liquidi organici. Vengono distrutti dal trattamento delle acque reflue con sali di metalli alcalino terrosi.

Nell'industria dello zucchero, i processi di coagulazione sono utilizzati nella purificazione del succo di barbabietola da zucchero. La sua composizione, oltre al saccarosio e all'acqua, comprende sostanze non zuccherine, spesso allo stato colloidale-disperso. Per rimuoverli, si aggiunge Ca (OH) 2 al succo. Il suo frazione di massa di solito non supera il 2,5%. Le impurità allo stato colloidale coagulano e si depositano. Per rimuovere l'eccesso di Ca (OH) 2 dal succo, passare attraverso di esso diossido di carbonio. Di conseguenza, si forma un precipitato di CaCO 3 che trascina molte impurità solubili dalla soluzione.

I processi di coagulazione svolgono un ruolo essenziale in un organismo vivente, poiché i fluidi biologici contengono particelle colloidali disperse a contatto con elettroliti disciolti. Normalmente, questi sistemi sono solitamente in uno stato di equilibrio e in essi non si verificano processi di coagulazione. Tuttavia, questo equilibrio può essere facilmente disturbato introducendo una quantità aggiuntiva di elettrolita dall'esterno. Inoltre, quando lo si introduce nel corpo, è necessario tenere conto non solo della sua concentrazione nel fluido biologico, ma anche della carica di ioni. Pertanto, una soluzione isotonica di NaCl non può essere sostituita da una soluzione isotonica di MgCl 2, poiché questo sale, a differenza di NaCl, contiene ioni Mg 2+ a doppia carica, che hanno una capacità coagulante maggiore rispetto agli ioni Na +.

Quando si introduce una miscela di sali nel flusso sanguigno, è necessario prima assicurarsi che questa miscela non abbia un effetto sinergico, al fine di evitare la coagulazione dannosa per l'organismo.

Risolvere molti problemi in medicina: protesi di vasi sanguigni, valvole cardiache, ecc. - dipende dai processi di coagulazione del sangue. Possono essere considerati come coagulazione degli eritrociti. In chirurgia, durante le operazioni, vengono iniettati nel sangue anticoagulanti (eparina, destrano modificato, poliglucina). Dopo gli interventi chirurgici e in caso di emorragie interne, invece, gli elettroliti che contribuiscono al flusso della coagulazione: acido caproico, solfato di protamina.

Per la diagnosi di molte malattie nei laboratori clinici, viene determinata la velocità di eritrosedimentazione (VES). In varie patologie, per una serie di motivi, la coagulazione degli eritrociti aumenta e la velocità della loro sedimentazione diventa maggiore del normale.

Anche la formazione di calcoli biliari, urinari e di altro tipo nel corpo è associata ad un aumento di condizioni patologiche coagulazione di colesterolo, bilirubina, sali di acido urico per indebolimento del naturale effetto protettivo. Lo studio del meccanismo di questi processi è estremamente importante per lo sviluppo di modi per curare queste malattie.

Le soluzioni colloidali liofobiche, in quanto sistemi termodinamicamente instabili, possono collassare spontaneamente o sotto l'influenza di influenze esterne. La distruzione delle soluzioni colloidali inizia con la loro coagulazione.

coagulazione viene chiamato il processo di incollaggio di particelle colloidali con la formazione di aggregati più grandi a causa della perdita di stabilità aggregativa da parte di una soluzione colloidale.

Come risultato della coagulazione, le particelle ingrandite della fase dispersa sedimentano facilmente e il sistema si stratifica. Pertanto, la causa della coagulazione è la perdita di stabilità aggregativa di una soluzione colloidale e la conseguenza della coagulazione è una diminuzione della sua stabilità alla sedimentazione.

In pratica, la coagulazione può essere causata da vari influssi esterni: l'aggiunta di piccole quantità di elettrolita, la concentrazione di una soluzione colloidale, un cambiamento di temperatura, l'azione degli ultrasuoni, campo elettromagnetico e così via.

Il fenomeno della coagulazione è alla base di molti processi patologici che si verificano nei sistemi viventi. La coagulazione di soluzioni colloidali di fosfato di calcio e colesterolo nel sangue porta alla formazione di precipitati e alla loro deposizione sulla superficie interna dei vasi sanguigni (alterazioni aterosclerotiche nei vasi sanguigni).

La coagulazione si manifesta nel processo di coagulazione del sangue. La coagulazione del sangue svolge due ruoli opposti nell'organismo: da un lato riduce la perdita di sangue quando i tessuti sono danneggiati, dall'altro provoca la formazione di coaguli di sangue nel sistema circolatorio. La coagulazione del sangue è un processo enzimatico molto complesso. Allo stesso tempo, nel sangue opera un sistema anticoagulante, la cui base è l'eparina, un anticoagulante del sangue.

La natura del sangue deve essere presa in considerazione quando lo si conserva. Poiché i cationi di calcio contribuiscono alla coagulazione del sangue, vengono rimossi dal sangue destinato alla conservazione utilizzando vari metodi fisico-chimici. Ad esempio, l'aggiunta di citrato di sodio precipita il calcio, dopodiché il sangue viene mantenuto fresco, rimanendo idoneo alla trasfusione per 30 giorni. Il sangue intero può anche essere decalcificato mediante scambio ionico utilizzando scambiatori di cationi Na.

Coagulazione sotto l'influenza di elettroliti. A sistemi biologici Di massima importanza pratica è la coagulazione quando si aggiungono piccole quantità di elettrolita, poiché le soluzioni colloidali di cellule e fluidi biologici sono a contatto con gli elettroliti. La coagulazione di una soluzione colloidale può essere causata da qualsiasi elettrolita. Tuttavia, ogni elettrolita richiede una propria concentrazione minima, chiamata soglia di coagulazione (Cpc).

Soglia di coagulazione chiamato la quantità minima di elettrolita che deve essere aggiunta a una soluzione colloidale per causare una coagulazione evidente (visibile all'occhio) - opacizzazione della soluzione o cambiamento del suo colore. La soglia di coagulazione può essere calcolata utilizzando la formula:

dove Sal è la concentrazione iniziale della soluzione elettrolitica; Vel è il volume della soluzione elettrolitica aggiunta alla soluzione colloidale; Vkp è il volume della soluzione colloidale.

Viene chiamato il reciproco della soglia di coagulazione azione coagulante(y): y=1/Spk

L'effetto coagulante degli elettroliti sulle soluzioni colloidali con uno stabilizzatore ionico è soggetto a Regola Schulze-Hardy: la coagulazione delle soluzioni colloidali è causata da eventuali ioni che hanno segno di carica opposto a quello dei granuli. L'effetto coagulante degli ioni (y) è tanto più forte quanto maggiore è la carica dello ione coagulante.

L'effetto coagulante dello ione coagulante è direttamente proporzionale alla sua carica alla sesta potenza: y \u003d f (z 6). Ad esempio, la coagulazione del sol AgI con granuli caricati negativamente (ioni potenziali determinanti - anioni I -) avviene per azione di ioni caricati positivamente. Pertanto, quando a questo sol vengono aggiunte soluzioni di NaCl, CaCl 2, AlCl 3, l'effetto coagulante dei cationi Na +, Ca 2+, A1 3+ aumenterà notevolmente; y (Na +): y (Ca 2+): y (Al 3+) = 1:64:729. La coagulazione del sol AgI con granuli caricati positivamente (ioni potenziali determinanti-cationi Ag+), al contrario, è dovuta a ioni caricati negativamente. L'aggiunta di soluzioni di KCl, K 2 SO 4 , K 3 al sol provoca un aumento dell'effetto coagulante degli anioni nel seguente ordine: y(Cl -): y (SO 4 (2-)): y 3- = 1:64:729.

Ci sono deviazioni dalla regola di Schulze-Hardy, poiché l'effetto coagulante di uno ione, oltre alla carica, è influenzato dal raggio dello ione coagulante, nonché dalla natura dello ione che accompagna lo ione coagulante.

La forte influenza dell'elettrolita sulla coagulazione delle soluzioni colloidali dovrebbe essere presa in considerazione quando le soluzioni saline vengono introdotte negli organismi viventi. In questo caso, non conta solo la concentrazione, ma anche la carica degli ioni introdotti. Quindi, la soluzione salina di cloruro di sodio (0,9%) non può essere sostituita con una soluzione isotonica di solfato di magnesio, poiché questo sale contiene ioni Mg 2+ e SO 4 (2-) a doppia carica, che hanno un effetto coagulante maggiore di Na + e Cl - ioni. .

Quando si inietta l'elettrolito nel tessuto muscolare o nel sangue umano, deve essere introdotto gradualmente, lentamente, in modo da non causare la coagulazione dei sistemi colloidali biologici. La rapida introduzione dell'elettrolita a causa della sua bassa velocità di diffusione nel sangue o nel tessuto muscolare porta all'accumulo di elettrolita, all'eccesso locale (locale) della sua concentrazione soglia e provoca la coagulazione dei biosubstrati, che è difficile da fermare. Con una somministrazione lenta, l'elettrolita ha il tempo di essere portato via dal flusso sanguigno e diffondersi nei tessuti vicini, quindi la concentrazione soglia non viene raggiunta e non si verifica la coagulazione. Questo fenomeno nei tessuti viventi è chiamato "avvincente".

Meccanismo di coagulazione. Il ruolo degli elettroliti nella coagulazione è quello di ridurre la pressione di disgiunzione tra le particelle colloidali in avvicinamento. Questo può avvenire in due modi: riducendo la carica della superficie della fase solida (la carica della superficie del nucleo), cioè a causa di una diminuzione del potenziale interfacciale Fmf, oa causa di una diminuzione dello spessore (compressione) delle atmosfere ioniche delle micelle con una carica costante sulla superficie dei loro nuclei. A questo proposito sono possibili due tipi di coagulazione: neutralizzazione e concentrazione.

Coagulazione di neutralizzazione avviene sotto l'azione di un elettrolita, che interagisce chimicamente con gli ioni che determinano il potenziale, legandoli in un composto forte (ad esempio convertendosi in un precipitato) e riducendo così la carica sulla superficie del nucleo. La coagulazione di neutralizzazione si osserva, ad esempio, quando K 2 S viene aggiunto a una soluzione colloidale di AgI con granuli carichi positivamente (gli ioni che determinano il potenziale sono cationi Ag +). Tra gli anioni coagulanti S 2- e i cationi potenziali determinanti Ag+, si verifica una reazione con la formazione di un composto Ag 2 S scarsamente solubile, che porta alla distruzione della micella AgI:

Come risultato del legame dei cationi Ag+ che determinano il potenziale, il potenziale interfacciale F MF diminuisce e il numero di controioni NO 3 (-) necessari per compensare la carica superficiale nucleare diminuisce. Pertanto, le atmosfere ioniche attorno ai nuclei diventano più sottili, la pressione di disgiunzione tra le particelle in avvicinamento diminuisce e questo, a sua volta, porta alla loro adesione in aggregati più grandi.

La coagulazione della concentrazione avviene sotto l'azione di un elettrolita che non interagisce chimicamente con gli ioni stabilizzatori e non modifica la carica superficiale del nucleo micellare. Tuttavia, in questo caso, quegli ioni dell'elettrolita aggiunto che sono controioni per queste micelle presentano un effetto coagulante, poiché aumentando la loro concentrazione penetrano nel granulo, comprimendo (compattando) l'atmosfera ionica delle micelle attorno al nucleo. La coagulazione della concentrazione avviene a un potenziale interfacciale costante Fmf, ma di solito è accompagnata da una diminuzione del potenziale ζ. La coagulazione della concentrazione si osserva, ad esempio, quando i nitrati vengono aggiunti a una soluzione colloidale AgI, le cui micelle contengono controioni NO 3 (-):

All'aumentare della concentrazione di ioni NO 3 (-) aggiunti, essi contribuiscono all'incorporazione di controioni dallo strato diffuso nello strato di adsorbimento. In questo caso, lo strato diffuso viene compresso e può verificarsi uno stato in cui lo strato diffuso scompare del tutto e il granulo diventa elettricamente neutro. In questo stato, la pressione di disgiunzione tra le particelle in avvicinamento è minima e questo porta le particelle ad attaccarsi insieme in aggregati più grandi.

Poiché la carica dei granuli in queste condizioni è 0, in un campo elettrico non acquisiscono un movimento diretto verso gli elettrodi, poiché il granulo è allo stato isoelettrico.

Lo stato isoelettrico è lo stato delle particelle colloidali, in cui il potenziale elettrocinetico ζ è uguale a 0 e che è caratterizzato dall'assenza di movimento diretto dei granuli in un campo elettrico.

Nello stato aggregato stabile della soluzione colloidale, il valore varia da 50-70 mV. Quando il potenziale ζ diminuisce sotto l'azione dell'elettrolita a 25–30 mV, non si osservano cambiamenti esterni (torbidità o scolorimento) nel sistema, poiché la velocità di coagulazione è ancora molto bassa, per cui questa fase (I ) della coagulazione prende il nome di coagulazione “latente” (Fig. .6.10). Un'ulteriore aggiunta dell'elettrolita al di sopra di Cmax provoca una compressione ancora maggiore dello strato diffuso e una diminuzione del potenziale ζ, che è accompagnata dalla torbidità della soluzione, e inizia la coagulazione "chiara". Inizialmente, la velocità di coagulazione aumenta rapidamente (stadio II), per poi diventare costante quando il valore del potenziale ζ diventa zero e inizia lo stadio di coagulazione rapida (III).

Coagulazione con miscele elettrolitiche. In pratica, la coagulazione è spesso causata dall'azione di una miscela di elettroliti. Esistono tre possibili interazioni tra elettroliti: azione additiva, antagonismo e sinergismo.

Riso. 6.10. Effetto della concentrazione di elettroliti sulla velocità di coagulazione

Additivitàè la somma dell'azione coagulante degli ioni che provocano la coagulazione.

Un effetto additivo si manifesta nei casi in cui gli elettroliti contenenti ioni coagulanti non interagiscono chimicamente tra loro. Ad esempio, una miscela di sali di KCl e NaNO 3 mostra un effetto additivo rispetto alle soluzioni colloidali con granuli carichi sia negativamente che positivamente. Nel primo caso la coagulazione è causata dai cationi K+ e Na+, nel secondo dagli anioni Cl- e NO 3 (-).

Antagonismoè l'indebolimento dell'azione coagulante di un elettrolita in presenza di un altro.

Pb 2+ + 2Cl - = PbCl 2 ↓

L'antagonismo dell'azione si osserva quando, a seguito di reazione chimica tra gli elettroliti, gli ioni coagulanti si legano in un composto insolubile (precipitato) o in un complesso forte che non ha capacità coagulanti. Ad esempio, l'effetto coagulante dei cationi Pb 2+ rispetto ai granuli carichi negativamente è indebolito in presenza di NaCl, poiché si verifica una reazione per cui la concentrazione degli ioni Pb 2+ coagulanti nella soluzione diminuisce a causa della precipitazione di PbCl 2:

Sinergia- questo è un aumento dell'effetto coagulante di un elettrolita in presenza di un altro.

Il sinergismo d'azione è possibile quando si verifica un'interazione chimica tra gli elettroliti, a seguito della quale si forma uno ione a carica multipla, che ha un'altissima capacità di coagulazione. Ad esempio, l'effetto coagulante di FeCl 3 e KCNS in relazione a granuli caricati positivamente (ioni coagulanti Cl (-) e CNS -) viene potenziato molte volte, poiché si verifica una reazione, a seguito della quale si moltiplicano gli anioni 3- caricati formato, esibendo un'elevata capacità coagulante:

FeCl 3 + 6KCNS → K 3 + 3KCl

Quando si utilizzano elettroliti in laboratorio e nella pratica medica, si deve sempre tenere conto della possibilità di coagulazione in mezzi biologici. Quindi, quando si introducono varie sostanze medicinali nel corpo (sotto forma di iniezioni), è necessario prima assicurarsi che queste sostanze non siano sinergizzanti per evitare una possibile coagulazione. D'altra parte, nel trattamento delle acque industriali, l'antagonismo degli elettroliti introdotti, che impedisce la distruzione dei contaminanti colloidali, può essere dannoso.

Nelle acque naturali, così come nelle acque reflue industriali, la coagulazione avviene spesso a seguito della miscelazione di sistemi dispersi contenenti particelle dissimili. eterocoagulazione chiamata coagulazione di soluzioni colloidali contenenti particelle eterogenee che differiscono in natura chimica, il segno o l'entità della carica.

Un caso speciale di eterocoagulazione è coagulazione reciproca- adesione di granuli di carica opposta di soluzioni colloidali. In questo caso la coagulazione avviene quanto più completamente si neutralizzano le cariche dei granuli.

L'eterocoagulazione è ampiamente utilizzata nella pratica in relazione al problema della depurazione delle acque naturali e industriali. I sali di alluminio o ferro (3), che sono buoni coagulanti, vengono aggiunti all'acqua contenente impurità colloidali. Come risultato dell'idrolisi, questi sali danno idrossidi scarsamente solubili Al(OH) 3 o Fe(OH) 3 , che formano soluzioni colloidali con granuli carichi positivamente. Di conseguenza si verifica la coagulazione, accompagnata dalla formazione di scaglie da micelle aggregate eterogenee, che precipitano.

Nel processo di coagulazione, associato alla perdita di stabilità aggregativa, si verifica la distruzione della soluzione colloidale, accompagnata da precipitazione - coagulazione. Tuttavia, se la stabilità aggregativa viene restituita al coagulato, può verificarsi il processo inverso: la peptizzazione.

Peptizzazione Viene chiamato il processo inverso di coagulazione: la trasformazione del precipitato formatosi a seguito della coagulazione in una soluzione colloidale stabile.

La peptizzazione può essere effettuata in due modi, ognuno dei quali porta ad un aumento della stabilità aggregativa dovuto al ripristino di atmosfere ioniche sufficientemente sciolte nelle micelle:

lavare il coagulato con un solvente puro (mezzo di dispersione), che porta alla lisciviazione degli ioni che hanno causato la coagulazione dal sistema e l'allentamento delle atmosfere ioniche attorno alle particelle;

· l'aggiunta di uno speciale elettrolita-peptizzante, i cui ioni, essendo adsorbiti sulla superficie delle particelle coagulate, ripristinano atmosfere ioniche sciolte attorno a queste particelle e ne favoriscono il passaggio allo stato colloidale.

Tuttavia, non tutti i precipitati ottenuti durante la coagulazione si prestano alla peptizzazione. Le condizioni più importanti per un'efficace peptizzazione sono le seguenti:

· Solo i precipitati appena ottenuti sono capaci di peptizzare, poiché un aumento della durata del contatto tra le particelle della fase dispersa porta ad una graduale compattazione del precipitato e allo spostamento della fase liquida dalla sua struttura;

È necessario aggiungere piccole quantità di elettrolita-peptizzante, altrimenti si può verificare nuovamente la coagulazione;

La peptizzazione è facilitata dall'agitazione e dal riscaldamento.

Il processo di peptizzazione è alla base del trattamento di una serie di alterazioni patologiche nel corpo umano: riassorbimento di placche aterosclerotiche sulle pareti dei vasi sanguigni, calcoli renali ed epatici o coaguli di sangue nei vasi sanguigni sotto l'azione di anticoagulanti. Allo stesso tempo, è necessario tenere conto della tempestività dell'introduzione di sostanze medicinali (anticoagulanti) nel sangue: i vecchi coaguli di sangue nei vasi sanguigni, così come le pietre compattate, non sono praticamente peptizzati, ad es. non dissolversi.

6.9. Sistemi grossolani: sospensioni, emulsioni, aerosol

I sistemi grossolanamente dispersi sono divisi in tre gruppi: emulsioni, sospensioni e aerosol.

emulsioni sono sistemi dispersi con un mezzo di dispersione liquido e una fase dispersa liquida.

Possono anche essere divisi in due gruppi:

1. diretto - gocce di un liquido non polare in un mezzo polare (olio in acqua);

2. retromarcia (acqua nell'olio).

Cambiamenti nella composizione delle emulsioni o influenze esterne possono portare alla trasformazione di un'emulsione diretta in una inversa e viceversa. Esempi delle emulsioni naturali più note sono il latte (emulsione diretta) e l'olio (emulsione inversa). Una tipica emulsione biologica sono le goccioline di grasso nella linfa. Nella tecnologia chimica, la polimerizzazione in emulsione è ampiamente utilizzata come metodo principale per la produzione di gomme, polistirene, acetato di polivinile, ecc.

Sospensioni sono sistemi grossolanamente dispersi con una fase solida dispersa e un mezzo di dispersione liquido.

Un gruppo speciale è costituito da sistemi grossolanamente dispersi, in cui la concentrazione della fase dispersa è relativamente alta rispetto alla sua bassa concentrazione in sospensione. Tali sistemi dispersi sono chiamati paste. Ad esempio, sei famoso da Vita di ogni giorno dentale, cosmetico, igienico, ecc.

Aerosol- si tratta di sistemi a dispersione grossolana in cui il mezzo di dispersione è l'aria e la fase dispersa può essere costituita da goccioline liquide (nuvole, arcobaleno, lacca per capelli o deodorante rilasciato da una bomboletta spray) o particelle solide (nuvola di polvere, tornado).

I sistemi colloidali occupano una posizione intermedia tra i sistemi grossolani e le soluzioni vere. Sono ampiamente distribuiti in natura. terra, argilla, acque naturali, molti minerali, comprese alcune gemme, sono tutti sistemi colloidali.
Grande importanza hanno sistemi colloidali per la biologia e la medicina. Ogni organismo vivente è costituito da solido, liquido e sostanze gassose, che sono in relazione complessa con ambiente. Da un punto di vista chimico, il corpo nel suo insieme è un insieme complesso di molti sistemi colloidali.

I sistemi colloidali si dividono in sol (soluzioni colloidali) e gel (gelatina).

La maggior parte dei fluidi biologici della cellula (citoplasma, succo nucleare - carioplasma, contenuto dei vacuoli) e l'organismo vivente nel suo insieme sono soluzioni colloidali (sol).

Per sol caratteristico è il fenomeno della coagulazione, cioè adesione delle particelle colloidali e loro precipitazione. In questo caso, la soluzione colloidale si trasforma in una sospensione o in un gel. Alcuni colloidi organici coagulano quando riscaldati (albume d'uovo, colle) o quando cambia l'ambiente acido-base (succhi digestivi).

Gel sono sistemi colloidali in cui le particelle della fase dispersa formano una struttura spaziale.

I gel sono sistemi dispersi che incontri nella vita di tutti i giorni.

Nel tempo, la struttura dei gel si rompe: da essi viene rilasciato del liquido. in corso sineresi- diminuzione spontanea del volume del gel, accompagnata dalla separazione del liquido. La sineresi determina la durata di conservazione di gel alimentari, medici e cosmetici. La sineresi biologica è molto importante nella preparazione di formaggi, ricotta.

Di aspetto esteriore le soluzioni vere e colloidali sono difficili da distinguere l'una dall'altra. Per fare questo, usa Effetto Tyndall- la formazione di un cono di un "percorso luminoso" quando un raggio di luce viene fatto passare attraverso una soluzione colloidale. Le particelle della fase dispersa del sol riflettono la luce con la loro superficie, mentre le particelle della vera soluzione no. Un effetto simile, ma solo per un aerosol piuttosto che per un colloide liquido, può essere osservato in un cinema quando un raggio di luce di una cinepresa passa attraverso l'aria polverosa dell'auditorium.

6.10. Fenomeni elettrocinetici nei sistemi dispersi: elettroforesi, elettroosmosi

Una carica elettrica può verificarsi su qualsiasi superficie solida a contatto con un liquido. Il valore della carica specifica è relativamente piccolo: ad esempio per l'argilla al confine con l'acqua è di diverse decine di millicoulomb, quindi la superficie di un pezzo di argilla del peso di 1 kg, pari a centesimi di metro quadro, avrà trascurabile carica elettrica. Le particelle di argilla con una massa totale di 1 kg realizzano una superficie milioni di volte più grande del suo pezzo solido, il che porta ad un forte aumento della carica superficiale. La comparsa di una significativa carica superficiale è la causa dell'emergere di speciali fenomeni elettrocinetici caratteristici solo per i sistemi dispersi.

I fenomeni elettrocinetici sono quei fenomeni che si verificano quando esposti a campo elettrico su sistemi dispersi e come risultato del movimento di particelle della fase dispersa o del mezzo di dispersione. Nonostante la differenza nei fenomeni elettrocinetici, sono tutti associati alla presenza di un doppio strato elettrico e sono determinati dal potenziale ζ, che proprio per questo viene chiamato elettrocinetica.

Un campo elettrico esterno provoca fenomeni elettrocinetici di sistemi dispersi come l'elettroforesi e l'elettroosmosi.

elettroforesiè il movimento sotto l'azione di un campo elettrico delle particelle della fase dispersa rispetto al mezzo di dispersione. Lo schema dell'elettroforesi è mostrato in fig. 6.11, dove la particella della fase dispersa è data in scala ingrandita per chiarezza. Quando viene applicato un campo elettrico esterno, le particelle della fase dispersa iniziano a muoversi verso l'elettrodo, il cui segno della carica è opposto al segno del potenziale ζ; la direzione di movimento della particella nella figura è indicata da una freccia.

Il movimento delle particelle durante l'elettroforesi è dovuto all'attrazione di cariche opposte. Lo strato diffuso non impedisce l'interazione di cariche opposte. I controioni in questo strato sono mobili, distribuiti in modo non uniforme e non sono in grado di schermare l'azione di un campo elettrico esterno sulle particelle della fase dispersa. Le particelle si muovono lungo il confine di scorrimento.

Durante l'elettroforesi, la simmetria sferica dello strato diffuso di controioni viene interrotta e inizia a spostarsi di lato, movimento opposto particelle. Il flusso opposto di particelle dello strato diffuso rallenta il movimento delle particelle. Questo effetto è chiamato inibizione elettroforetica (freccia corta nella Figura 6.11).

Riso. 6.11. Schema di elettroforesi:

Durante l'elettroforesi, le particelle della fase dispersa si muovono nella direzione delle linee del campo elettrico. L'elettroforesi viene utilizzata per ottenere nuovi materiali, applicare rivestimenti, purificare sostanze dalle impurità e isolare prodotti. In medicina, l'elettroforesi viene utilizzata per somministrare farmaci. Un tampone inumidito con una soluzione di un farmaco viene applicato sulla pelle del paziente e sopra vengono posizionati degli elettrodi, sui quali viene applicato un basso potenziale, sicuro per il corpo. Durante questa procedura, le particelle del farmaco sotto l'influenza di un campo elettrico passano nei tessuti del corpo umano.

Elettroosmosi chiamato il movimento di un mezzo di dispersione sotto l'azione di un campo elettrico esterno (Fig. 6.12). Il moto di un mezzo di dispersione è dovuto all'attrazione di cariche opposte. Si verifica spesso nei capillari e nei canali dei corpi porosi. Quando il potenziale ζ è negativo, i controioni caricati positivamente dello strato diffuso vengono attratti dall'elettrodo negativo. I controioni portano con sé il liquido che costituisce il mezzo di dispersione. Di conseguenza, si verifica il movimento del liquido e il movimento del mezzo di dispersione liquido rispetto alle particelle della fase dispersa, come nel caso dell'elettroforesi, avviene lungo il confine di scorrimento.

Riso. 6.12. Schema di elettroosmosi

1 - sistema disperso; 2 - partizione

L'elettrosmosi viene utilizzata, ad esempio, per la disidratazione del legno e di altri materiali porosi: edilizia, suolo, cibo, materie prime per Industria alimentare ecc. La massa umida viene posta tra gli elettrodi e l'acqua, a seconda della struttura del DEL, si sposta su uno di essi e viene raccolta in un apposito contenitore.

Per l'attuazione dell'elettroforesi o dell'elettrosmosi, è richiesto un campo elettrico esterno, ad es. il movimento delle particelle durante l'elettroforesi o del mezzo durante l'elettrosmosi è una conseguenza dell'azione di questo campo.

Va notato che il fenomeno dell'elettroforesi è caratteristico principalmente per le soluzioni colloidali (sols), ad es. per sistemi in cui la dimensione delle particelle della fase dispersa non supera 0,1 μm. L'elettrosmosi può essere osservata non solo in relazione a soluzioni colloidali, che sono sistemi altamente dispersi, ma anche in relazione a sistemi medi e grossolani.