Koagulācijas praktiskā vērtība. koagulācijas mehānisms. Koagulācija, izmantojot alumīnija sāļus

Koloīdus iedala "liofilos" un "liofobos" vai, ja ir ūdens zoli, "hidrofilos" un "hidrofobos". Hidrofobo solu stabilitāte lielā mērā ir atkarīga no daļiņu lādiņa, savukārt hidrofilajiem soliem tas ir mazāk svarīgi, jo daļiņas tiek stabilizētas ar "solvāciju" vai "hidratāciju".

Koloidālais silīcija dioksīds ir hidrofils, lai gan noteiktos apstākļos, kad daļiņu koagulāciju izraisa sāļi, silīcija dioksīds ir daļēji hidrofobs. Šie termini attiecībā uz silīcija dioksīdu nav tik svarīgi, izņemot gadījumu, kad ir paredzēta organisko flokulatoru izmantošana un šo vielu adsorbcija uz silīcija dioksīda virsmas pārvērš to par virsmu ar izteiktām hidrofobām īpašībām.

Koagulācija tiek uzskatīta par pievilcīgu van der Vālsa spēku rezultātu, kas sadursmes brīdī savelk kopā divas daļiņas, ja vien šai pievilcībai neiebilst hidrāta barjeras slānis vai elektrostatiskie atgrūšanas spēki starp vienādi lādētām daļiņām, vai abi. Tāpēc ir divi faktori, kas palēnina silīcija dioksīda koagulāciju:

1. Daļiņu virsmas hidratācija, veidojot ūdens molekulu slāni, kas ir ūdeņraža savienojums ar SiOH virsmas grupām.

2. Negatīvs jonu lādiņš, kas rodas uz daļiņām virs pH - 3,5, un daļiņu ieskauj pozitīvi lādēts mākonis, kas sastāv no pretjoniem - katjoniem, piemēram, Na +, kas noved pie "dubultā elektriskā slāņa" veidošanās.

Lielākajai daļai atšķaidītu silīcija dioksīda solu pie pH ~ 2, kad daļiņai ir tikai vājš jonu lādiņš, koagulācija netiks novērota, kad sistēma tiek pakļauta elektrolīta iedarbībai, acīmredzot hidrāta slāņa dēļ. Tomēr Hārdings vērsa uzmanību uz to, ka salīdzinoši lielas koloidālās silīcija dioksīda daļiņas, kuru diametrs ir 50-100 nm vai vairāk, sāk flokulēties pie zemām pH vērtībām, savukārt mazās daļiņas vēl nepakļaujas šim procesam. Vēl ir jānosaka, vai flokulācija ir saistīta ar van der Vāla pievilkšanās spēkiem starp daļiņām vai vairāku daļiņu veidošanos. ūdeņraža saites starp virsmām, kas pārklātas ar silanola grupām daļiņu saskares zonā to sadursmes laikā.

PH diapazonā no 7 līdz 10 silīcija dioksīda zoli ir stabili, ja elektrolīta koncentrācija ir zema, bet, pievienojot sāļus, tie sāk sarecēt, tāpēc jāņem vērā divi agregācijas mehānismi:

1. Daļiņas pievilcība daļiņai van der Vāla spēku darbības rezultātā, kuras matemātisko aprakstu veica Londona un pēc tam Hamakers paplašināja līdz koloidālajām daļiņām.

2. "Saistīšana" ar divu daļiņu tilta savienojumu flokulācijas vai koagulācijas aģenta iedarbībā.

Pirmajā gadījumā pievilcība izraisa koagulāciju, kad atgrūšanas spēki starp daļiņām, kurām ir līdzīgi jonu lādiņi, tiek samazināti, pievienojot sāls koagulantu kritiskā koncentrācijā (c.c.c.). Lielākā daļa pievienotā sāls paliek šķīdumā, tāpēc koncentrācija praktiski nemainās, kamēr attīstās flokulācija. Tikai ļoti neliela pievienotā sāls jonu daļa tiek adsorbēta uz flokulējošo daļiņu virsmas, un šo jonu zudums pašā šķīdumā parasti netiek ņemts vērā. Izskatāmajā gadījumā uzmanība, kā likums, galvenokārt ir vērsta uz dispersijas vides īpašībām, nevis uz iespējamo jonu adsorbciju uz flokulējošām daļiņām.

No otras puses, ja agregējošais līdzeklis ir polimēra molekula vai cita koloidāla daļiņa, liela daļa šāda līdzekļa tiek adsorbēta. daļiņas, līdz sistēma sasniedz punktu, kurā tikai neliela flokulējošā līdzekļa daļa faktiski var būt šķīdumā. Šādā gadījumā nepieciešamais līdzekļa daudzums ir tieši saistīts ar flokulējošo daļiņu virsmu. Neapšaubāmi, ir arī starpsituācijas, jo īpaši, ja aģents ir daudzkārt uzlādēts jons vai maza izmēra polikācija.

Acīmredzot atšķirība slēpjas apstāklī, ka, ja flokulējošais līdzeklis ir liela molekula vai daļiņa un ja šis līdzeklis pārsvarā ir adsorbēts uz pētāmajām daļiņām, kad sistēmā ir kritiska koagulanta koncentrācija, tad tas ir iespējams. lai vizuāli noteiktu uz flokulētajām daļiņām adsorbētā līdzekļa daudzumu. Taču, ja šāds līdzeklis ir vienkāršs sāls, piemēram, nātrija hlorīds, kas ir nepieciešams lielā pārpalikumā šķīdumā c.c punktā, tad šī līdzekļa adsorbciju uz koagulanta nav tik viegli izmērīt, un tā ir arī grūti pierādīt iespējamo tiltu veidošanos starp daļiņām ar sāls jonu palīdzību. Tiek pieņemts, ka van der Vālsa spēki ir daļiņu piesaistes avots; faktiski silīcija dioksīda daļiņas to saskares punktos var saturēt kopā ar adsorbētiem joni, piemēram, Na+.

Van der Vālsa spēkus bieži sauc par "izkliedes spēkiem", kas nav pilnīgi pareizi, jo tie ir pievilcīgi spēki, nevis izkliedes spēki fiziskajā nozīmē. Rouvelers un Overbeks pētīja spēkus, kas veidojas starp silīcija dioksīda virsmām. Līdzīgi Tabors un Vintertons izmērīja spēkus starp vizlas plākšņu virsmām un secināja, ka ūdens klātbūtne samazina pievilcību apmēram 10 reizes.

Diezgan iespējams, ka aplūkotajā silīcija dioksīda sistēmā dispersijas spēkiem ir nenozīmīga loma vai tiem nav nekādas nozīmes. Kā atzīmēja Dumonts un Vatiljons, silīcija dioksīds ir vissarežģītākā zināmā oksīdu sistēma, jo tai ir maksimāla stabilitāte nulles lādiņa punktā. Šajā brīdī Hamakera konstante ir ļoti zema, un tāpēc izkliedes spēki ir nenozīmīgi, tāpēc vismaz dažos pH diapazonos daļiņu agregācija ietver veidošanos. ķīmiskā saite. DePasse un Watillon detalizētākā pētījumā tika atzīmēts, ka viens ūdens vienslānis ir pietiekams, lai pārbaudītu dispersijas spēkus starp mazām koloidālā silīcija dioksīda daļiņām (diametrs ir mazāks par 25 nm).

Tādējādi dispersijas spēkiem, iespējams, nav nekādas nozīmes, izņemot, iespējams, solus, kuru daļiņu izmērs ir lielāks par 100 nm.

Atšķirību starp silīcija dioksīdu un citiem oksīdiem, pēc Vīzes un Hīlija domām, uzsver fakts, ka tādi oksīdi kā TiO2 un Al203 ir pakļauti flokulācijai sāļu un pH ietekmē, ko zināmā mērā apmierinoši izskaidro DLVO teorija, ikreiz, kad elektrokinētiskais potenciāls nokrītas zem 14 + 4 mV.

koloidālās daļiņas ir sarežģīta struktūra. Tie sastāv no kodoliem un adsorbētajiem un piesaistītajiem joniem. Apsveriet silīcijskābes koloidālās daļiņas struktūru, kas izveidojās ļoti atšķaidītu nātrija silikāta šķīdumu mijiedarbības rezultātā. sālsskābes(Na2Si03 + 2HCl = H2Si03 + 2NaCl). Ja Na2 Si03 ir pāri, tad silīcijskābe neizgulsnējas, bet veidojas caurspīdīgs koloidāls H2 Si03 šķīdums. Koloidālās daļiņas kodols ir neitrāls, tas sastāv no m H2Si03 molekulām. Uz kodola virsmas adsorbējas n Si03 2- joni, tie ir potenciālu noteicošie joni, jo tie nosaka koloidālās šķīduma daļiņas lādiņu.

Adsorbētie potenciālu noteicošie joni piesaista no šķīduma pretējās zīmes jonus - pretjonus. Šajā gadījumā tie ir Na+ joni, un daļa no tiem 2(n - x) ir adsorbēta uz daļiņas. Adsorbētie SiO3 2- joni kopā ar Na+ pretjoniem veido adsorbcijas slāni. Otra 2xNa+ pretjonu daļa atrodas šķidrā fāzē un veido kustīgu difūzu slāni.

Kodols kopā ar adsorbcijas slāni tiek saukts par granulu.

Mūsu piemērā granula ir negatīvi lādēta, jo Si03 2- jonu adsorbcija ir spēcīgāka nekā Na- jonu adsorbcija.

Koloidālo daļiņu kopā ar difūzijas slāņa pretjoniem sauc par micellu. Šī ir atsevišķa koloidālā šķīduma daļiņa.

Micella (koloidāla daļiņa)

Koagulācija(lat. koagulācija- koagulācija, sabiezēšana, palielināšana) - mazu izkliedētu daļiņu apvienošana lielākos agregātos.

Koagulācija ir ķīmisku un fizikālu mijiedarbību komplekss starp negatīvi lādētām koloidālām daļiņām un katjoniem, t.i. pozitīvi lādētas ķīmiskas vielas. Tas izmanto dažādus atgrūšanas un pievilkšanas spēkus, kas nodrošina koloidālās suspensijas stabilitāti vai, gluži pretēji, nestabilitāti, proti:

• elektrostatiskais atgrūšanas spēks
• Brauna kustība
• van der Vālsa pievilkšanas spēki
• spēku smagums

Koagulācija destabilizē koloidālo suspensiju, izmantojot divus dažādus mehānismus:

1. Lādiņa neitralizācija

Pozitīvi lādētie koagulanti neitralizē negatīvo lādiņu, kas ieskauj koloidālās daļiņas. Kad lādiņš ap katru daļiņu tiek neitralizēts, tie pamazām tuvojas viens otram, samazinot to efektīvo rādiusu, galu galā kļūstot nestabiliem un var sadurties viens ar otru. Daļiņām saduroties, tās savienojas viena ar otru ūdeņraža saišu vai, piemēram, van der Vāla spēku ietekmē, veidojot lielas masas jeb pārslas. Tīrīšanas procesā pielietotā maisīšanas enerģija palielina šo daļiņu sadursmju skaitu un biežumu, palielinot cietās vielas aglomerāciju un veicinot floku veidošanos.

2. Ķīmiskā saite

Pārslu veidošanos veicina koagulantu polimēriskais raksturs. Viņu garās molekulārās ķēdes uztver aglomerētas daļiņas, veido tiltus no vienas virsmas uz otru, savienojot atsevišķas pārslas lielās, viegli noņemamās masās.

Šulca-Hērdija likums.

Koagulējošā jona koagulācijas spēja palielinās, palielinoties tā lādiņam (Šulces likums).

Koloidālo sistēmu stāvokļa maiņa

Koloidālajām sistēmām ir augsti attīstīta saskarne un līdz ar to liels brīvās virsmas enerģijas pārpalikums. Tāpēc šīs sistēmas ir termodinamiski nestabilas. Ja radīto apstākļu dēļ sola micellas nonāk ciešā saskarē viena ar otru, tās apvienojas lielos agregātos.

Koagulācija- tas ir koloidālo daļiņu nostiprināšanas process solos, kas notiek ārējās ietekmes ietekmē

Sedimentācija– sola cietās fāzes palielināto daļiņu sedimentācijas process.

Koagulācijas process ir saistīts ar dispersijas pakāpes samazināšanos un ir saistīts ar koloidālo sistēmu agregatīvo nestabilitāti.

Ir 2 koagulācijas posmi:

1) latentā koagulācija - kad jaundzimušā gāze vēl nevar novērot nekādas ārējās izmaiņas pelnos.

2) izteikta koagulācija, kad sola dispersās fāzes daļiņu agregācijas procesu var viegli noteikt vizuāli.

Koagulāciju var izraisīt temperatūras paaugstināšanās, ilgstoša dialīze, elektrolītu pievienošana, dažāda veida mehāniskās ietekmes (maisīšana, kratīšana, maisīšana), spēcīga dzesēšana, ultracentrifugēšana, koncentrēšana, transmisija elektriskā strāva, darbība uz sola ar citu soli.

Tā kā galvenais nosacījums koloidālo šķīdumu stabilitātes samazināšanai ir elektriskā lādiņa zudums, galvenās to koagulācijas metodes ir lādiņu noņemšanas metodes.

Hidrofobu solu koagulācija ar elektrolītiem

Lai koagulācijas process sāktos, pelnos ir nepieciešama noteikta minimālā elektrolīta koncentrācija.

Koagulācijas slieksnis– zemākā elektrolīta koncentrācija mmol/l, kas izraisa koagulāciju (šķīduma duļķainība, krāsas maiņa).

Šulca-Hardija likums- Koagulācijas joni ar augstāku lādiņu, izraisa koagulāciju zemākā koncentrācijā nekā joni ar zemāku lādiņu.

Šulca-Hardija likumam ir aptuvens raksturs, kopš elektrolīta koagulējošā iedarbība ir atkarīga ne tikai no tā jonu lādiņa. Dažiem organiskiem atsevišķi lādētiem joniem ir spēcīgāka adsorbcija.

Pēc jonu koagulācijas spējas lieluma sārmu metāli var sakārtot šo metālu jonu rindās - liotropās līnijas.

Cs + >Rb + >NH4 + >K + >Na + >Li +

Hidrofobu solu koagulāciju var izraisīt, izmantojot elektrolītu maisījumu. Šajā gadījumā ir iespējami 3 gadījumi:

1) Jauktu elektrolītu koagulācijas efekts ir summēts.

2) Elektrolītu maisījuma koagulācijas efekts ir mazāks nekā tīru elektrolītu gadījumā. Šo fenomenu sauc antagonisms joni. Tas ir raksturīgs dažādu valenču jonu maisījumiem.

3) Vairākos gadījumos notiek savstarpēja jaukto jonu koagulācijas darbības pastiprināšanās. Šo fenomenu sauc sinerģija joni.

Hidrofobo koloīdu koagulāciju var izraisīt, sajaucoties noteiktās kvantitatīvās attiecībās ar citu hidrofobu solu, kura granulām ir pretēja zīme. Šo fenomenu sauc savstarpēja koagulācija. Savstarpēja koagulācija notiek, sajaucot jūras un upes ūdeni. Tajā pašā laikā sāls joni jūras ūdens tiek adsorbēti uz uzlādētām upes ūdens koloidālajām daļiņām, kā rezultātā tās koagulējas. Šī iemesla dēļ apakšā pastāvīgi uzkrājas liels daudzums dūņu, veidojas daudz sēkļu un salu.

Ikdienā: tintes ir dažādu krāsvielu koloidāli šķīdumi. Turklāt dažādās tintēs koloidālās daļiņas tiek uzlādētas atšķirīgi. Tieši tāpēc, sajaucot dažādas tintes, notiek savstarpēja koagulācija.

Elektrolītu koagulācijas mehānisms

Granula kļūst elektriski neitrāla, ja difūzā slāņa negatīvi lādētie pretjoni pārvietojas adsorbcijas slānī. Jo augstāka ir pievienotā elektrolīta koncentrācija, jo vairāk samazinās difūzais slānis, jo mazāks kļūst potenciāls, jo ātrāk sākas koagulācijas process. Pie noteiktas elektrolīta koncentrācijas gandrīz visi pretjoni nokļūs adsorbētajā slānī, granulas lādiņš samazināsies līdz nullei, un koagulācija notiks ar maksimālo ātrumu.

Elektrolītu koagulējošā iedarbība tiek samazināta līdz difūzā slāņa saspiešanai un selektīvai adsorbcijai uz to elektrolītu jonu koloidālajām daļiņām, kuru lādiņš ir pretējs granulu plūsmai. Jo augstāks ir jona lādiņš, jo intensīvāk tas tiek adsorbēts. Jonu uzkrāšanos adsorbētajā slānī pavada potenciāla un difūzā slāņa samazināšanās.

Secinājums: elektrolītu koagulējošais efekts ir samazināt atgrūšanas spēkus starp koloidālajām daļiņām, samazinot potenciālu un mainot dubultā elektriskā slāņa struktūru un saspiežot tā difūzo daļu, ko izraisa elektrolīta - koagulanta pievienošana. difūzo jonu, kas atdala koloidālās daļiņas, hidrātu apvalku ķīļveida efekta samazināšanās.

Pievienojot soliem elektrolītus ar daudzkārt uzlādētiem joniem, kuru lādiņš pēc zīmes ir pretējs koloidālo daļiņu lādiņam, var novērot nevis koagulāciju, bet gan sola stabilizāciju un potenciāla izmaiņas. Šo fenomenu sauc uzlādēt sol.

Sarecēšanas procesi bieži notiek dabā, piemēram, pie upju satekas jūrā. Upes ūdens vienmēr satur koloidālas dūņu, māla, smilšu vai augsnes daļiņas.

Upes ūdenim sajaucot ar sāļo jūras ūdeni (kurā ir lielāks elektrolītu daudzums), sākas šo daļiņu koagulācija, un ūdens plūsmas ātruma samazināšanās veicina to nosēšanos upju grīvā, kā rezultātā veidojas daļiņas. sēkļus un salas.

Koagulāciju plaši izmanto ūdens apgādes tīklā nonākošā ūdens attīrīšanā. Lai to izdarītu, tam pievieno alumīnija un dzelzs(III) sulfātus, kas, būdami labi koagulanti, tiek arī hidrolizēti, veidojot metāla hidroksīda zolus. Šo solu daļiņām parasti ir lādiņš, kas ir pretējs ūdenī esošo granulu lādiņam. Tā rezultātā notiek savstarpēja solu koagulācija un to nogulsnēšanās.

Koloidālie šķīdumi ir atrodami kanalizācija daudzas nozares: piemēram, stabilas naftas produktu emulsijas, dažādi citi organiskie šķidrumi. Tos iznīcina, attīrot notekūdeņus ar sārmzemju metālu sāļiem.

Cukurrūpniecībā cukurbiešu sulas attīrīšanā izmanto koagulācijas procesus. Tā sastāvā papildus saharozei un ūdenim ir vielas, kas nav cukurs, bieži vien koloidāli izkliedētā stāvoklī. Lai tos noņemtu, sulai pievieno Ca (OH) 2. Viņa masas daļa parasti tas nepārsniedz 2,5%. Piemaisījumi koloidālā stāvoklī sarecē un nosēžas. Lai no sulas noņemtu lieko Ca (OH) 2, izlaidiet to cauri oglekļa dioksīds. Rezultātā veidojas CaCO 3 nogulsnes, kas no šķīduma izved daudzus šķīstošus piemaisījumus.

Koagulācijas procesiem ir būtiska loma dzīvā organismā, jo bioloģiskie šķidrumi satur koloidāli izkliedētas daļiņas, kas saskaras ar izšķīdušiem elektrolītiem. Parasti šīs sistēmas parasti atrodas līdzsvara stāvoklī, un tajās nenotiek koagulācijas procesi. Tomēr šo līdzsvaru var viegli izjaukt, ievadot papildu daudzumu elektrolīta no ārpuses. Turklāt, ievadot to organismā, jāņem vērā ne tikai tā koncentrācija bioloģiskajā šķidrumā, bet arī jonu lādiņš. Tādējādi izotonisku NaCl šķīdumu nevar aizstāt ar izotonisku MgCl 2 šķīdumu, jo šis sāls, atšķirībā no NaCl, satur divkārši lādētus Mg 2+ jonus, kuriem ir lielāka koagulācijas spēja nekā Na + joniem.

Ievadot sāļu maisījumu asinsritē, vispirms jāpārliecinās, vai šim maisījumam nav sinerģiska efekta, lai izvairītos no organismam kaitīgas koagulācijas.

Daudzu problēmu risināšana medicīnā: asinsvadu protezēšana, sirds vārstuļu u.c. - atkarīgs no asins koagulācijas procesiem. Tos var uzskatīt par eritrocītu koagulāciju. Operācijā operāciju laikā asinīs tiek ievadīti antikoagulanti (heparīns, modificēts dekstrāns, poliglucīns). Pēc operācijām un iekšējas asiņošanas gadījumā, gluži pretēji, elektrolīti, kas veicina koagulācijas plūsmu: kaproīnskābe, protamīna sulfāts.

Daudzu slimību diagnosticēšanai klīniskajās laboratorijās nosaka eritrocītu sedimentācijas ātrumu (ESR). Dažādu patoloģiju gadījumā vairāku iemeslu dēļ eritrocītu koagulācija palielinās, un to sedimentācijas ātrums kļūst lielāks nekā parasti.

Žults, urīna un citu akmeņu veidošanās organismā ir saistīta arī ar palielināšanos patoloģiski apstākļi holesterīna, bilirubīna, urīnskābes sāļu sarecēšana dabiskās vājināšanās dēļ aizsargājošs efekts. Šo procesu mehānisma izpēte ir ārkārtīgi svarīga šo slimību ārstēšanas veidu izstrādei.

Liofobi koloidālie šķīdumi kā termodinamiski nestabilas sistēmas var sabrukt spontāni vai ārējās ietekmes ietekmē. Koloidālo šķīdumu iznīcināšana sākas ar to koagulāciju.

koagulācija tiek saukts koloidālo daļiņu salipšanas process ar lielāku agregātu veidošanos, ko izraisa koloidālā šķīduma agregācijas stabilitātes zudums.

Koagulācijas rezultātā izkliedētās fāzes palielinātās daļiņas viegli nogulsnējas, un sistēma tiek stratificēta. Tādējādi koagulācijas cēlonis ir koloidālā šķīduma agregatīvās stabilitātes zudums, un koagulācijas sekas ir tā sedimentācijas stabilitātes samazināšanās.

Praksē koagulāciju var izraisīt dažādas ārējas ietekmes: neliela elektrolīta daudzuma pievienošana, koloidālā šķīduma koncentrācija, temperatūras izmaiņas, ultraskaņas iedarbība, elektromagnētiskais lauks un utt.

Koagulācijas parādība ir pamatā daudziem patoloģiskiem procesiem, kas notiek dzīvās sistēmās. Kalcija fosfāta un holesterīna koloidālo šķīdumu koagulācija asinīs izraisa nogulšņu veidošanos un to nogulsnēšanos uz asinsvadu iekšējās virsmas (aterosklerozes asinsvadu izmaiņas).

Koagulācija izpaužas asins recēšanas procesā. Asins koagulācijai organismā ir divas pretējas lomas: no vienas puses, tā samazina asins zudumu, ja tiek bojāti audi, no otras puses, izraisa asins recekļu veidošanos asinsrites sistēmā. Asins koagulācija ir ļoti sarežģīts fermentatīvs process. Tajā pašā laikā asinīs darbojas antikoagulantu sistēma, kuras pamatā ir heparīns, asins antikoagulants.

Saglabājot asinis, jāņem vērā to raksturs. Tā kā kalcija katjoni veicina asins recēšanu, tie tiek izņemti no asinīm, kas paredzētas konservēšanai, izmantojot dažādas fizikāli ķīmiskās metodes. Piemēram, pievienojot nātrija citrātu, tiek izgulsnēts kalcijs, pēc tam asinis tiek turētas vēsas, paliekot piemērotas pārliešanai 30 dienas. Pilnas asinis var arī atkaļķot ar jonu apmaiņu, izmantojot Na-katjonu apmainītājus.

Koagulācija elektrolītu ietekmē. AT bioloģiskās sistēmas Vislielākā praktiskā nozīme ir koagulācijai, pievienojot nelielu daudzumu elektrolīta, jo šūnu un bioloģisko šķidrumu koloidālie šķīdumi saskaras ar elektrolītiem. Koloidālā šķīduma koagulāciju var izraisīt jebkurš elektrolīts. Tomēr katram elektrolītam ir nepieciešama sava minimālā koncentrācija, ko sauc par koagulācijas slieksni (C pc).

Koagulācijas slieksnis sauc par minimālo elektrolīta daudzumu, kas jāpievieno koloidālajam šķīdumam, lai izraisītu acīmredzamu koagulāciju (redzama ar aci) - šķīduma duļķainību vai tā krāsas izmaiņas. Koagulācijas slieksni var aprēķināt, izmantojot formulu:

kur Sal ir elektrolīta šķīduma sākotnējā koncentrācija; Vel ir koloidālajam šķīdumam pievienotā elektrolīta šķīduma tilpums; Vkp ir koloidālā šķīduma tilpums.

Tiek saukts koagulācijas sliekšņa apgrieztais skaitlis koagulācijas darbība(y): y=1/Spk

Tiek pakļauta elektrolītu koagulējošā iedarbība uz koloidālajiem šķīdumiem ar jonu stabilizatoru Šulca-Hardija likums: koloidālo šķīdumu koagulāciju izraisa jebkuri joni, kuriem ir pretēja lādiņa zīme granulu zīmei. Jo spēcīgāka ir jonu (y) koagulējošā iedarbība, jo lielāks ir koagulējošā jona lādiņš.

Koagulējošā jona koagulācijas efekts ir tieši proporcionāls tā lādiņam līdz sestajai pakāpei: y \u003d f (z 6). Piemēram, AgI sola koagulācija ar negatīvi lādētām granulām (potenciālu noteicošie joni - anjoni I -) notiek pozitīvi lādētu jonu darbības rezultātā. Tāpēc, pievienojot šim solam NaCl, CaCl 2, AlCl 3 šķīdumus, Na +, Ca 2+, A1 3+ katjonu koagulācijas efekts strauji palielināsies; y (Na+): y (Ca 2+): y (Al 3+) = 1:64:729. AgI sola koagulācija ar pozitīvi lādētām granulām (potenciālu noteicošie joni-katijoni Ag +), gluži pretēji, notiek negatīvi lādētu jonu dēļ. KCl, K 2 SO 4, K 3 šķīdumu pievienošana zolam izraisīs anjonu koagulācijas efekta palielināšanos šādā secībā: y(Cl -): y (SO 4 (2-)): y 3- = 1:64:729.

Pastāv novirzes no Šulca-Hardija likuma, jo jona koagulējošo efektu papildus lādiņam ietekmē koagulējošā jona rādiuss, kā arī koagulējošā jona pavadošā jona raksturs.

Ievadot sāls šķīdumus dzīvajos organismos, jāņem vērā elektrolīta spēcīgā ietekme uz koloidālo šķīdumu koagulāciju. Šajā gadījumā nozīme ir ne tikai koncentrācijai, bet arī ievadīto jonu lādiņam. Tātad nātrija hlorīda sāls šķīdumu (0,9%) nevar aizstāt ar izotonisku magnija sulfāta šķīdumu, jo šis sāls satur divkārši lādētus Mg 2+ un SO 4 (2-) jonus, kuriem ir augstāka koagulācijas iedarbība nekā Na + un Cl. - joni..

Injicējot elektrolītu muskuļu audos vai cilvēka asinīs, tas jāievada pakāpeniski, lēni, lai neizraisītu bioloģisko koloidālo sistēmu koagulāciju. Ātrā elektrolīta ievadīšana zemā difūzijas ātruma dēļ asinīs vai muskuļu audos izraisa elektrolīta uzkrāšanos, lokālu (lokālu) tā sliekšņa koncentrācijas pārsniegumu un izraisa biosubstrātu koagulāciju, ko ir grūti apturēt. Ar lēnu ievadīšanu elektrolītam ir laiks aizplūst ar asins plūsmu un izkliedēties blakus audos, tādējādi netiek sasniegta sliekšņa koncentrācija un nenotiek koagulācija. Šo parādību dzīvos audos sauc "atkarību izraisošs".

Koagulācijas mehānisms. Elektrolītu loma koagulācijā ir samazināt atdalošo spiedienu starp tuvojošām koloidālajām daļiņām. Tas var notikt divējādi: samazinot cietās fāzes virsmas lādiņu (kodola virsmas lādiņu), t.i. sakarā ar saskarnes potenciāla Fmf samazināšanos vai micellu jonu atmosfēru biezuma (saspiešanas) samazināšanos ar pastāvīgu lādiņu to kodolu virsmā. Šajā sakarā ir iespējami divi koagulācijas veidi: neitralizācija un koncentrācija.

Neitralizācijas koagulācija rodas elektrolīta iedarbībā, kas ķīmiski mijiedarbojas ar potenciālu noteicošajiem joniem, saistot tos spēcīgā savienojumā (piemēram, pārvēršoties nogulsnēs) un tādējādi samazinot lādiņu uz kodola virsmas. Neitralizācijas koagulācija tiek novērota, piemēram, pievienojot K 2 S koloidālam AgI šķīdumam ar pozitīvi lādētām granulām (potenciālu noteicošie joni ir Ag + katjoni). Starp koagulējošajiem anjoniem S 2- un potenciālu noteicošajiem katjoniem Ag + notiek reakcija, veidojoties slikti šķīstošam Ag 2 S savienojumam, kas noved pie AgI micellas iznīcināšanas:

Potenciālu noteicošo Ag + katjonu saistīšanās rezultātā krītas saskarnes potenciāls F MF un samazinās NO 3 (-) pretjonu skaits, kas nepieciešams kodola virsmas lādiņa kompensēšanai. Tādējādi jonu atmosfēra ap kodoliem kļūst plānāka, samazinās atdalošais spiediens starp tuvojošām daļiņām, kas savukārt noved pie to salipšanas lielākos agregātos.

Koncentrācijas koagulācija notiek elektrolīta iedarbībā, kas ķīmiski nesadarbojas ar stabilizatora joniem un nemaina micellas kodola virsmas lādiņu. Tomēr šajā gadījumā tiem pievienotā elektrolīta joniem, kas ir pretjoni šīm micellām, ir koagulācijas efekts, jo, palielinot to koncentrāciju, tie iekļūst granulā, saspiežot (saspiežot) micellu jonu atmosfēru ap kodolu. Koncentrācijas koagulācija notiek pie nemainīga saskarnes potenciāla Fmf, bet parasti to pavada ζ potenciāla samazināšanās. Koncentrācijas koagulācija tiek novērota, piemēram, pievienojot nitrātus AgI koloidālajam šķīdumam, kura micellas satur NO 3 (-) pretjonus:

Palielinoties pievienoto NO 3 (-) jonu koncentrācijai, tie veicina pretjonu iekļaušanu no difūzā slāņa adsorbcijas slānī. Šajā gadījumā difūzais slānis tiek saspiests, un var rasties stāvoklis, kad difūzais slānis vispār pazūd un granula kļūst elektriski neitrāla. Šādā stāvoklī atdalošais spiediens starp tuvojošām daļiņām ir minimāls, un tas noved pie daļiņu salipšanas lielākos agregātos.

Tā kā granulu lādiņš šajos apstākļos ir 0, elektriskajā laukā tās neiegūst virzītu kustību uz elektrodiem, jo ​​granulas atrodas izoelektriskā stāvoklī.

Izoelektriskais stāvoklis ir koloidālo daļiņu stāvoklis, kurā elektrokinētiskais potenciāls ζ ir vienāds ar 0 un ko raksturo granulu virzītas kustības trūkums elektriskajā laukā.

Koloidālā šķīduma agregātstabilā stāvoklī vērtība svārstās no 50 līdz 70 mV. Kad ζ-potenciāls elektrolīta iedarbībā samazinās līdz 25–30 mV, sistēmā netiek novērotas ārējas izmaiņas (duļķainība vai krāsas maiņa), jo koagulācijas ātrums joprojām ir ļoti zems, kā rezultātā šī stadija (I ) koagulāciju sauc par “latento” koagulāciju (.6.10. att.). Tālāka elektrolīta pievienošana virs Cmax izraisa vēl lielāku difūzā slāņa saspiešanu un ζ-potenciāla samazināšanos, ko pavada šķīduma duļķainība, un sākas “dzidra” koagulācija. Sākotnēji koagulācijas ātrums strauji palielinās (II stadija), un pēc tam kļūst nemainīgs, kad ζ-potenciāla vērtība kļūst nulle un sākas ātrās koagulācijas stadija (III).

Koagulācija ar elektrolītu maisījumiem. Praksē koagulāciju bieži izraisa elektrolītu maisījuma darbība. Pastāv trīs iespējamas mijiedarbības starp elektrolītiem: aditīva darbība, antagonisms un sinerģisms.

Rīsi. 6.10. Elektrolītu koncentrācijas ietekme uz koagulācijas ātrumu

Aditivitāte ir to jonu koagulācijas darbības summēšana, kas izraisa koagulāciju.

Aditīvs efekts izpaužas gadījumos, kad elektrolīti, kas satur koagulējošos jonus, savstarpēji ķīmiski nesadarbojas. Piemēram, KCl un NaNO 3 sāļu maisījums uzrāda aditīvu efektu attiecībā uz koloidāliem šķīdumiem gan ar negatīvi, gan pozitīvi lādētām granulām. Pirmajā gadījumā koagulāciju izraisa K + un Na + katjoni, otrajā - Cl - un NO 3 (-) anjoni.

Antagonisms ir viena elektrolīta koagulācijas darbības pavājināšanās cita elektrolīta klātbūtnē.

Pb 2+ + 2Cl - = PbCl 2 ↓

Darbības antagonisms tiek novērots, ja, kā rezultātā ķīmiskā reakcija starp elektrolītiem koagulējošie joni saistās nešķīstošā savienojumā (nogulsnēs) vai stiprā kompleksā, kam nav koagulācijas spēju. Piemēram, Pb 2+ katjonu koagulācijas efekts attiecībā pret negatīvi lādētām granulām NaCl klātbūtnē tiek vājināts, jo notiek reakcija, kuras rezultātā nokrišņu dēļ samazinās koagulējošo Pb 2+ jonu koncentrācija šķīdumā. no PbCl 2:

Sinerģija- tas ir viena elektrolīta koagulācijas efekta palielināšanās cita elektrolīta klātbūtnē.

Darbības sinerģisms iespējama, ja starp elektrolītiem notiek ķīmiska mijiedarbība, kuras rezultātā veidojas daudzkārt uzlādēts jons, kuram ir ļoti augsta koagulācijas spēja. Piemēram, FeCl 3 un KCNS koagulējošais efekts attiecībā uz pozitīvi lādētām granulām (koagulējošie joni Cl (-) un CNS -) tiek daudzkārt pastiprināta, jo notiek reakcija, kuras rezultātā tiek daudzkārt uzlādēti anjoni 3-. veidojas, kam piemīt augsta koagulācijas spēja:

FeCl 3 + 6KCNS → K 3 + 3KCl

Izmantojot elektrolītus laboratorijas un medicīnas praksē, vienmēr jārēķinās ar koagulācijas iespējamību bioloģiskajās vidēs. Tātad, ievadot organismā dažādas ārstnieciskas vielas (injekciju veidā), vispirms jāpārliecinās, vai šīs vielas nav sinerģisti, lai izvairītos no iespējamas koagulācijas. Savukārt, apstrādājot rūpnieciskos ūdeņus, kaitīgs var būt ievadīto elektrolītu antagonisms, kas novērš koloidālo piesārņotāju iznīcināšanu.

Dabiskajos ūdeņos, kā arī rūpnieciskajos notekūdeņos bieži notiek koagulācija, sajaucoties dispersām sistēmām, kas satur dažādas daļiņas. heterokoagulācija ko sauc par koloidālu šķīdumu koagulāciju, kas satur neviendabīgas daļiņas, kas atšķiras ar ķīmiskā daba, lādiņa zīme vai lielums.

Īpašs heterokoagulācijas gadījums ir savstarpēja koagulācija- koloidālo šķīdumu pretēji lādētu granulu saķere. Šajā gadījumā koagulācija notiek pilnīgāk, jo pilnīgāk tiek neitralizēti granulu lādiņi.

Heterokoagulācija tiek plaši izmantota praksē saistībā ar dabisko un rūpniecisko ūdeņu attīrīšanas problēmu. Ūdenim, kas satur koloidālus piemaisījumus, pievieno alumīnija vai dzelzs (3) sāļus, kas ir labi koagulanti. Hidrolīzes rezultātā šie sāļi dod slikti šķīstošos hidroksīdus Al(OH) 3 vai Fe(OH) 3, kas veido koloidālus šķīdumus ar pozitīvi lādētām granulām. Tā rezultātā notiek koagulācija, ko pavada pārslu veidošanās no agregētām neviendabīgām micellām, kas izgulsnējas.

Koagulācijas procesā, kas saistīts ar agregatīvās stabilitātes zudumu, notiek koloidālā šķīduma iznīcināšana, ko pavada nokrišņi - koagulācija. Taču, ja koagulātam tiek atgriezta agregatīvā stabilitāte, tad var notikt pretējs process – peptizācija.

Peptizācija Tiek saukts reversais koagulācijas process - koagulācijas rezultātā radušos nogulšņu pārvēršanās stabilā koloidālā šķīdumā.

Peptizāciju var veikt divos veidos, no kuriem katrs palielina agregācijas stabilitāti, jo micellās tiek atjaunota pietiekami brīva jonu atmosfēra:

koagulāta mazgāšana ar tīru šķīdinātāju (dispersijas vidi), kas izraisa koagulāciju izraisījušo jonu izskalošanos no sistēmas un jonu atmosfēras atslābināšanu ap daļiņām;

· speciāla elektrolītu-peptizatora pievienošana, kura joni, adsorbējoties uz koagulācijas daļiņu virsmas, atjauno ap šīm daļiņām irdenu jonu atmosfēru un veicina to pāreju uz koloidālu stāvokli.

Tomēr ne visas koagulācijas laikā iegūtās nogulsnes var tikt peptizētas. Vissvarīgākie nosacījumi efektīvai peptizācijai ir šādi:

· Peptizēties ir spējīgas tikai svaigi iegūtas nogulsnes, jo, palielinoties kontakta ilgumam starp izkliedētās fāzes daļiņām, notiek pakāpeniska nogulšņu sablīvēšanās un šķidrās fāzes izspiešana no tās struktūras;

Nepieciešams pievienot nelielu daudzumu elektrolītu-peptizatora, pretējā gadījumā atkal var notikt koagulācija;

Peptizāciju veicina maisīšana un karsēšana.

Peptizācijas process ir pamatā vairāku patoloģisku izmaiņu ārstēšanai cilvēka organismā: aterosklerozes plāksnīšu uzsūkšanās uz asinsvadu sieniņām, nierakmeņu un aknu akmeņi vai asins recekļu veidošanās asinsvados antikoagulantu iedarbībā. Vienlaikus jāņem vērā ārstniecisko vielu (antikoagulantu) ievadīšanas asinīs savlaicīgums: vecie asins recekļi asinsvados, kā arī sablīvētie akmeņi praktiski netiek peptizēti, t.i. nešķīst.

6.9. Rupjās sistēmas: suspensijas, emulsijas, aerosoli

Rupji izkliedētas sistēmas iedala trīs grupās: emulsijas, suspensijas un aerosoli.

emulsijas ir dispersas sistēmas ar šķidru dispersijas vidi un šķidru izkliedētu fāzi.

Tos var arī iedalīt divās grupās:

1. tiešie - nepolāra šķidruma pilieni polārā vidē (eļļa ūdenī);

2. reverss (ūdens eļļā).

Izmaiņas emulsiju sastāvā vai ārējas ietekmes var izraisīt tiešas emulsijas pārvēršanos apgrieztā un otrādi. Vispazīstamāko dabisko emulsiju piemēri ir piens (uz priekšu emulsija) un eļļa (apgrieztā emulsija). Tipiska bioloģiskā emulsija ir tauku pilieni limfā. Ķīmiskajā tehnoloģijā emulsijas polimerizāciju plaši izmanto kā galveno metodi gumiju, polistirola, polivinilacetāta u.c. ražošanai.

Suspensijas ir rupji izkliedētas sistēmas ar cietu izkliedētu fāzi un šķidru dispersijas vidi.

Īpašu grupu veido rupji izkliedētas sistēmas, kurās izkliedētās fāzes koncentrācija ir salīdzinoši augsta, salīdzinot ar tās zemo koncentrāciju suspensijā. Šādas izkliedētas sistēmas sauc par pastām. Piemēram, jūs esat labi pazīstams no Ikdiena zobārstniecības, kosmētikas, higiēnas u.c.

Aerosoli- tās ir rupji izkliedētas sistēmas, kurās dispersijas vide ir gaiss, un izkliedētā fāze var būt šķidruma pilieni (mākoņi, varavīksne, matu laka vai dezodorants, kas izdalīts no aerosola baloniņa) vai cietas daļiņas (putekļu mākonis, viesuļvētra).

Koloidālās sistēmas ieņem starpposmu starp rupjām sistēmām un patiesiem risinājumiem. Tie ir plaši izplatīti dabā. augsne, māls, dabiskie ūdeņi, daudzi minerāli, tostarp daži dārgakmeņi, ir koloidālas sistēmas.
Liela nozīme ir koloidālās sistēmas bioloģijai un medicīnai. Katrs dzīvs organisms sastāv no cietām, šķidrām un gāzveida vielas, kas ir sarežģītās attiecībās ar vide. No ķīmiskā viedokļa ķermenis kopumā ir daudzu koloidālu sistēmu komplekss kopums.

Koloidālās sistēmas iedala solos (koloidālie šķīdumi) un želejas (želejas).

Lielākā daļa šūnas bioloģisko šķidrumu (citoplazma, kodola sula - karioplazma, vakuolu saturs) un dzīvā organisma kopumā ir koloidāli šķīdumi (sols).

Priekš sols raksturīgs koagulācijas fenomens, t.i. koloidālo daļiņu saķere un to izgulsnēšanās. Šajā gadījumā koloidālais šķīdums pārvēršas suspensijā vai gēlā. Daži organiskie koloīdi sarecē karsējot (olu baltums, līmes) vai mainoties skābju-bāzes videi (gremošanas sulas).

Želejas ir koloidālas sistēmas, kurās izkliedētās fāzes daļiņas veido telpisku struktūru.

Gēli ir izkliedētas sistēmas, ar kurām jūs saskaraties ikdienas dzīvē.

Laika gaitā gēlu struktūra ir salauzta - no tiem izdalās šķidrums. notiek sinerēze- spontāna gēla tilpuma samazināšanās, ko papildina šķidruma atdalīšanās. Sinerēze nosaka pārtikas, medicīnisko un kosmētisko želeju glabāšanas laiku. Bioloģiskā sinerēze ir ļoti svarīga siera, biezpiena gatavošanā.

Autors izskats patiesos un koloidālos šķīdumus ir grūti atšķirt vienu no otra. Lai to izdarītu, izmantojiet Tyndall efekts- "gaismas ceļa" konusa veidošanās, kad gaismas stars tiek izlaists caur koloidālu šķīdumu. Sola izkliedētās fāzes daļiņas ar savu virsmu atstaro gaismu, bet īstā šķīduma daļiņas neatstaro. Līdzīgu efektu, bet tikai aerosolam, nevis šķidram koloīdam, var novērot kinoteātrī, kad kinokameras gaismas stars iziet cauri auditorijas putekļainajam gaisam.

6.10. Elektrokinētiskās parādības dispersās sistēmās: elektroforēze, elektroosmoze

Elektriskais lādiņš var rasties uz jebkuras cietas virsmas, kas saskaras ar šķidrumu. Īpatnējā lādiņa vērtība ir salīdzinoši neliela: piemēram, māliem uz robežas ar ūdeni tas ir vairāki desmiti milikulonu, tātad 1 kg smaga māla gabala virsma ir vienāda ar simtdaļām. kvadrātmetru, būs niecīgs elektriskais lādiņš. Māla daļiņas ar kopējo masu 1 kg realizē virsmu miljoniem reižu lielāku par cieto gabalu, kas izraisa krasu virsmas lādiņa pieaugumu. Ievērojama virsmas lādiņa parādīšanās izraisa īpašu elektrokinētisku parādību rašanos, kas raksturīgas tikai dispersām sistēmām.

Elektrokinētiskās parādības ir tās parādības, kas rodas, pakļaujot tām elektriskais lauks uz dispersām sistēmām un dispersās fāzes vai dispersijas vides daļiņu kustības rezultātā. Neskatoties uz elektrokinētisko parādību atšķirībām, tās visas ir saistītas ar dubultā elektriskā slāņa klātbūtni un nosaka ζ-potenciāls, tieši tāpēc to sauc par elektrokinētisku.

Ārējais elektriskais lauks izraisa tādas disperso sistēmu elektrokinētiskās parādības kā elektroforēze un elektroosmoze.

elektroforēze ir izkliedētās fāzes daļiņu kustība elektriskā lauka iedarbībā attiecībā pret dispersijas vidi. Elektroforēzes shēma ir parādīta attēlā. 6.11, kur skaidrības labad palielinātā mērogā norādīta izkliedētās fāzes daļiņa. Pieliekot ārēju elektrisko lauku, izkliedētās fāzes daļiņas sāk virzīties uz elektrodu, kura lādiņa zīme ir pretēja ζ-potenciāla zīmei; daļiņas kustības virziens attēlā parādīts ar bultiņu.

Daļiņu kustība elektroforēzes laikā ir saistīta ar pretēju lādiņu piesaisti. Izkliedētais slānis neaizkavē pretēju lādiņu mijiedarbību. Šajā slānī esošie pretjoni ir mobili, sadalīti nevienmērīgi un nespēj pārspēt ārējā elektriskā lauka iedarbību uz izkliedētās fāzes daļiņām. Daļiņas pārvietojas pa slīdēšanas robežu.

Elektroforēzes laikā tiek izjaukta pretjonu difūzā slāņa sfēriskā simetrija, un tas sāk virzīties uz sāniem, pretēja kustība daļiņas. Difūzā slāņa daļiņu pretēji virzīta plūsma palēnina daļiņu kustību. Šo efektu sauc par elektroforēzes kavēšanu (īsā bultiņa 6.11. attēlā).

Rīsi. 6.11. Elektroforēzes shēma:

Elektroforēzes laikā izkliedētās fāzes daļiņas pārvietojas elektriskā lauka līniju virzienā. Elektroforēzi izmanto jaunu materiālu iegūšanai, pārklājumu uzklāšanai, vielu attīrīšanai no piemaisījumiem un produktu izolēšanai. Medicīnā medikamentu ievadīšanai izmanto elektroforēzi. Uz pacienta ādas tiek uzklāts ar zāļu šķīdumā samitrināts tampons, un virsū tiek uzlikti elektrodi, kuriem tiek uzlikts zems, ķermenim drošs potenciāls. Šīs procedūras laikā zāļu daļiņas elektriskā lauka ietekmē nonāk cilvēka ķermeņa audos.

Elektroosmoze sauc par dispersijas vides kustību ārējā elektriskā lauka iedarbībā (6.12. att.). Izkliedes vides kustība ir saistīta ar pretēju lādiņu piesaisti. Tas bieži rodas kapilāros un porainu ķermeņu kanālos. Kad ζ potenciāls ir negatīvs, izkliedētā slāņa pozitīvi lādētie pretjoni tiek piesaistīti negatīvajam elektrodam. Pretjoni nes līdzi šķidrumu, kas veido dispersijas vidi. Tā rezultātā notiek šķidruma kustība, un šķidruma dispersijas vides kustība attiecībā pret izkliedētās fāzes daļiņām, tāpat kā elektroforēzes gadījumā, notiek gar slīdēšanas robežu.

Rīsi. 6.12. Elektroosmozes shēma

1 - izkliedēta sistēma; 2 - nodalījums

Elektroosmozi izmanto, piemēram, koksnes un citu porainu materiālu atūdeņošanai: celtniecībai, augsnei, pārtikai, izejvielām Pārtikas rūpniecība utt. Mitrā masa tiek novietota starp elektrodiem, un ūdens, atkarībā no DEL struktūras, pārvietojas uz vienu no tiem un tiek savākts īpašā traukā.

Elektroforēzes jeb elektroosmozes īstenošanai nepieciešams ārējs elektriskais lauks, t.i. daļiņu kustība elektroforēzes laikā vai vides kustība elektroosmozes laikā ir šī lauka darbības sekas.

Jāpiebilst, ka elektroforēzes fenomens raksturīgs galvenokārt koloidāliem šķīdumiem (soliem), t.i. sistēmām, kurās izkliedētās fāzes daļiņu izmērs nepārsniedz 0,1 μm. Elektroosmozi var novērot ne tikai attiecībā uz koloidāliem šķīdumiem, kas ir ļoti izkliedētas sistēmas, bet arī attiecībā uz vidējām un rupjām sistēmām.