Коллоидтық ерітінділер

                                                                                    СӨЖ

Тақырыбы Коллоидтық ерітінділерді тазалау және алу әдістері 

Орындаған  Сарыбый А.Т.

Тексерген  Саримбекова С.Н.

Курс  2

Тобы  201А

                                         Алматы 2013

Жоспары:

1.Кіріспе бөлім.

2.Негізгі бөлім:

  А.Коллоидтар жіне  ерітінділерге анықтама

  Ә.Коллоидтық жүйелерді алу әдістері

  Б.Коллоидтық ерітінділерді тазалау әдістері

3.Қорытынды бөлім.

  Коллоидтар (грек. kolla – желім және eіdos – түр) – бөлшектерінің мөлшері 10–7 – 10–5 см болатын жоғары дисперстік (микрогетерогендік) жүйелер. Коллоидтарға (Коллоидтар жүйесіне), бөлшектері ірірек дисперстік жүйелерге қарағанда, дисперстік фаза бөлшектерінің броундық қарқынды қозғалыстары тән.

  “Коллоидтар” терминін 1861 ж. алғаш рет ағылшын ғалымы Т.Грем енгізген. Коллоидтар табиғатына қарай органикалық және бейорганикалық болып екіге бөлінеді. Органикалық Коллоидтардың дисперстік фазасы органикалық заттардан, ал бейорганикалық Коллоидтардың дисперстік фазасы бейорганикалық заттардан тұрады. Дисперстік фаза мен дисперстік ортаның әрекеттесу қарқындылығына байланысты лиофильдік және лиофобтық Коллоидтар болып бөлінеді. Лиофильдік Коллоидтарға әр түрлі мицеллалық ерітінділер, биополимерлердің сулы ерітінділері, ал лиофобтық Коллоидтарға металдардың органозольдері, гидрозольдері, жасанды латекстер, т.б. заттар жатады. Дисперсиялық ортаның агрегаттық күйіне байланысты газ тәрізді (аэрозольдер), сұйық (лиозольдер), қатты (крио- және солидозольдер) К. болады. Қатты К-ға бағалы тастар, түрлі түсті шынылар (мыс., рубин шынысы), қорытпалар, т.б. жатады. Коллоидтарда екі фаза арасындағы бөлу беті өте үлкен шама болғандықтан ондай жүйелерде беттік құбылыстар (адсорбция, жұғу, т.б.) күшті қарқынмен жүреді. Коллоидтар сол себепті күшті адсорбент, сорбент, катализаторлар, катализаторларға арқау ретінде көп қолданылады.

  Ерітінділер— кем дегенде екі құрамдас бөліктерден тұратын құрамы өзгермелігомогенді (біртекті) жүйелер. Ерітінділер газ тәрізді, сұйық және қатты болуы мүмкін. Олардың ішінде жан-жақты зерттелгені және жиі қолданылатыны сұйық, әсіресе, сулы ерітінділер. Сондықтан тұрмыста ерітінділер деп, көбінесе, сұйық күйдегі молекула-дисперстік жүйелерді айтады. Ерітінділердің құрамы құрамдас бөліктердің конценрацияларымен сипатталады.Ерітінділер қаныққан, қанықпаған және аса қаныққан деп бөлінеді.

 Коллоидтық химия - бастапқыда  физикалық химияның бір бөлімі  ретінде қарастырылған. Уақыт өте  келе эксперименттік дәлелдемелерді  талдау негізінде бұл пән жеке  ғылым болып бөлініп шықты. Тіпті  арнайы коллоидтық химияның зерттеу  әдістері табылды: ультрамикроскопия, электрондық микроскопия, ультрацентрифугирлеу (сүзу), электрофорез, тағы  да басқалар.

Практика коллоидтық химияның қазіргі заманғы техникада да орнының ерекше екенін дәлелдеді. Қазіргі уақытта халық шаруашылығының кез келген саласын коллоидық химиясыз елестету мүмкін емес. Бұл ғылым саласының нені зерттейтінін түсіну үшін алдымен «коллоидтар» немесе «коллоидтық жүйелер» дегеніміз не деген сұраққа жауап іздеу керек.

ХІХ ғасырдың 40 жылдары  италия ғалымы Франческо Сельми қазіргі  кезде коллоидтық жүйелер болып  табылатын кейбір ерітінділердің аномальді  қасиеттерін бақылады. Бұл ерітінділер  жарықты күшті шашыратады. Оларда еріген заттар осы еріген затпен әрекеттеспейтін тұздардың болмашы ғана мөлшерін қосқаннан тұнбаға түседі. Заттардың мұндай ерітіндіге өтуі, яғни еруі және ерітіндіден тұнбаға түсуі жүйе температурасының және көлемінің өзгеруінсіз жүреді (әдетте, кристалл заттардың еруі кезінде температура мен көлем өзгереді). Сельми бұл ерітінділерді әдеттегі ерітіндіден ерекшелеп, «псевдо ерітінділер» деп атады. Кейіннен оларға «зольдер» деген атау берілді.

ХX ғасырдың 50 жылдары  ағылшын химигі Томас Грэм бұл  ерітінділерді толығырақ зерттеді. Грэм бұл ерітінділерді және оларды түзетін заттарды «коллоидтар» деп атады, себебі Грэм грекше «колла» - деп аталатын желімді (клей) осындай ерітінділердің нағыз (типичный) өкілі деп ойлады.

Коллоидтық ерітінділердің ерекшеліктері

1.Барлық коллоидтық ерітінділер  шоқталған сәулені шашыратуға, яғни  опалесценцияға бейім. Тиндаль коллоидты  ерітінді бар кюветаға линза  арқылы жарық шоғын өткізгенде  жанынан жарық конусын анық  бақылаған. Сондықтан мұндай конус Тиндаль конусы деп аталады.

Ерітіндінің жарықты  интенсивті шашыратуы жүйеде фазааралық бөліну бетінің бар екендігінің  айқын дәлелі болмаса да, коллоидты  ерітіндінің біртекті емес екенін толық  дәлелдейді.

2. Коллоидты ерітінділердегі бөлшектер диффузиясы өте баяу жүреді. Диффузияға еріген бөлшектер өлшемі әсер етеді, себебі өлшемі үлкейген сайын бөлшекке еріткіш молекуласы ортасында (в среде) қозғалу үйкелістің (трение) күшеюіне байланысты қиынға соғады.

3. Коллоидтық ерітінділердің осмостық қысымы өте төмен болады.

Бұл соңғы екі  қасиет – диффузияның баяу өтуі және осмостық қысымның төмен болуы, коллоидтық ерітінділердегі еріген зат бөлшектерінің салыстырмалы түрде ірі екендігін көрсетеді. Осмостық қысым коллигативті қасиетке жатады, яғни, тұрақты температурада көлемдегі бөлшектер санына ғана тәуелді. Және оның (осмостық қысымның) мәнінің төмен болуы бөлшектер өлшемінің үлкен, ірі екендігін көрсетеді, себебі ерітіндідегі еріген заттың салмақтық концентрациясы және тығыздығы бірдей болса да, бөлшектер саны олардың өлшемі ірі болған сайын аз болады.

4. Коллоидты ерітінділер диализге қабілетті. Яғни колллоидты ерітінділерді жартылай өткізгіш мембрана көмегімен оларда еріген төмен молекулалы заттар қоспасынан (примесь-қалдық) бөліп алуға болады. Диализ кезінде төмен молекулалы заттар мембрана арқылы өтіп, ал  жартылай өткізгіш арқылы өтуге қабілетсіз коллоидтық бөлшектер тазартылған коллоидтық ерітінді түрінде қалады. Диализге бейімділік те  колоидты ерітінділердегі бөлшектер өлшемінің шынайы ерітінділердегі молекулалар өлшемінен әлдеқайда үлкен екендігінің айғағы.

Алу әдістері:

  Коллоидты ерітінділер  дисперстілік дәрежесі бойынша ірі  дисперсті жүйелер мен нағыз  ерітінділер аралығындағы аралық күйде болатындықтан, сведберг оларды алуды екі әдіске жіктеді: 1) Ұнтақтау немесе диспергация (латынша dispegere – себу, шашу); 2) Молекулаларды ірілендіру (агрегация) немесе конденсациялық әдіс (латынша aggregare – қосу, біріктіру). Сондай-ақ пептизация және өздігінен диспергация әдісімен де алуға болады. Пептизация дегеніміз коагуляция кезінде түзілген тұнбаларды коллоидты ерітіндіге өткізу. Дисперсті фазаның дисперсті ортада өздігінен диспергациялануы арқылы да кейбір жағдайларда коллоидты ерітінділер түзілуі мүмкін.

Коллоидтық жүйелерді алудың басты  екі шарты:

Дисперсті фазаның дисперсті  ортада ерімеуі немесе аз еруі;

Бөлшектер түзілетін  ортада осы бөлшектерді стабилизациялайтын заттардың болуы, ал конденация әдісінде бөлшектердің өсуін баяулататын  немесе тоқтататын заттардың болуы. Мұндай заттар жүйеге енгізілетін бөгде заттар немесе дисперсті азаның дисперсті ортамен әрекеттесуі кезінде түзілетін қосылыстар да болуы мүмкін. Осындай заттарды стабилизатор (тұрақтандырғыш) деп атайды.

1.1. Диспергация әдіс. Диспергация кезінде жұмсалатын энергия мөлшерінің көптігі есебінен меншікті бет өте жоғары болады. Диспергирлеуге қажетті энергия мөлшері мына формуламен есептеледі:

мұндағы Е – бөлшектерді  α1 бастапқы сызықтық мөлшерден α2 соңғы сызықтық мөлшерге дейін ұнтақтауға қажетті энергия, b – зат табиғатына тәуелді константа.

Диспергирлеу жолымен  коллоидты ерітінділерді алу  үшін әртүрлі әдістер қолданылады. Олардың ең көп таралғандары затты  стабилизатор қатысында арнаулы  келіде механикалық жолмен үгіту, сондай – ақ Петров жалынында электрлік ыдырату.

1.2. Конденсация әдісі. Диспергирлеу әдісімен салыстырғанда, конденсация әдісі сансыз өп, алуан түрлі және кең қолданысқа ие. Бұл конденсация процесі кезінде меншіктік бет пен жүйенің бос энергиясының азаюымен түсіндіріледі. Конденсацияның (іріленудің) екі түрі болады: физикалық конденсация және химиялық конденсация.

Зертханалық практикада және техникада кеңінен таралған коллоидты жүйелерді алу әдістерінің  бірі ерітішті ауыстыру әдісі. Ол зат ерігіш күйден ерімейтін немесе аз еритін күйге дейін ауысатындай етіп ортаны ауыстыруға негізделген. Мұнда жүйе өз бетінше үлкен ретсіздіктен аз ретсіздікке келеді, яғни энтропия азайып, процесс бағыты бос энергияның кемуімен анықталады:

Бұл әдіс берілген заттың бастапқыда болған коллоидтық емес күйден коллоидты күйге ауысуына негізделген. Мұндай әдісті жалпы түрде физикалық  конденсация әдісі деп атайды.

Зольдерді алудың жиі  қолданылатын әдістерінің екінші тобына нәтижесінде ерімейтін немесе қиын еритін заттар түзілетін ерітіндідегі химиялық реакцияны жүргізуге негізделген әдістер жатады. Мұндай әдістер химиялық конденсация әдісі деп аталады.

Коллоидты жүйелерді  алудың конденсациялық әдісінде үш әдісті біріктіріп қарастыруға болады: 1) ұшқыш заттар молекулаларының неғұрлым ірі бөлшектер түзу конденсациясы; 2) зат ерігіш күйден ерімейтін немесе аз еритін күйге ауысатындай етіп ортаны ауыстыру; 3) қиын еритін заттар түзе отырып ерітіндіде химиялық реакция жүргізу.

Конденсация кезінде үнемі сақталатын жағдайлар төмендегідей: 1) дисперстік ортада дисперстік фаза түзетін заттардың ерігіштігінің төмендігі; 2) жүйенің кинетикалық тұрақтылығы сақталатындай, яғни конденсация дисперстіліктің коллоидтық дәрежесінде тоқтайтындай дисперстілік дәрежесін таңдау; 3) алынған бөлшектердің тұрақты болатындай бөлшектер мен орта әрекеттесуін қамтамасыз ету.

1.3. Пептизация әдісі. Іс жүзінде суда ерімейтін көптеген тұнбалар кейбір заттар әсерінен коллоидты ерітіндіге айналады. Ақуыздардың пепсин әсерінен еруін пептизацияға сырттай ұқсатып, осы терминді алғаш Грэм енгізді. Пептизация тұнбаны шаю кезінде немесе арнайы заттар – пептизаторлар қосу кезінде жүреді. Бұл кезде тұнбадан коагуляциялаушы иондар кетіріледі немесе иондар тұнбаның коллоидты бөлшектерінің бетіне адсорбцияланады. Бұл қос электр қабатының түзілуіне немесе коллоидты бөлшектердің айналасында сольватты қабаттың пайда болуына әкеледі. Түзілген қабат бөлшектер арасындағы жабысу күшін әлсіретеді. Осылайша босаған бөлшектер жылулық қозғалыс есебінен сұйықтық көлеміне еркін таралады. Яғни, пептизация коагуляция процесіне кері процесс деп айтуға да болады.

Пептизацияға рекристаллизация және ескіру процестері кедергі келтіреді. Тұнбаны пептизациялап лиозоль алу үшін бөлшектің барлық беті адсорбцияланған пептизатормен қапталуы шарт емес. Мысалы Фаянс күміс бромидінің тұрақты золі түзілу үшін оның бөлшектерінің бетін пептизатор ретінде қосылған бромид ионы бар электролит тек ¼ не 1/10 бөлігін қаптаса жеткілікті екенін анықтады.

Алайда пептизатор мөлшеріне алынған зольдегі бөлшектер дисперстілігі тәуелді: пептизатордың аз мөлшері қосылса бірнеше біріншілей бөлшектерден тұратын жоғары ретті бөлшектер, ал пептизатордың көп мөлшері қосылса жекелеген біріншілей бөлшектер түзіледі.

Жүйені араластыру және температурасын көтеру пептизация жылдамдығын арттырады.

Пептизация кезінде  пептизацияланған зат мөлшері, алынған  тұнба және пептизатор арасында белгілі  бір тәуелділік байқалады. Бұл тәуелділікті Во. Оствальд және Бузаг зерттеген. Ол тұнба ережесі деп аталады.

Пептизация тікелей  және жанама деп екіге бөлінеді. Егер түйіршік бетіне оларды ажыратпас (бөлмес) бұрын қосылған пептизатор (дәлірек айтсақ, оның иондары) адсорбцияланса, ол тікелей пептизация деп, ал түйіршік бетіне пептизатордың дисперсті  фаза заттарымен әрекеттесуінің нәтижесінде алынған өнімі (дәлірек айтсақ, тағы да алынған пептизатор иондары) адсорбцияланса, ол жанама пептизация деп аталады.

1.4. Өздігінен диспергациялану әдісі.  Кейбір жағдайларда сұйық ортада қатты немесе сұйық заттар өздігінен диспергацияланып, екіфазалық, термодинамикалық тұрақты коллоидтық немесе микрогетерогенді жүйе түзеді. Мұндай жүйелерді П.А. Ребиндер лиофильді жүйелер деп атады. Себебі бұл жағдайда дисперсті фаза мен дисперсті орта арасында күшті өзара әрекеттесу байқалады. Мұндай жүйелерге критикалық температураларға жақын температураларда өздігінен түзілетін эмульсиялар, парафиндердің көмірсутектердегі дисперсті зольдері, эмульсолдар деп аталатын сабын мөлшері көп (10-40%) көмірсутектердің немесе сабынтәрізді беттік активті заттардың сулы ерітінділері жатады. өздігінен диспергациялану σ1,2 < σкрит≈0,01эрг/см2 болатын коллоидты жүйелерге тән.

  Коллоидты ерітінділерді  тазарту әдістері. Коллоидты ерітінділерді тазартудың неғұрлым көп таралған  әдістеріне диализ және ультрафилтрация жатады.

1) Диализ. Жартылай өтізгіш  мембранадан өткізу арқылы коллоидты  бөлшектерді ұстап қалу қасиетіне  негізделген коллоидты ерітінділерді  иондар мен молекулалар қоспаларынан  тазарту әдісін диализ деп  атайды. Қолданылатын аспап диализатор деп аталады. Қарапайым диализатордағы диализ көп уақытты алады. Кейінгі кезде коллоидтарды электролиттерден жылдам әрі толығымен тазартатын электродиализ әдісі қолданылуда. Бұл тұрақты токты қолдана отырып электродиализаторда (екі мембрана арқылы үш бөлікке бөлінген ыдыс) жүргізіледі.

2) Ультрафильтрация. Коллоидты ерітінділерді жартылай өткізгіш мембрана арқылы фильтрлеу жолымен дисперстік фазаны дисперстік ортадан бөлу процесін ультрафильтрация деп атайды. Ультрафильтрация кезінде коллоидты бқлшектер фильтрде (мембранада) қалады, ал құрамында электролиттері бар фильтрат еріткішке өтеді.

Коллоидтық химияның маңызы

  Ғарыштық кеңістіктегі шаң-тозаң (жарықтың жұтылуы бойынша абықлаулар) 3∙10-5 см, яғни нағыз коллоидтық өлшемді екені анықталды.  Ал газ-шаңды бұлттар болып табылатын кометалар орасан зор коллоидтық жүйелер болып табылады, ал олардың жарқырауы күн сәулесінің түсуі нәтижесінен болған нағыз жарықтың шашырауы,опалесценция құбылысы. Бірақ олардың ұзақ уақыт бойы тұрақты болып қалуы әлі белгісіз, бір жағынан, ғарыштық газ-шаңды бұлттың құрамындағы бөлшектердің тығыз болмауы (огромная разреженность) және олардың бір-бірімен соқтығыспауымен, екіншіден белгілі-бір факторға байланысты жүйенің агрегаттық тұрақтылығымен түсіндірілуі мүмкін. Мысалы, шаң бөлшектерінің иондарды адсорбтауы нәтижесінде пайда болған бөлшектердің электр заряды болуы мүмкін. Себебі ғарыштық кеңістікте газдар молекуласына әр түрлі сәулеленудің әсерінен иондар түзілетіндігі қазіргі кезде дәл анықталған. Бұлттар, тұман С/Г типті коллоидты жүйелер, ал жаңбырғ найзағай және басқа да метеорологиялық құбылыстар коллоидтық құбылыстармен байланысты құбылыстар деп қарастырылуы керек. Өзендердің теңіздерге құйылуы кезінде дельталардың түзілуі де коллоидты процесс. Себебі, өзендердің тұщы суында көп мөлшерде өлшемі коллоидтыға жуық болатын жүзгін минералдық бөлшектер болады. Бұл бөлшектердің, коллоидты бөлшектер сияқты заряды да болады. Өзендер теңізге құйғанда, электролит мөлшері айтарлықтай теңіз суы өзен суымен араласып, өзен суындағы жүзгін бөлшектер өз тұрақтылығынан айрылып, бір-бірімен жабысып үлкен агрегаттар түзе тұнбаға түсіп, отмельдер, яғни таяз жерлер пайда болады.

Керамикалық өндіріс  коллоидтық химиямен тығыз байланысты. Себебі саз (керамиканың негізгі шикізаты) –гидратталған алюминий силикатының концентрлі суспензиясы болып табылады.

Минералдық шикізат  негізінде жаңа құрылыстық материалдар (композициялық материалдар) жасауда  колоидтық химияның маңызы өте зор.

Қағаз жасауда өсімдік  талшығы жоғары дисперстік күйге  дейін ұнтақталады. Қағаздың қасиетін жақсарту үшін канифоль, жасанды шайырлар мен каучук сияқты желімдеуші агенттердің  әр түрлі дисперсиясын жасау және ұнтақталған талшық бетіне (қағаз  бетіне) электролиттердің коагуляциялаушы әсерінен осы дисперсиялар бөлшектерінің жабысуы – барлығы да колоидтық химиямен тығыз байланысты.

Талшықтарды бояу технологиясында  да коллоидтық процестердің маңызы зор.  Себебі бояу дегеніміз бояғыштың  коллоидты бөлшектерінің матаға диффузиясы, осы бөлшектердің элементар талшықтармен жанасу кезіндегі коагуляциясы және коагуляцияланған бөлшектердің элементар талшықтардағы фиксациясы болып табылады.

Фармацевтикада эмульсиялар, кремдер жасау заттардың қажетті  ортада жоғары дисперсиялауға негізделген.  Кейбір дәрілер колоидты формада қолданылады. Себебі дәріні колоидтық формада қолдану оның әсерін шектейді (локализует) және әсері де ұзақ болады, өйткені ағзадан баяу шығарылады.

Су тазартуда судағы жүзгіндер электролиттермен коагуляцияланады немесе адсорбталады.  Ал газ немесе түтіндегі қатты немесе сұйық бөлшектерге электр зарядын беру және олардың қарама-қарсы зарядталған электродтарда шөгуі газтазартудағы ең заманауи әдістердің бірі.

Тамақ өнеркәсібінде  де коллоидтық химия процестері кең қолданылады: қамыр дайындауда ісіну процесі, маргарин, майонез, соустар жасауда эмульгациялау процесі, сыр дайындау коагуляция процесі, ет қайнатуда коагуляция немесе ақуыздар денатурациясы болып табылады.