Задачи и упражнения для самостоятельного решения
1. Чем определяется агрегативная устойчивость лиофобных коллоидов, чем она отличается от кинетической устойчивости?
2. Почему при длительном отмывании многих осадков (сульфидов тяжелых металлов, гидроксидов металлов) они начинают проходить через фильтр?
3. Какие виды устойчивости характерны для гидрофобных золей? Какими факторами обусловлены различные виды устойчивости?
2.4.2. Гелеобразование (желатинирование)
В свободнодисперсной системе при определенных условиях вследствие взаимодействия частиц дисперсной фазы происходит их агрегация с возникновением сплошной пространственной сетки, в которую заключена дисперсионная среда (рис. 16). В этом случае возникает связнодисперсная система, которую называют – гель (от лат. gelo – застываю).
Гель – связнодисперсная система, содержащая сплошную пространственную сетку из частиц дисперсной фазы, в ячейках которой заключен растворитель
Гелеобразование происходит в процессе перехода золя в гель и обусловлено возникновением пространственной структуры (рис. 16, 17, 18).
Рис. 16. Схемы строения пространственной сетки геля: а – из сферических частиц; б – из удлиненных частиц
Рис. 17. Образование внутренних структур в студне
Рис. 18. Схема структуры геля желатины:
а – в обычном состоянии; б – при растяжении
Гели отличаются как от компактных коагулятов или твердых полимеров, так и от разбавленных растворов, в которых каждая коллоидная частица или макромолекула являются кинетически индивидуальными частицами. Занимая промежуточное положение между растворами и твердыми полимерами, гели обладают и своеобразными свойствами. В зависимости от природы образующих их веществ различают гели, построенные из жестких частиц, или хрупкие гели, и гели, образованные гибкими макромолекулами, или эластичные гели (студни).
Хрупкие гели образуются коллоидными частицами SiO2, Fe2O3, бензопурпурина и др., типичный представитель – гель кремнекислоты.
Из-за жесткости частиц и каркаса хрупкого геля его объем при высушивании или оводнении мало изменяется, поэтому хрупкие гели называют ненабухающими. Хрупкие гели имеют гетерогенную (двухфазную) структуру с множеством узких жестких капилляров. Хрупкие гели при слабых силах взаимного сцепления разрушаются при небольшом механическом воздействии, но могут легко восстанавливаться, т.е. являются тиксотропными.
Эластичные гели (студни) образуются цепными молекулами желатина, агара, каучука. Они отличаются от хрупких гелей. Студни – однофазные системы, они легко изменяют свой объем при поглощении или отдаче растворителя и сохраняют эластичность при высушивании. Эластичные гели также называют набухающими гелями. Набухание студней является результатом сольватации и осмотического поглощения растворителя; неограниченное набухание – лишь первая стадия растворителя; ограниченное набухание происходит при ограниченном смешении или наличии в полимере прочной пространной сетки.
Образование геля с участием водной среды характерно для всех биополимеров организма, так как их длинные цепи содержат много полярных групп и имеют большую молекулярную массу.
С одной стороны, гель можно рассматривать как коллоидный раствор ВМС, который под действием внешних факторов потерял свою текучесть, а с другой стороны – гель образуется в процессе ограниченного набухания. В основе всех переходов лежат два противоположных процесса: агрегация и дезагрегация макромолекул ВМС при участии растворителя.
Повышение концентрации коллоидного раствора увеличивает количество столкновений частиц при броуновском движении, что способствует структурообразованию и ускоряет процесс желатинирования.
Существенное значение для желатинирования имеет также природа вещества как гидрофобных золей, так и растворов полимеров. Не все гидрофобные золи могут переходить в гели; так, например, золи благородных металлов (золота, платины, серебра) не способны застудневать, что объясняется своеобразным строением этих коллоидных частиц и низкой концентрацией их золей. При застудневании разделения на фазы не происходит, так как растворитель вместе с дисперсной фазой составляет одно целое – гель или студень (рис. 19).
Рис. 19. Схема объединения частиц различной формы при желатинировании
Для каждого полимера существует точка гелеобразования, которая соответствует определенному пороговому значению концентрации раствора данного полимера, ниже которого раствор не переходит в гель. Так, для водного раствора агар-агара (полисахарид) при комнатной температуре она равна 1,2%, а для желатина (белок) – 0,5%.
Гелями в клетках являются внешние слои цитоплазмы, а в организме – мозг, кожа, хрящи, глазное яблоко.