Metod_Medical_chem_1_Stomat

Г = x – кількість кислоти, адсорбованої адсорбентом масою m (1 г) у m

ммоль/г.

7. Побудувати ізотерму адсорбції оцтової кислоти на вугіллі:

Г = x – f( с) при T = const (рис.). m

Рис. 1. Ізотерма адсорбції Френдліха

8.Зробити висновок про залежність адсорбції від рівноважної концентрації кислоти.

5.

ІV. Обговорення результатів роботи та зарахування теми.

Заняття № 11

Тема: Одержання, очистка та властивості колоїдних розчинів

Значення матеріалу теми: Рослинні і тваринні організми, багато об'єктів неживої природи, продукти харчування, одяг, буді-вельні матеріали і т. п.— все це різні дисперсні системи. Складні життєві процеси, що проходять в тваринних, рослинних організмах, в значній мірі мають колоїдно-хімічний характер. Біологічні рідини (кров, плазма, спинномозкова рідина, деякі лікарські препарати та ін.) являють собою колоїдні системи. М'язеві і нервові клітини, волокна, гени, віруси — все це колоїдні утворення. Вивчення фізикохімії дисперсних систем, закономірностей, характерних для них, є одним з ключів до пізнання самого життя.

Мета заняття: засвоїти основні методи одержання ліофобних золів і вивчити їх будову та властивості. Навчитися представляти хімізм реакцій, що лежать в основі отримання колоїдних частинок та складати формули міцел.

71

Форма заняття: лабораторно-практичне.

Домашня підготовка до заняття.

І. Засвоїти матеріал навчальної програми.

Організм як складна сукупність дисперсних систем. Класифікація дисперсних систем за ступенем дисперсності. Колоїдний стан. Ліофільні та ліофобні колоїдні системи. Будова колоїдних частинок. Подвійний електричний шар. Електрокінетичний потенціал колоїдної частинки.

Методи одержання та очистки колоїдних розчинів. Діаліз, електродіаліз, ультрафільтрація, компенсаційний діаліз, відіаліз. Гемодіаліз та апарат "штучна нирка".

Молекулярно-кінетичні властивості колоїдних систем. Броунівський рух, дифузія, осмотичний тиск. Оптичні властивості колоїдних систем.

Електрокінетичні явища. Електрофорез. Рівняння ГельмгольцаСмолуховського. Застосування електрофорезу в дослідницький та стоматологічній практиці.

ІІ. Дати письмові відповіді на контрольні запитання.

1.Які системи називаються дисперсними? Компоненти дисперсної системи: дисперсна фаза, дисперсійне середовище, стабілізатор.

2.За якими ознаками можна класифікувати дисперсні системи? Навести приклади.

3.Які основні властивості колоїдних розчинів (золів); в чому їх відмінність від справжніх розчинів?

4.Навести основні методи одержання ліофобних золів. Дати приклади.

5.Охарактеризувати механічне та ультразвукове диспергування.

6.Одержання золів за методом фізичної конденсації. Навести приклади.

7.Одержання золів електричним методом та методом Шальнікова і Рогінського.

8.Суть методу хімічної конденсації. Одержання золів за реакціями подвійного обміну, гідролізу та окисно-відновними реакціями. Навести приклади.

9.В чому відмінність методу пептизації від диспергаційних і конденсаційних методів одержання золів? Що таке посередня та безпо-

середня пептизація? Навести приклади.

10.Яка будова міцели? Назвати складові частини колоїдної частинки. Правило Панета-Фаянса. Що таке потенціалвизначаючі іони, адсорбційний та дифузійний шари?

72

11.На прикладі гідрозолів (AgCl, As2S3) розглянути умови утворення золів з позитивними і негативними зарядами гранул. Скласти схему будови міцел.

12.За допомогою яких методів можна визначити заряд колоїдної частинки?

13.Що таке діаліз і електродіаліз? Який їх механізм?

14.Як можна очистити колоїдну систему від надлишку електроліту? Що відбудеться з нею, якщо повністю вилучити електроліт?

15.За якими формулами визначають питому та загальну площу поверхні і середній радіус частинок золю?

16.Які мембрани називаються електрохімічноактивними? Що означає катодна та анодна мембрани?

17.Якими явищами супроводжується проходження світла крізь дисперсну систему?

18.У яких випадках відбувається розсіювання, а коли вбирання чи відбиття світла?

19.Явище світлорозсіювання і опалесценція в колоїдних системах. Дихроїзм золів.

20.Суть ефекта Тіндаля.

21.Які параметри впливають на інтенсивність розсіювання світла?

22.Рівняння Релея, його аналіз.

23.Що можна визначити за результатами вимірювання світлорозсіювання?

24.Принцип дії: а) нефелометра; б) ультрамікроскопа; в) електрон-ного мікроскопа? Їх застосування в медико-біологічних дослід-женнях.

25.Які явища називають електрофорезом та електроосмосом?

26.Який потенціал називають електрокінетичним? Механізм виникнення дзета-потенціалу ?

ІІІ. Розв′язати задачі

а) Алгоритми розвя’зання типових задач

Задача 1. Для одержання золю хлориду срібла до 15 мл 0,025 М розчину хлориду калію додали 85 мл 0,005 М розчину нітрату срібла. Написати формулу міцели одержаного золю. Який зарад гранули?

Алгоритм розв’язання 1. Записуємо рівняння реакції одержання хлориду срібла:

AgNO3 + KCl → AgCl + KNO3

73

2.Визначаємо, яка з вихідних речовин взята в надлишку, тобто є стабілізатором:

кількість ммоль KCl = 15× 0,025 = 0,375 ммоль; кількість ммоль AgNO3 = 85×0,005 = 0,425 ммоль.

3.У розчині є надмір AgNO3, який і є стабілізатором. Тому гідрофобні частинки AgCl будуть адсорбувати іони Ag+ (правило Панета-Фаянса), які надаватимуть гранулі позитивного заряду. Протиіонами будуть іони

NO3– .

4.Схема міцели золю хлориду срібла у цьому випадку буде такою:

{[(mAgCl) nAg+]n+(n– x)NO3– }x+× xNO3– , де (mAgCl) – агрегат;

[(mAgCl) nAg+]n+ – ядро;

{[(mAgCl) nAg+]n+(n– x)NO3– }x+ – гранула; nAg+ – потенціалвизначаючі іони;

(n– x)NO3– – адсорбційний шар; xNO3– – дифузійний шар.

Задача 2. Взначити діаметр частинок аерозолю (диму), якщо в об¢ємі V0=4×10–11 м3 підраховано n=120 частинок. Концентрація золю С=1×10–4 кг/м3, а густина дисперсної фази становить 2,2×10–3 кг/м3.

Алгоритм розв’язання

1. Знаходимо кількість частинок в одиниці об¢єму за формулою V = n .

V0

Знаючи масову концентрацію частинок С і їх число в одиниці об¢єму, знаходимо об¢єм одної частинки (V):

V = C ×V0 , де d – густина дисперсної фази. n × d

2.Прийнявши форму частинки за кулеподібну, з формули V=4/3×pr3 вираховуємо середній радіус частинок:

			r = 3		3×C × V0			; звідки
					4p ×n ×d
	r = 3		3×1×10−4 ×4 ×10−11							= 1,535×10−7 м
	4 ×3,14 ×120 ×2,2 ×103
	D = 2r = 1,535×10–7 ×2 = 3,07×10–7 м

Задача 3. При ультрамікроскопічному дослідженні гідрозолю золота в об'ємі V0=1,6·10–11 м3 підраховано 70 частинок (n). Концентрація золю С=7·10–6 кг/м3, густина золота d=19,3·103 кг/м3. Визначити середній

74

радіус (в м) частинок дисперсної фази, прийнявши їх форму за сферичну.

Алгоритм розв’язання

Знаючи певний оптичний об'єм V0, в якому підраховано середнє число частинок n, масову концентрацію золю С і густину дисперсної фази d, знаходимо об'єм однієї частинки:

V =	m	=	C × V0
	d × n		n × d

З другого боку, об'ємчастинки кулястоїформидорівнює:

Отже, V =	C × V0	=	4	πr2
	n × d
		3

Звідси вираховуємо середній радіус частинок:

			r =	3				3×C × V0
								4 × π× n ×d
		3× 7 ×10−6 ×	1,6 ×10−11			= 3
r = 3									19,801×10−24
			×19,3×103
4 × 3,14 × 70

V= 4 πr3 3

= 2,705 ×10−8 м

Задача 4. Розрахувати електрокінетичний потенціал частинок золю коларголу, якщо за 5 хв при напрузі 300 В його частинки перемістилися на 10 мм при відстані між електродами 20 см (h = 10–3 Па · с, D=81, e = 8,85 · 10–12 Ф/м).

Алгоритм розв’язання.

Використовуємо формулу Гельмгольца-Смолуховського, де підставляємо

значення відомих величин у СІ:
z =	S × l × h	=	10 ×10−3 м× 20 ×10−2 м ×10−3 Па × с	= 0,031 В = 31 мВ
	t × E × D × e		5 × 60 с× 300 В×81×8,85 ×10−12 Ф / м

Відповідь: Дзета– потенціал частинок золю коларголу становить 31 мВ.

Задача 5. Обчислити градієнт потенціалу, якщо електрокінетичний потенціал частинок золю броміду срібла становить 61,5 мВ, а електрофоретична швидкість – 5,24 ×10–6 м/с. В'язкість середовища h=10–3 Па · с, діелектрична проникність Д = 81.

Алгоритм розв’язання.

1.Градієнт потенціалу (Н) – це відношення напруги між електродами (Е) до дістані між ними (1):

75

H = E l

2.Електрофоретична швидкість (V) – це шлях, який проходять частинки золю за час t при градієнті потенціалу Н = 1 В/м.

V = S t H

3.Використавши формулу Гельмгольца-Смолуховського, знайти градієнт потенціалу:

z =

S × l × h

;

E

=

S × h

t × E × D × e

t × D × e × z

l

H = V ×

h

= 5,24 ×10−6 м / с ×

10−3 Па × с

=118,9 В/ м.

D × ×e × z

81 × 8,85

×10-12 Ф / с × 61,5 ×10−3

В

Відповідь: градієнт потенціалу становить 118,9 В/м.

Задача 6. До якого полюса будуть переміщуватися молекули альбуміну під час електрофорезу в буферному розчині з концентрацією іонів водню [Н+]=1,32·10–6 моль/л, якщо ізоелектричний стан цього білка наступає при рН= 4,8?

Алгоритм розв’язання.

1. Розрахувати рН буферного розчину

pH= –lg [ Н+] = –lg(1,32 · 10 –6 )= 6 – 0,12 = 5,88

2.Оскільки рН буферного розчину більший від ізоелектричної точки

альбуміну (рНІЕТ= 4,8), то частинки альбуміну будуть заряджені негативно (внаслідок іонізації груп – СООН) і пересуватимуться до позитивно зарядженого електрода.

Відповідь: частинки білка альбуміну з ізоелектричною точкою 4,8 у буферному розчині з [Н+]=1,32·10–6 моль/л будуть пересуватися до позитивного полюса.

б) Задачі для самостійного розв′язання.

1.Для одержання золю берлінської блакиті до 12 мл 0,02 н. розчину FeCl3 додали 10 мл 0,05 н. розчину гексаціаноферат(ІІ) калію. Написати формулу міцели одержаного золю. Визначити заряд гранули. Назвати складові частини міцели.

2.Золь AgI одержано при поступовому додаванні до 20 мл 0,01 М розчину КІ

15 мл 0,2 % розчину AgNO3 (r = 1 г/мл). Написати формулу міцели одержаного золю. Визначити напрям руху його частинок в електричному полі.

76

3.При тривалому стоянні сірководневої води внаслідок окислення сірководню киснем повітря утворюється осад у колоїдному стані. Написати будову міцели золю сірки і визначити знак заряду її частинок. Яким методом одержано золь?

4.Які об¢єми 0,029 % розчину NaCl (r = 1 г/мл) та 0,001 н. AgNO3 потрібно змішати, щоб одержати незаряджені частинки золю AgCl?

Відповідь: VNaCl : VAgNO3 = 1:4,96 мл .

5.5. Методом ультрамікроскопії в оптичному об'ємі 2·10–11 м3 підраховано 100 частинок золю сірки. Масова концентрація золю 6,5·10–5 кг/м3, густина сірки 1·103 кг/м3. Розрахувати середній радіус частинок дисперсної фази (в м), вважаючи їх форму кулястою.

Відповідь: 1,457·10–7 м.

6.6. Визначити діаметр (в м) сферичних частинок аерозолю водяного туману,

якщо при ультрамікроскопічному дослідженні в об'ємі 3·10–11 м3 підраховано 60 частинок. Концентрація аерозолю 15·10–6 кг/м3, густина

1·103 кг/м3.

Відповідь: 2,43·10–7 м

7.Обчислити дзета– потенціал частинок білка, які при електрофорезі за 20 хв. переміщуються на 22,5 мм. Відстань між електродами 15 см, напруга –

200В, в’язкість h=10–3 Па · с, Д=81 і e= 8,85 × 10–12 Ф/м.

Відповідь: 19,6 мВ.

8.До якого електрода зміститься при електрофорезі межа золю Fe(OH)3, одержаного при надлишку лугу Са(ОН)2? Складіть формулу відповідної міцели.

Відповідь: до анода.

ЛІТЕРАТУРА

1.Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия.– М.: Высшая школа, 1990.– С.410-423; 388–396.

2.Мороз А. С., Ковальова А.Г. Фізична та колоїдна хімія. – Львів: Світ, 1994.– С. 188-205.

3.Красовський И.В., Вайль Е.И., Безуглый В.Д. Физическая и коллоидная химия, – Київ: Вища школа, 1983. – С. 248-283; 304-324.

4.Дулицкая Р.А., Фельдман Р.И. Практикум по физической и коллоидной химии. - М.: Высшая школа, 1978. - с. 272-274.

5.Конспект лекцій.

77

Зміст і методика проведення заняття.

І. Уточнення і пояснення незрозумілих питань теми і перевірка домашньої підготовки.

ІІ. Розгляд найважливіших питань теми:

1.Класифікація дисперсних систем за ступенем дисперсності.

2.Методи одержання ліофобних золів.

3.Міцелярна будова колоїдних систем.

4.Визначення розмірів колоїдних частинок.

5.Світлорозсіювання в колоїдних системах.

6.Рівняння Релея та його аналіз.

7.Суть і можливості оптичних методів дослідження колоїдів:

а) нефелометрії; б) ультрамікроскопії; в) електронної мікроскопії

ІІІ. Лабораторна робота.

Завдання 1. Одержання золів методом фізичної конденсації (заміною розчинника)

а) одержання золю каніфолі.

В пробірку налити 5 мл дистильованої води і при перемішуванні краплями додавати спиртовий розчин каніфолі. Записати спостереження. Звернути увагу на опалесценцію – характерну особливість колоїдних розчинів.

б) одержання золю сірки.

В пробірку налити 5 мл дистильованої води і при перемішуванні додати 0,5 мл насиченого спиртового розчину сірки. Що спостерігається?

в) одержання золю парафіну.

В пробірку налити 5 мл дистильованої води і при перемішуванні додати краплями 2 % спиртовий розчин парафіну. Записати спостереження.

Одержання золів методом хімічної конденсації.

Завдання 2. Одержання золів за реакцією подвійного обміну: а) золю йодиду срібла.

До 100 мл 0,002 М розчину КІ додати при перемішуванні 1 мл 0,01 М розчину AgNO3. Відмітити забарвлення золю і написати будову міцели (надмір КІ). Який заряд гранули? Написати будову міцели AgI, одержаного при надмірі AgNO3.

б) золів берлінської блакиті з різними зарядами гранул.

Приготувати в двох пробірках золі берлінської блакиті із 0,005 М розчину FeCl3 і 0,005 М розчину K4[Fe(CN)6] у таких спів-відношеннях:

78

1)3 мл розчину FeCl3 і 1 мл розчину K4[Fe(CN)6];

2)3 мл розчину K4[Fe(CN)6] і 1 мл розчину FeCl3.

Написати рівняння реакції і будову міцели для обох золів. Від чого залежить заряд гранули?

в) золю гексаціаноферрату(ІІ) міді.

До 5 мл 1 %-ного розчину CuSO4 додати декілька крапель 0,01 %-ного розчину K4[Fe(CN)6]. Записати рівняння реакції і будову міцели золю, одержаного при надмірі K4[Fe(CN)6].

г) золю сульфіду свинцю.

До 3 мл 1 %-ного розчину ацетату Pb (ІІ) додати краплями 3 мл 5 % розчину сульфіду натрію. Яка будова міцели золю сульфіду Pb (ІІ), одержаного при надмірі ацетату свинцю?

д) золю кремнієвої кислоти.

До 3 мл 1 %-ного розчину Na2SiO3 додати при перемішуванні 0,5 мл 0,1 М розчину HCl. Написати рівняння реакції і будову міцели одержаного золю.

Завдання 3. Одержання золю гідроксиду заліза (ІІІ) за реакцією гідролізу.

Нагріти в колбочці до кипіння 50 мл дистильованої води. Додати в киплячу воду краплями 5 %-ний розчин FeCl3. Що спостерігається? Записати рівняння реакцій і будову міцел одержаних золів, враховуючи гідроліз солі та присутність в розчині іонів Fe3+, FeO+, H+, Cl– .

Завдання 4. Одержання золів за реакціями окислення та відновлення. а) одержання золю металічного срібла.

До 10 мл 0,001 М розчину AgNO3 додати 2-3 краплі 1 %-ного розчину К2СО3 і 1 мл свіжовиготовленого розчину таніну (альдегід), нагріти. Утворюється жовто-коричневий золь металічного срібла.

AgNO3 + K2CO3 → AgOK + KNO3 + CO

стабілізатор

2AgOK + R–COH + H 2O → 2Ag↓ + R–COOH + 2KOH

танін

Написати будову міцели одержаного золю. Зробити висновок про метод його одержання та вказати практичне застосування в медичній практиці.

б) одержання золю діоксиду марганцю.

У колбу, яка містить 25 мл 0,1 М розчину KMnO4, додати із бюретки невеликими порціями 10 %-ний розчин Н2О2 до того часу, поки взята скляною паличкою і нанесена на фільтрувальний папір крапля одержаного

79

розчину не перестане забарвлювати папір в рожевий колір. Записати будову міцели золю.

Завдання 5. Одержання золів методом пептизації. а) одержання золю Fe(OH)3.

Одержати осад Fe(OH)3 при взаємодії FeCl3 з NH4OH. Для цього 1 мл насиченого розчину FeCl3 розвести водою до 20 мл. До одержаного розчину повільно додати 5 %-ний розчин NH4OH до знебарвлення рідини над осадом. Відмітити колір осаду. Рідину над осадом злити і декілька разів промити дистильованою водою осад (декантація). Промитий осад розділити в три пробірки і додати:

упершу – 10 мл дистильованої води;

удругу – 10 мл 2 % розчину FeCl3;

утретю – 10 мл 0,02 М розчину HCl.

Через 10 хв. записати спостереження. Пояснити, що відбулося з осадом у кожній із пробірок. Вказати тип і механізм пептизації. Написати рівняння реакцій і будову міцел одержаних золів.

б) одержання золю берлінської блакиті.

До 5 мл 2 %-ного розчину FeCl3 додати 1 мл насиченого розчину K4[Fe(CN)6]. Осад відфільтрувати і промити дистильованою водою. Після промивання осаду на фільтрі 0,1 М розчином оксалатної кислоти (Н2С2О4) фільтрується синій золь берлінської блакиті. Записати рівняння реакції і будову міцели золю, враховуючи, що осад пептизується оксалатною кислотою за рахунок адсорбції іонів С2О42– .

Завдання 5. Визначення концентрації золю за допомогою фотоелектроколориметра.

В роботі слід одержати дані для побудови графічної залежності електрорушійної сили (ЕРС) фотоелемента від концентра-ції золю і на основі графіка визначити концентрацію дисперсної фази в золях.

1.В чисту кювету фотоелектроколориметра налити 100 мл золю. Включити лампу приладу, за допомогою потенціометра виміряти ЕРС фотоелемента, освітленого розсіяним світлом. Так визначається величина, пропорційна інтенсивності розсіяного світла.

2.Початковий розчин розвести в 2 рази. Для цього взяти піпеткою із кювети 50 мл золю в колбу і додати в кювету 50 мл дистильованої води. Перемішати вміст кювети і знову виміряти ЕРС.

3.Розведений у 2 рази розчин аналогічно розвести водою ще в 2 рази, після чого початковий золь стане розведеним у 4 рази. Для нього також виміряти ЕРС. Ще раз розвести останній розчин водою у 2 рази, отже початковий золь буде розведений у 8 разів. Виміряти його ЕРС.

80