Тема 2. Дисперсные системы

Цели изучения: получение представления о разнообразии дисперсных систем, их применении в медицине; природе коллоидного состояния; методах получения и очистки, свойствах коллоидных растворов; познание особенности лиофобных и лиофильных коллоидов, осознание их биологической роли; познание механизма коагуляции, принципа коллоидной защиты; формирование умения составлять формулы мицелл, пользоваться математическим аппаратом для расчетов порога коагуляции, защитного числа; выработка ценностного отношения к получаемым знаниям и умениям как профессионально значимым.

& Повторите и вспомните:

• Гетерогенные системы.

• Поверхностная энергия. Энергия Гиббса. Адсорбция. Ионная адсорбция. Правило Панета-Фаянса.

• Способы выражения концентрации вещества в растворе.

• Диффузия, осмос.

• Оптические явления - дифракция, интерференция, светорассеивание (физика).

• Электролиты сильные и слабые.

• Реакция среды, рН.

• Строение клеточных мембран (биология, гистология).

 Учебно-целевые вопросы

1. Дисперсные системы. Классификация дисперсных систем.

2. Лиофобные коллоиды (золи). Строение мицеллы. Возникновение межфазного (j_мф) и электрокинетического (x– (дзета) потенциалов.

3. Способы получения коллоидных растворов: диспергационные, конденсационные.

4. Методы очистки золей. Принцип АИП (аппарат «искусственная почка»).

5. Молекулярно-кинетические, оптические и электрокинетические свойства коллоидных систем.

6. Понятие о кинетической и агрегативной устойчивости золей. Коагуляция коллоидных систем и факторы, ее вызывающие. Суть теории Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (ДЛФО).

7. Механизм электролитной коагуляции. Нейтрализационная и концентрационная коагуляция.

8. Кинетика коагуляции. Коагуляция явная, скрытая, быстрая, медленная. Порог коагуляции. Правило Шульце-Гарди.

9. Коагуляция смесями электролитов. Гетерокоагуляция, пептизация. Биологическая роль.

10. Коллоидная защита, флокуляция, их биологическая роль.

11. Лиофильные коллоиды, получение, ККМ, свойства, биологическая роль.

12. Микрогетерогенные системы, краткая характеристика, применение в медицине.

Краткая теоретическая часть

Д исперсной системой называется гетерогенная система, в которой дисперсная фаза раздроблена и распределена в дисперсионной среде (рис.14)

Рис. 14. Дисперсная система

1. Классификация дисперсных систем

В окружающей нас природе, как и в живом организме редко встречаются индивидуальные химические вещества. Чаще многообразие веществ, составляющих живую и неживую природу, представлено в виде растворов или в виде дисперсных систем.

Дисперсные системы в природе отличаются огромным разнообразием, поэтому невозможно составить для них единственную классификацию. Существуют общие признаки, которые характерны для всех дисперсных систем, и частные, распространяющиеся лишь на отдельные виды этих систем.

Классифицировать дисперсные системы можно на основе следующих общих признаков:

• агрегатное состояние дисперсной фазы и дисперсионной среды;

• размер и распределение частиц дисперсной фазы по размерам;

• вид дисперсной фазы.

Дисперсность (степень дисперсности) D вещества обратно пропорциональна размеру частиц a (D ~ 1/a) и определяется удельной поверхностью Sуд, равной отношению общей площади поверхности частиц к единице объема (или иногда массы) дисперсной фазы Sуд = S/V.

Для пористых веществ (систем, тел), например адсорбентов и катализаторов, понятие дисперсности заменяется равнозначным понятием пористости, т. е. характеристикой размеров каналов пор, пронизывающих эти тела.

В химии высокомолекулярных соединений дисперсностью часто называют характеристику размеров линейных или разветвленных (цепочечных) полимерных молекул, определяемую молярной массой.

Классификация состояния вещества по степени его дисперсности приведена в табл. 3.

Таблица 3

Состояние вещества в зависимости от степени дисперсности

Состояние вещества	Раздробленность вещества	Размер частиц, нм	Степень дисперсности D, см^-1	Число атомов в одной частице (шт)	Средство наблюдения
Макроскопическое	Грубодисперсная	10^7–10^5	10–10^2	>10^18	Невооруженный глаз
Микроскопическое	Тонкодисперсная	10^5–10^2	10^2–10^5	>10^9	Оптические микроскопы
Коллоидное или наноструктуриро-ванное	Ультрадисперсная	10^2–1	10^5–10^7	10^9–10^2	Ультрамикроскопы, РЭМ, ТЭМ, СЗМ
Молекулярное, атомное и ионное	Молекулярная, атомная и ионная	10^0–10^–1	>10^7	<10^2	Высокоразрешающие (<0,1 нм) РЭМ, ТЭМ, СЗМ

(РЭМ и ТЭМ – сканирующие и просвечивающие электронные микроскопы; СЗМ – сканирующие зондовые микроскопы.)

Из таблицы видно, что коллоидное состояние является ультрадисперсным состоянием вещества, и, в соответствии с современными представлениями может быть названо наноструктурированным состоянием вещества, так как содержит структурные единицы (частицы, фазы, кристаллиты, зерна, нити, пленки, блоки, домены, пузырьки, поры) с размерами в диапазоне (1,0–100) нм.

Под коллоидами понимается не отдельный класс веществ, а особое состояние любого вещества, характеризующееся, прежде всего, определенными размерами его частиц, структур, слоев, физических и химических фаз.

Вещества и материалы в наноструктурированном (коллоидном) состоянии с размерами фаз, частиц, структур и слоев в диапазоне (1,0 – 100) нм принято для краткости называть наносистемами, а сами частицы, структуры, слои (пленки) и фазы - соответственно

наночастицами, наноструктурами, нанослоями, (нанопленками) и нанофазами. Совокупности наночастиц, наноструктур, нанослоев, (нанопленок) и нанофаз часто называются нанообъектами.

Перевод вещества или материала в коллоидное состояние называется наноструктурированием, под которым следует понимать не только их получение в виде свободных наночастиц и свободных нанослоев, но создание на их поверхности наноструктур и нанослоев, а в их объеме физических или химических нанофаз, которые можно рассматривать как своеобразные наночастицы и нанослои, отделенные от остальной структуры поверхностями раздела.

Нанотехнологии – это способы контролируемого получения веществ, материалов и сред в коллоидном (ультрадисперсном с размерами дисперсных частиц, структур, слоев, физических или химических фаз в диапазоне (1,0 – 100) нм) состоянии, т.е. способы их контролируемого наноструктурирования, исследования и измерения их свойств и характеристик и использования их в различных отраслях науки, техники и промышленности.

Наноструктурированное состояние вещества может достигаться из верхнего (более крупного) макро- или микроскопического состояния вещества путем его диспергирования (диспергационными методами нанотехнологий) или подходом «сверху вниз» и из нижнего (более мелкого) молекулярного (атомного, ионного) состояния вещества путем его конденсации (конденсационными методами нанотехнологий) или подходом «снизу вверх».

По характеру взаимодействия частиц дисперсной фазы между собой дисперсные системы можно подразделить на два класса (табл. 4): свободнодисперсные, в которых частицы дисперсной фазы слабо связаны между собой и они могут свободно перемещаться друг относительно друга. Подобные системы характеризуются текучестью (золи, эмульсии). В связнодисперсных системах частицы дисперсной фазы соединены теми или иными связями. В итоге они образуют пространственные структуры – решетки, сетки и т.д. – и текучесть системы невелика (студни, гели).

Таблица 4