Физическая и коллоидная химия

Аэрозоли -- дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой и взвешенными твердыми или жидкими частицами. По методам получения они подразделяются на диспергационные, образующиеся при измельчении и распылении веществ, и на конденсационные, получаемые конденсацией из пересыщенных паров и в результате реакций, протекающих в газовой фазе. По агрегатному состоянию и размерам частиц дисперсной фазы аэрозоли делят на туманы -- системы с жидкой дисперсной фазой, размер частиц 10--0,1 мкм, пыли--системы с твердыми частицами размером больше 10 мкм и дымы, размеры твердых частиц которых находятся в пределах 10--0,001 мкм. Туманы имеют частицы правильной сферической формы (результат самопроизвольного уменьшения поверхности жидкости), а пыли и дымы содержат твердые частицы самой разнообразной формы. К типичным аэрозолям относятся: водяной туман (размер частиц 0,5 мкм), топочный дым (0,1--100 мкм), дождевые облака (10--100 мкм), дым из ZnO (0,05 мкм), сернокислотный туман (1--10 мкм), дым из P2O5 (1 мкм). Частицы высокодисперсных аэрозолей участвуют в тепловом движении газообразной дисперсионной среды.

Оптические свойства. Оптические свойства аэрозолей подчиняются в общем тем же законам, что и оптические свойства лиозолей, для них также характерно светорассеяние. Однако вследствие большой разницы в показателях преломления газовой дисперсионной среды и жидкой или твердой дисперсной фазы для аэрозолей характерно более интенсивное светорассеяние, и они не пропускают свет. На этом свойстве аэрозолей основано применение маскировочных дымовых завес. Благодаря светорассеянию аэрозоли, находящиеся в верхних слоях атмосферы, могут уменьшать интенсивность солнечной радиации и влиять на климатические условия.

Молекулярно - кинетические свойства. Очень низкая вязкость и малая плотность газовой дисперсионной среды влияют на характер движения частиц в аэрозолях, на их молекулярно- кинетических свойства. Достаточно крупные частицы аэрозолей под действием силы тяжести должны были бы осесть, однако благодаря конвекционным потокам воздуха они могут находится долго во взвешенном состоянии, т.е аэрозоли обладают своеобразной седиментационный устойчивостью.

Электрические свойства. У частиц аэрозолей нет двойного электрического слоя, но в определенных условиях они приобретают электрический заряд (электронизация частиц). Электрический заряд на частицах в аэрозолях возникает либо в результате образования и последующего нарушения контакта частиц друг с другом или с какой - нибудь поверхностью, либо чаще всего, вследствие адсорбции на поверхности частиц ионов газов.

В отличие от коллоидных растворов , где величина заряда частицы обычно обуславливается избирательной адсорбцией ионов электролита и отвечает равновесию между частицей и окружающей средой, у аэрозолей заряд частиц в известном мере случаен и целиком зависит от причин, его вызывающих. По тем же причинам у аэрозолей не существует строгой зависимости между дисперсностью и величиной заряда.

Агрегативная устойчивость. Аэрозоли обладая при высокой дисперсности достаточной седиментационной устойчивостью, обычно являются весьма агрегативной неустойчивыми системами и в них всегда идет процесс коагуляции. Этим объясняется сравнительно небольшой срок жизни любого аэрозоля. Существенно, что максимальную неустойчивость проявляют аэрозоли с наиболее крупными и наиболее мелкими частицами. Первые системы неустойчивы из-за большой скорости оседания их частиц, вторые не могут долго существовать вследствие интенсивного броуновского движения, приводящего к столкновению частиц и образования агрегатов.

Коагуляция аэрозолей, являющаяся, как правило, процессом быстрой коагуляции, обычно протекает значительно быстрее, чем коагуляция лиозолей, из- за более интенсивного броуновского движения в системах с газовой дисперсионной средой. Расчеты показывают, что скорость коагуляции чрезвычайно сильно возрастает с увеличением численной концентрации аэрозоля.

Ниже приведены данные, характеризующие скорость коагуляции аэрозолей в зависимости от концентрации:

Начальная численная

Концентрация в 1 см2 1012 1010 108 106

Время, требующееся

для уменьшения

численной концентрации

на два порядка Доля 15 - 30 с 30 мин Несколько

секунды суток

Из этих данных следует, что независимо от начальной концентрации аэрозоля через несколько минут после его получения численная концентрация в 1 см3 не может быть выше 108 - 106. Это примерно в 108раз меньше численной концентрации лиозолей (например, обычный золь золота содержит около 1015 частиц в 1 см3). Таким образом, как в природе, так и в производственных условиях мы почти всегда имеем дело с весьма сильно разбавленными аэрозолями.

На скорость коагуляции аэрозоля, конечно, влияют конвекционные потоки, механическое перемешивание, ультразвуковые колебания, поскольку все эти воздействия увеличивают вероятности столкновения частиц друг с другом.

В заключение отметим, что в аэрозолях, как и лиозолях, могут изменяться размеры частиц не только за счет явления коалесценция и агрегации, но и вследствие изотермической перегонки дисперсной фазы, что приводит к укрупнению больших частиц за счет испарения более мелких. Испарение капелек туманов может приводить в соответствующих условиях и к переходу аэрозоля в гомогенную систему подобно тому. Как растворение дисперсной фазы лиозоля приводит к образованию истинного раствора.

2. Методы получения аэрозолей. Аэрозоли как и другие коллоидные системы, можно получать с помощью методов конденсации и диспергирования.

Методы конденсации. В основе всех конденсационных методов образования аэрозолей лежит конденсация пересыщенных паров. Пересыщение паров может быть достигнуто либо за счет охлаждения, либо при образовании пара в результате химических реакции.

Охлаждение, пересыщение и конденсации паров может происходить различными путями, например при адиабатном расширении газа, содержащего пары какой - либо жидкости. Именно так образуются обычно кучевые облака, когда теплые массы влажного воздуха поднимаются в более высокие слои атмосферы.

Охлаждение, пересыщение и конденсации паров может также происходить при их соприкосновении с холодной поверхностью или при смешении с холодным воздухом. Так образуются в природе туманы. Чаще всего туман появляется при ясной погоде ночью, при сильном охлаждении поверхности земли в результате теплового излечения. Влажный воздух вторгается в зону с более низкой температурой или соприкасается с охладившейся землей, вследствие чего в нем и образуются капельки тумана.

Химические реакции, при которых возможно образование аэрозолей, могут иметь самый различный характер. Так, в результате окисления при сгорании топлива образуются дымовые газы, содержащие продукты с весьма малым давлением пара. Смешиваются с более холодным воздухом, эти продукты конденсируются и образуются топочный дым. Дымы получаются также при сгорании фосфора на воздухе. Окисление металлов на воздухе, происходящие при различных металлургических и химических процессах, очень часто сопровождается образование дымов, состоящих из частиц окислов металла, например окиси цинка, окиси магния и т.д. Стойкие туманы могут давать в смеси с воздухом такие вещества, как SO3 и HCI. Дым образуется при соприкосновении с влажным воздухом хлорида алюминия. Последний дымит на воздухе потому, что между АICI3 и водяным паром происходит химическая реакция с образованием высокодисперсных частиц. AI(OH)3.

Метод диспергирования. К методам получения аэрозолей путем диспергирования относятся измельчение и истирание твердых тел, распыление жидкости, а также получение аэрозолей в результате взрыва. Как правило, методами диспергирования получаются гораздо более низкодисперсные и более полидисперсные аэрозоли, чем методами конденсации.

Распылением жидкости путем продавливание через специальные пульверизаторы и форсунки пользуются для равномерного нанесения красок и лаков на окрашиваемые поверхности, распыления жидкого топлива и других целей. Интересно, что если при таком распылении струю жидкости зарядить до электрического потенциала в несколько тысяч вольт, то распыление жидкости идет гораздо легче.

В природе аэрозоли, содержащие капельки жидкой дисперсной фазы, получают путем диспергирования в результате падения больших масс воды в водопадах.

Существуют много методов разрушения аэрозолей, в основе которых лежат такие процессы, как инерционные осаждения, фильтрация, электростатическое осаждение и коагуляция. Выбор метода разрушения зависит от вида аэрозоля (химической природы и размера его частиц).

Инерционное осаждение проводят в устройствах, называемых циклонами. Циклон представляет собой металлический цилиндр, в котором поток воздуха частицы пыли движется по спирали. При этом частицы пыли отбрасываются на стенки и оседают на них. Циклоны применяются для разделения грубых аэрозолей с крупными частицами.

Мелкие частицы можно отделить с помощью тканьевых или волокнистых фильтров. В качестве фильтров обычно применяются хлопчатобумажные, синтетические или шерстяные ткани. Действие этих фильтров основано на механическом задерживании частиц не проходящие через поры ткани.

Электростатическое осаждение аэрозолей осуществляется с помощью электрофильтра, принципиальное которого показано на рис. 1.

Воздух с частицами пыли проходит по трубе 1 между двумя электродами, одним из которых служит проволока 2, а другим - заземленный корпус трубы 1. На электроды подается напряжение 25 - 100 кВ. В этих условиях возникает электрический (коронный) разряд и поток электронов ионизирует молекулы газа, находящегося между электродами. Образующиеся ионы адсорбируются частицами аэрозоля и сообщают им заряд, под действием которого частицы пыли осаждаются на аноде (стенках трубы).

Коагуляцию аэрозолей можно вызвать также воздействием ультразвука. Ультразвук ускоряет движение частиц аэрозоля и способствует соединению их в крупных агрегаты, которые затем легко отделяются в циклона.

3. Пены. Пенами называют грубые высококонцентрированные дисперсные системы, в которых дисперсная фаза - газ, а дисперсионная среда - жидкость. Пузырьки газа в пенах имеют большие размеры, форму многогранников и отделены друг от друга очень тонкими прослойками дисперсионной среды (рис 2).

Для получения пен применяются обычно диспергационные методы: интенсивное встряхивание или перемешивание жидкости, продавливание (барботирование газа через пористые фильтры в жидкость, реже используют конденсационные методы.

Прочность и продолжительность существования (время жизни) пены зависит от свойств пленочного каркаса, в свою очередь определяющихся природой и содержанием в системе пенообразователя, адсорбированного на межфазной поверхности.

Устойчивую пену можно получить только с использованием стабилизатора - пенообразователя. Чистые жидкости не обладают способностью образования. Устойчивость пен зависит от природы и концентрации пенообразователя. Со временем пленки между пузырьками становится тоньше вследствие стекания жидкости, пузырьки лопаются, пена разрушается и, наконец, вместо пены остается одна жидкая фаза - раствор пенообразователя в воде или другой жидкости.

Устойчивость пен можно характеризовать временем существования пены, т.е временем, прошедшим с момента образования пены до момента полного ее разрушения. Другой способ оценки устойчивостью через вспениваемую жидкость пузырьков воздуха и определения равновесной высоты образующегося при этом столба пены.

С повышением температуры устойчивость пены уменьшается, так как при этом снижается адсорбция пенообразователя на границе фаз и уменьшается вязкость жидкости.

Пены получают путем пропускания пузырьков соответствующего газа (обычно воздуха) через раствор пенообразователя или путем интенсивного механического перемешивания раствора пенообразователя.

Пены и пенообразованием имеют важное практическое значение. Действие мыла и других моющих средств при удалении загрязнений с любой поверхности связано с пенообразованием. Очень важная область использования пен - тушение пожаров. Противопожарная пена обычно содержит в виде дисперсной фаза диоксид углерода, такая пена имеет невысокую плотность, что позволяет применять её для тушения горящих органических жидкостей. При тушении она покрывает поверхность и препятствует доступ к ней воздуха.

В ряде случаев пенообразование может иметь отрицательное значение. Например, благодаря легкому образованию пены возникают трудности при перемешивании некоторых растворов. Образование обильной пены мешает выпариванию растворов в выпарных аппаратах и приводит к потерям ценной жидкости при перебросах пены.

ЛЕКЦИЯ 16

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И ИХ РАСТВОРЫ

Цель: Изучение высокомолекулярных соединений, растворов ВМС, явления набухания, студнеобразования.

1. Основной признак высокомолекулярных соединений (ВМС) - высокая молекулярная масса (не менее 10 000, а в ряде случаев может достигать нескольких миллионов). Такие гигантские молекулы, состоящие из огромного числа атомов, называемых макромолекулами.

Характерная особенность большинства ВМС - наличие в их молекуле многократного повторяющихся звеньев - мономеров, т.е. остатков молекул низкомолекулярных соединений, из которых за счет химических связей образуются макромолекулы. Вот почему вместо ВМС пользуются еще и термином полимер.

По происхождению высокомолекулярные соединения делят на природные, или биополимера (например белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды) и синтетические (например, полиэтилен, полистирол, феноло-альдегидные смолы). В зависимости от расположения в макромолекуле атомов и атомных групп различают: 1) линейные высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых представляют собой открытую, линейную цепь (например, каучук натуральный) или вытянутую в линию последовательность циклов (например, амилопектин); 3 сетчатые высокомолекулярные соединения - трехмерные сетки, образованные отрезками высокомолекулярных соединений цепного строения (например, отверженные феноло-альдегидные смолы, каучук).

Свойства и основные характеристики высокомолекулярных соединений обладают специфическим комплексом физико - химическими и механическими свойствами. Важнейшие из них: 1) способность образовать высокопрочные анизотропные волокна и пленки; 2) способность к большим обратимым, так называемым высокоэластическим, деформациям; 3) способность набухать перед растворением и образовать высоковязкие растворы. По фазовому состоянию высокомолекулярные соединения могут быть кристаллическими или аморфными. Необходимое условие кристаллизации - регулярность достаточно длинных участков молекулярной цепи.

Высокомолекулярные соединения с изодиаметрическими молекулами (например, гемоглобин, печеночный крахмал - гликоген) обычно представляют собой порошкообразные вещества. При растворении они почти не набухают, а растворы этих веществ не обладают высокой вязкостью даже при сравнительно больших концентрациях и подчиняются закону вязкости Пуазеля, закону диффузии Эйнштейна и закону осмотического давления Вант - Гоффа.

Высокомолекулярные соединения с сильно асимметрическими вытянутыми молекулами (например, желатин, целлюлоза и ее производные, натуральный и синтетические каучуки) при растворении очень сильно набухают и образуют высоковязкие растворы, низкомолекулярных выществ.

Характерной особенностью высокомолекулярных веществ с линейными молекулами является волокнистая структура, обусловливающая анизотропию свойств и высокую механическую прочность. Поэтому такие вещества обладают способностью образовывать волокна и пленки. Некоторые полимеры обладают ценнейшим свойством - высокой эластичностью.

2. Растворы высокомолекулярных соединений по свойствам сходны с коллоидными растворами. Так же, как и у коллоидных растворов, у них сравнительно невелика скорость диффузии, небольшое осмотическое давление, они не проходят через полупроницаемые перегородки. Однако в основном растворы полимеров имеют молекулярную природу и являются не золями, а истинными, молекулярно - или ионно - дисперсными гомогенными системами.

Сходство растворов полимеров с истинными молекулярными растворами проявляется в образовании их в результате самопроизвольного растворения в термодинамической устойчивости и в возможности получения растворов сравнительно высокой концентрации. Следует, однако, иметь в виду, что самопроизвольное растворение (диспергирование) и термодинамическая устойчивость - свойства, присущие не только истинным молекулярным растворам. Лиофильные коллоидные системы термодинамически устойчивы и могут образовываться в результате самопроизвольного диспергирования. Все это дает основание считать, что растворы полимеров сочетают в себе свойства истинных молекулярных растворов и типичных коллоидных систем, причем свойства растворов полимеров также зависят от концентрации, температуры, природы растворителя и полимера.

Сильно разбавленный раствор полимера небольшой молекулярной массы в очень хорошем растворителе представляет собой гомогенный молекулярный раствор. С увеличением концентрации или с ухудшением растворяющей способности растворителя макромолекулы полимера или сворачиваются в относительно плотный клубок - глобулу, или образуют агрегаты из нескольких макромолекул. Оба эти процесса приводят к возникновению новой фазы, т.е к образованию мицелл. Раствор полимера, содержащий мицеллы, приобретает свойства обычного золя. Агрегативная устойчивость такого золя обусловлена тем, что при образовании мицеллы полярные или неполярные группы полимера определенным образом ориентируется на границе макромолекула - среда, благодаря чему вокруг мицелл возникает сольватная оболочка. Этот процесс аналогичен процессу ориентации при образовании мицелл из молекул ПАВ.Так же как и в коллоидных растворах ПАВ, в реальных растворах высокомолекулярных соединений в равновесии находятся макромолекулы и их ассоциаты - мицеллы. Крайними случаями этого равновесия являются идеальный молекулярный раствор и лиофобный золь. Между ними возможны различные переходные системы, обладающие одновременно свойствами коллоидных систем и молекулярных растворов. Для таких систем предложен - молекулярные коллоиды. При обычных условиях растворы высокомолекулярных соединений по своим свойствам ближе к коллоидным системам и являются термодинамически устойчивыми лиофильными коллоидными системами.

Высаливание и коацервация. Для выделения высокомолекулярного вещества из раствора необходимо уменьшить его растворимость. Обычно для выделения высокомолекулярного вещества из водного раствора к нему добавляют какой - либо электролит. Протекающий процесс только внешне напоминает коагуляцию коллоидного раствора электролитами. Если коагуляция золей происходит при очень невысокой концентрации электролита, то для выделения из раствора высокомолекулярного вещества требуются очень большие количеств электролита называют высаливанием.

В растворах высокомолекулярных веществ при понижении температуры или при высаливании иногда наблюдается образование капелек второй жидкой фазы. Эта фаза представляет собой более концентрированный раствор высокомолекулярного вещества, приближающегося по свойства к студню. Капельки фазы, обогащенной высокомолекулярным веществом, затем соединяются в более крупные агрегаты и процесс заканчивается расслоением системы на два жидких слоя. Явление разделения раствора высокомолекулярного вещества на две жидкие фазы получило название коацервации. Одна из фаз представляет собой концентрированный вязкий раствор полимера, другой слой - разбавленный раствор того же полимера.

3. Набухание - самопроизвольный процесс поглощения высокомолекулярным веществом низкомолекулярной жидкости, сопровождающийся увеличением его масса и объема.

Набухание - избирательное явление, т.е полимеры способны набухать в тех жидкостях, которые по отношению к ним служат растворителями, например, желатина, агар - агар набухают в воде, каучук, резина - в углеродных жидкостях.

При этом различают два вида набухания неограниченное и ограниченное.

Неограниченное представляет собой набухание, переходящее в полное растворение (например, каучук в бензоле, бензине). При ограниченном набухании не происходит полного растворения, набухание идет да какого-то определенного (максимального) значения и дальнейший контакт с растворителем не изменяет ни массы, ни объема полимера (например, набухание желатины в воде при комнатной температуре; резина в бензине и т.п).

Причиной набухания является то, что при растворении происходит не только диффузия молекул растворяемого вещества в растворитель, как это имеет место при растворении низкомолекулярных веществ, но главным образом, диффузия молекул растворителя в высокомолекулярное вещество.

В синтетических полярных полимерах и белках набухание начинается с сольватации полярных групп. При образовании сольватных слоев поглощается около 20 - 40%растворителя от массы сухого полимера. Следующая стадия набухания - поглощение десятикратного объема растворителя - объясняется осмотическим явлениями. Набухание в современной трактовке тесно связано с молекулярной структурой полимера. С термодинамической точки зрения процессы набухания ВМС и растворения низкомолекулярных веществ весьма сходны между собой; набухание - явление, характерное для полимеров.

Набухание оценивается по степени набухания массы жидкости, поглощенной 1 г сухого полимера. Степень набухания определяют весовым и объемным методом. Весовым методом определяют массу сухого и набухшего полимера и по разности находят массу поглощенной жидкости. Объемным методом измеряют изменение объема тела при поглощении им жидкости, или объем жидкости, в котором происходит набухание. Степень набухания Q вычисляют по уравнению

Q = [(a1 - a2)/a1]100

Где а1 и а2 - масса или объем вещества до и после набухания.

Набухание зависит от скорости диффузии жидкости в полимер, а поэтому скорость набухания dQ/dt описывается кинетическим уравнением первого порядка:

dQ/dt = K(Q? - Q)

где Q - масса жидкости, поглощенная набухающим веществом за время t; Q? - максимальная масса поглощенной жидкости (предельное набухание); К - постоянная для данной системы, определяющая способность вещества к набуханию.

Зависимость скорости набухания от времени строится в системе координат t - dQ/dt. Чтобы вычислить константу К уравнение интегрируют

K = 2,3/t lg Q?/ Q? - Q

Строят прямую в координатах t - lg Q?/ Q? - Q. Тангенс угла наклона прямой, умноженный на 2,3, соответствует К.

Важной количественной характеристикой ВМС является молекулярная масса полимеров. Существуют различные методы определения молекулярной массы полимеров, многие из них достаточно сложны, поэтому широко используют менее точный, но простой вискозиметрии. Определение молекулярной массы проводят в вискозиметрах капиллярного типа в достаточно разбавленных растворах. Большинство полимеров обладает набором молекулярных весов, они полимолекулярны и для них пользуются понятием среднего молекулярного веса. Различают средневесовой молекулярный вес Мw, усредненный по массе частиц и среднечисленный.

Студни - структурированные системы, получаемые из растворов высокомолекулярных веществ (желатины, агар - агара, каучука и т.д.), в отличие от гелей, образованных из коллоидных растворов. Студень (гель) отличается от раствора отсутствием текучести; он занимает промежуточное положение между растворами и твердыми растворами. Студни можно получать и в результате ограниченного набухания. Причина застудневания (желатинирования, гелеобразования) состоит в возникновении связей между молекулами (частицами) и постепенного упрочнения в системе пространственной сетке.

Переход раствора полимера в студень при охлаждении осуществляется непрерывно и не характеризуется какой либо определенной температурой. Растворимость полимера можно уменьшить введением в раствор небольших количеств добавок, ухудшающих растворяющую способность растворителя. У одного и того же полимера лучшим студнеобразователем будет высокомолекулярная фракция, так как с увеличением молекулярной массы уменьшается растворимость.

Электропроводность студней мало отличается от электропроводности раствора, из которого они получены. Ионы свободно перемещаются в жидкой среде, легко проходят через макромолекулярную сетку.

Механические свойства студней, в частности их эластичность и упругость, зависят от концентрации. Чем выше концентрации студня, тем больше вероятность возникновения межмолекулярных связей и тем лучше прочностные свойства студня. При комнатной температуре растворы желатины образуют достаточно прочные студни при концентрации 0,7 - 0,9%. Для агара эта концентрация равна 0,2%, для агароида - 0,8 - 1,0%.

Некоторые студни обладают тиксотропными свойствами. У таких студней прочность контактов между макромолекулами должна быть небольшой. Обычно тиксотропные свойства проявляются у студней в начальной стадии образования, когда ещё между макромолекулами не установились прочные связи.

У студней высокомолекулярных соединений часто наблюдается синерезис - отделение из студня жидкости, сопровождаемое уменьшением его размеров при сохранении общей формы. Способность к синерезису зависит от способа получения студня. Если студень получен в результате набухания полимера, то синерезис практически не наблюдается. Студень, полученный охлаждением раствора полимера, почти всегда подвержен синерезису. Очевидно, это связано с тем, что при образовании студня из раствора процесс установления связей между макромолекулами осуществляется медленно и это ведет к дальнейшему уменьшению объема студня и выделению избытка жидкости.

Синерезис важное биологическое значение. Он является одной из причин появления у биологических тканей (с увеличением возраста организма) новых качеств - большей жесткости именьшей эластичности. Положительным примером синерезиса может служить самопроизвольное отделение жидкости от творога в процессе созревания сыра.

Студни и процессы студнеобразования имеют большое значение в технике и биологии. Отдельные стадии в производстве искусственных волокон, различных клеев, взрывчатых веществ связаны с образованием студней. Многие производственные процессы пищевой технологии основаны на студнеобразовании.

ЛЕКЦИЯ 17

Высокомолекулярные электролиты. Их изоэлектрическая точка

Цель: Изучение коллоидно - дисперсных свойств высокомолекулярных соединений.

1. Многие природные и синтетические полимеры содержат ионогенные группы, способные диссоциировать, т.е. являются высокомолекулярными электролитами, или полиэлектролитами. При диссоциации таких электролитов образуются подвижные небольшие ионы и многозарядный полимерный макроион. По характеру диссоциации ионогенных групп полиэлектролиты можно разбить на следующие три вида:

1. Полиэлектролиты, содержащие кислотную группу, например - СООН, или - OSO3Н. К таким подиэлектролитам относятся агар, окисленный крахмал, пектин. В состав макромолекул агара входят группы- OSO3Н, в молекулах окисленного крахмала и пектина есть группы - OSO3Н В некоторых полимерах ион водорода в этих группах заменен катионом металла.

2. Полиэлектролиты, содержащие только основные группы, например аминогруппу - NH2(-NH3OH). Такие полиэлектролиты в природе не встречаются, они могут быть получены синтетическим путем. К ним относятся многие анионообменные смолы - аниониты, имеющие большое практическое значение.

3. Полиэлектролиты, в макромолекулах которых чередуются кислотные и основные группы. Такие полиэлектролиты можно назвать полимерными амфотерными электролитами или полиамфолитами. К полиамфолитам относится самый сложный и самый важный для живых организмов класс полимеров - белки.

2. Свойства растворов полиэлектролитов

Полиэлектролиты, за исключением белков, характеризуются высокой плотностью расположения ионогеных групп - обычно на одно звено цепи приходится по одной ионогенной группе. У белков одна карбоксильная группа или амино-группа приходится на 6 - 8 остатков аминокислот. Вследствие этого молекулы полиэлектролитов могут испытать в растворах значительные электростатические взаимодействия, что приводит к сильной деформации цепей гибких молекул. Такая деформация, естественно, зависит от степени ионизации групп, которая в свою очередь является следствием присутствия в системе низкомолекулярных электролитов и рН раствора.

Все высокомолекулярные электролиты растворяются в полярных растворителях, так как макромолекулы с ионогенными группами взаимодействуют с полярными жидкостями сильнее, чем с неполярными. Именно вследствие значительного взаимодействия высокомолекулярных электролитов (белков) со средой (водой) высокомолекулярные вещества одно время называли лиофильными коллоидами.

Молекулы белков, построенные из аминокисло, в одной среде содержат основные группы HONH3 - и кислотные группы - СООН и поэтому являются амфотерными соединениями. Схематически белковую молекулу можно изобразит так: HONH3 - R - COOH, где R - достаточно длинная углеводородная цепочка, обычно содержащая группы - CONH-. Однако следует помнить, что ионогенные группы ОHNH3 - и - СООР располагаться не только на концах молекулы, но и в виде коротких боковых цепей, распределенных по всей длине основной цепи.

В водном растворе при определенной концентрации водородных ионов, отвечающей изоэлектрической точке, у всякого амфолита (амфотерного электролита) число ионизированных основных групп равно числу ионизированных кислотных групп. При этом число как тех, так и других групп минимально. Молекулу белка в изоэлектрическом состоянии следует считать в целом нейтральной, хотя она и имеет еще ионизированные группы. Условно её можно изобразить в этом состоянии следующим образом:

OH- + NH -R - COO- + H+

Поскольку белок обычно является более сильной кислотой, чем основанием, то изоэлектрическая точка его лежит при рН ниже 7. Для достижения изоэлектрической точки в растворе белка должно содержаться некоторое количество кислоты, подавляющее избыточную ионизацию кислотных групп. Так как в изоэлектрической точке число взаимодействующих ионизированных основных и кислотных групп в молекуле одинаково, то гибкая макромолекула в этом состоянии свернется в клубок. Плотность клубка вследствие сил притяжения между равноименно заряженными группами будет больше той плотности, которая отвечает наиболее статистически вероятной форме макромолекулы или максимальной ее энтропии.

4. Применение полиэлектролитов

Полиэлектролиты широко применяются в народном хозяйстве качестве флокулянтов суспензий с полярной (водной) средой и в качестве ионообменных смол.

Флокуляция может происходить за счет того, что длинные цепи молекулы полиэлектролита адсорбируется одним концом на одной частице суспензии, а другим - на другой частице, образуя между частицами достаточно прочный мостик.

В промышленном масштабе выпускаются различные типы флокулянтов. Одним из наиболее применяемых флокулянтов является частично гидролизованный полиакриламид, который содержит группы - NH2 и - СООН (гидролиз, ведущий к образованию групп - СООН, следует проводить так, чтобы гидролизовалось всего ? - NH2 групп. При большей степени гидролиза молекула полиакриламида приобретает настолько большой отрицательный заряд, что перестает адсорбироваться на обычно отрицательно заряженных частицах суспензий).

Полиэлектролиты в качестве флокулянтов применяются при коагуляции оборотной воды в угольной промышленности, для извлечения золота из промывных и сточных вод в золотообрабытывающей промышленности, что снижает потери золота на 99,9%; в бумажной промышленности для удержания наполнителя в бумаге и снижения потерь волокна; для очистки сточных вод. Наиболее важно применение флокулянтов в сельском хозяйстве для придания нужных свойств почве. Введение в почву даже очень малых количеств флокулянтов (0,02 - 0,05% от слоя почвы глубиной 15 см) уменьшает эрозию, структурирует почву, что улучшает ее обрабатываемость, увеличивает влагоудерживающую способность и водопрочность почвы. Введенный в почву полиэлектролит обычно сохраняет свое действие в течение 3 лет.

Полиэлектролиты в качестве иониты. Иониты, или ионообменными материалами, называются нерастворимые вещества, способные обменивать содержащиеся в них ионы на другие ионы того же знака, присутствующие в среде, с которой соприкасается ионит.

В последнее время в качестве ионитов стали применять синтетические смолы, причем существуют смолы, способные обменивать как катионы (катиониты), так и анионы (аниониты). Преимущество ионообменных смол перед ионитами других типов заключается в их высокой механической прочности, химической стойкости и большой сорбционной (обменной) емкости. Обмен ионов с помощью синтетических смол может происходить во всем объеме смолы, так как растворенные ионы обычно свободно проникают сквозь структурную решетку смолы. Обменная емкость ионитов обычно выражается числом грамм-эквивалентов, извлекаемых с помощью 1 г сухого ионита. Обменная емкость зависит от характера содержащихся в ионите активных групп, от структуры ионита, а также от природы обменивающихся ионов, концентрации раствора и его рН.

В последнее время были синтезированы синтезированы синтетические смолы селективного действия, избирательно сорбирующие отдельные ионы, а также амфотерных элементов. Начинают также примяться иониты с оптически активными группировками, с помощью которых можно разделить оптические изомеры. Иониты применяются всюду, где требуется удаление, выделение и концентрирование ионов в растворах. Иониты используются в энергетической и в ряде других отраслей промышленности. Ионообменные смолы применяются для разделения ионов, которые до настоящего времени не могли быть разделены с помощью других методов. В частности, их применяют для разделения редкоземельных элементов, продуктов распада радиоактивных веществ и т.д. Широкое применение иониты находят при изготовлении чистых реагентов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воюцкий СС. «Курс коллоидной химии» Москва, «Химия». 1976г., 510 с.

2. Дублицкая Р.А.. Р.И. Фельдман «Практикум по физической и коллоидной химии», Москва, «Высшая школа», 1978г.

3. Фролов Ю.Г. «Курс коллоидной химии» (Поверхностные явления и дисперсные системы), Москва, «Химия». 1989г, 464 с.

4. G. Rahmonberdiev va bosh. «Fizik va kolloid kimyodan masalalar» Toshkent, «Fan va texnologiya» 2006y.

5. Воюцкий СС. «Курс коллоидной химии» Москва, «Химия». 1976г., 510 с.

6. Дублицкая Р.А.. Р.И. Фельдман «Практикум по физической и коллоидной химии», Москва, «Высшая школа», 1978г.

7. Фролов Ю.Г. «Курс коллоидной химии» (Поверхностные явления и дисперсные системы), Москва, «Химия». 1989г, 464 с.

8. G. Rahmonberdiev va bosh. «Fizik va kolloid kimyodan masalalar» Toshkent, «Fan va texnologiya» 2006y.

9. Воюцкий СС. «Курс коллоидной химии» Москва, «Химия». 1976г., 510 с.

10. Дублицкая Р.А.. Р.И. Фельдман «Практикум по физической и коллоидной химии», Москва, «Высшая школа», 1978г.

11. Фролов Ю.Г. «Курс коллоидной химии» (Поверхностные явления и дисперсные системы), Москва, «Химия». 1989г, 464 с.

12. G. Rahmonberdiev va bosh. «Fizik va kolloid kimyodan masalalar» Toshkent, «Fan va texnologiya» 2006y.

13. С.С. Воюцкий. Курс коллоидной химии.Москва «Химия», 1976г. 510с.

14. К.С.Ахмедов «Коллоид кимё» Тошкент 2000й

15. Ю.Г.Фролов «Курс коллоидной химии и поверхностные явления» Москва

16. С.М.Солдадзе «Комплексообразующие иониты»

17. «Электронная химическая энциклопедия».1,2 часть, версия 2003г. Видиекассета

18. Поляеский Н.Г. Горбунов Г.Н. Полянская Н.Д. «Методы исследования ионитов» М.Химия 1976, 208с.

19. Полянский Н.Г. катализ ионитами. М. Химия 1973, 214с

20. У.М. Мардонов и др. «Экологические аспекты координационно-ненасыщенных комплексов переходных металлов» сб. тезисов «Проблемы экологии в сельском хозяйстве» матер. Международ. Конф. Бухара-2003

Размещено на Allbest.ru