Механизмы коагуляции. Роль процессов коагуляции в промышленности, медицине, биологии Роль процессов коагуляции в природе

13.02.2024

Коагуляционные процессы часто происходят в природе, например, в местах впадения рек в моря. В речной воде всегда содержатся коллоидные частицы ила, глины, песка или почвы.

При смешивании речной воды с соленой морской (содержащей бóльшее количество электролитов) начинается коагуляция этих частиц, а уменьшение скорости течения воды способствует оседанию их в устье рек, в результате чего образуются мели и острова.

Коагуляцию широко используют при очистке воды, поступающей в водопроводную сеть. Для этого в нее добавляют сульфаты алюминия и железа(III), которые, являясь хорошими коагулянтами, кроме того, гидролизуются с образованием золей гидроксидов металлов. Частицы этих золей обычно имеют заряд, противоположный знаку заряда гранул, присутствующих в воде. В результате происходит взаимная коагуляция золей и их осаждение.

Коллоидные растворы содержатся в сточных водах многих производств: например, устойчивые эмульсии нефтепродуктов, различных других органических жидкостей. Их разрушают обработкой сточных вод солями щелочноземельных металлов.

В сахарной промышленности коагуляционные процессы используются при очистке сока сахарной свеклы. В состав его, помимо сахарозы и воды, входят несахаристые вещества, часто в коллоидно-дисперсном состоянии. Для их удаления в сок добавляют Са(ОН) 2 . Его массовая доля при этом обычно не превышает 2,5%. Примеси, находящиеся в коллоидном состоянии, коагулируют и оседают. Для удаления из сока избытка Са(ОН) 2 через него пропускают углекислый газ. В результате образуется осадок СаСО 3 , который увлекает за собой из раствора многие растворимые примеси.

Процессы коагуляции играют существенную роль в живом организме, т.к. биологические жидкости содержат в своем составе коллоидно-дисперсные частицы, находящиеся в соприкосновении с растворенными электролитами. В норме данные системы обычно находятся в состоянии равновесия и коагуляционные процессы в них не протекают. Но это равновесие можно легко нарушить при внесении извне дополнительного количества электролита. Причем, вводя его в организм, надо учитывать не только его концентрацию в биологической жидкости, но и заряд ионов. Так, изотонический раствор NaCl нельзя заменить изотоническим раствором MgCl 2 , поскольку в этой соли, в отличие от NaCl, содержатся двухзарядные ионы Mg 2+ , обладающие более высокой коагулирующей способностью, чем ионы Na + .

При введении в кровяное русло смеси солей следует предварительно убедиться, что эта смесь не обладает синергическим действием, во избежание вредной для организма коагуляции.

Решение многих проблем в медицине: протезирование кровеносных сосудов, клапанов сердца и т.д. – зависит от процессов свертывания крови. Их можно рассматривать как коагуляцию эритроцитов. В хирургии во время операций в кровь вводят антикоагулянты (гепарин, модифицированный декстран, полиглюкин). После операций и в случае внутренних кровотечений, наоборот, – электролиты, способствующие протеканию коагуляции: капроновую кислоту, протамин-сульфат.

Для диагностики многих заболеваний в клинических лабораториях определяют скорость оседания эритроцитов (СОЭ). При различных патологиях по ряду причин коагуляция эритроцитов усиливается, и скорость их оседания становится большей, по сравнению с нормой.

Образование желчных, мочевых и других камней в организме также связано с усилением при патологических состояниях коагуляции холестерина, билирубина, солей мочевой кислоты вследствие ослабления естественного защитного действия. Изучение механизма этих процессов крайне важно для выработки путей лечения данных заболеваний.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Общая химия

Учреждение образования гродненский государственный медицинскийуниверситет.. кафедра общей и биоорганической химии..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Термодинамические параметры
Физические величины, характеризующие какое-либо свойство системы, называются термодинамическими параметрами. Они могут быть микроскопическими и макроскопическими.

Внутренняя энергия системы
Важнейшей характеристикой термодинамической системы является величина ее внутренней энергии. Все термодинамические системы представляют собой совокупность какого-то числа

В самом общем виде можно определить внутреннюю энергию системы как сумму потенциальной и кинетической энергии всех составляющих ее частиц
Это определение не позволяет, однако, дать однозначный ответ на вопрос о том, чему равна энергия конкретной системы, состоящей из определенного числа структурных единиц, например, молекул. На первы

Форма обмена энергии с окружающей средой
При протекании термодинамических процессов внутренняя энергия системы может увеличиваться или уменьшаться. В первом случае говорят, что система поглотила часть энергии из внешней среды, во втором с

Изобарный и изохорный процессы. Энтальпия. Тепловые эффекты химических реакций
Существуют такие процессы, в ходе протекания которых остаются неизменными только один или несколько параметров системы, а все остальные меняются. Так, процесс, протекающий при постоянной

В изохорных процессах вся теплота, сообщенная системе или выделенная ею, определяется изменением внутренней энергии системы
U2 – U1 = ΔU, где U1 – внутренняя энергия начального состояния системы; U2 – внутренняя энергия конечного состояния сист

Данные условия называются иначе стандартными условиями
Определенные таким образом энтальпии образования веществ называются стандартными энтальпиями образования (DНо298). Они измеряются в кДж/моль. Теплоты или энтальпии об

Влияние температуры и давления на тепловой эффект реакции
Используя справочные данные теплот образования или теплот сгорания химических веществ, можно теоретически рассчитать тепловой эффект реакции, протекающей при стандартных условиях. Но как б

Использование закона Гесса в биохимических исследованиях
Закон Гесса справедлив не только для чисто химических реакций, но и для сложных биохимических процессов. Так, количество теплоты, получаемой при полном окислении до СО2 и Н2О

Энтропия
На основании первого начала термодинамики невозможно установить, в каком направлении и до какого предела будет протекать тот или иной процесс, связанный с превращением энергии. Из наблюден

Принцип энергетического сопряжения
Самопроизвольно протекающие при данных условиях реакции называются экзергоническими; реакции, которые могут протекать только при оказании постоянного воздействия извне называются

Химическое равновесие
Обратимые и необратимые реакции. Константа равновесия В ходе самопроизвольного процесса энергия Гиббса уменьшается до определенной величины, принимая минимально возмо

Данное выражение называется иначе уравнением изотермы химической реакции
2) ∆ х.р. = - RTln (С учетом того, что в условиях химического равновесия ∆Gх.р. = 0). В этом случае Kравн.= где СA,

К твердым растворам и газовым смесям понятия растворитель и растворенное вещество не применяют
Жидкие растворы, в которых в качестве растворителя выступает Н2О, называются водными. Если растворителем является какая-то другая жидкость – неводными.

Механизм образования растворов
Растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями веществ и индивидуальными химическими соединениями, обладая определенными свойствами и тех и других систем, и в то же время зна

Влияние природы веществ на растворимость
Установлено опытным путем, что в растворителе, молекулы которого полярны, лучше всего растворяются вещества, образованные ионными или ковалентными полярными связями. А в растворителе, молекулы кото

Влияние давления на растворимость веществ
Влияние давления на растворимость твердых и жидких веществ практически не сказывается, т.к. объем системы при этом изменяется незначительно. Только при очень высоких давлениях изменение растворимос

Влияние электролитов на растворимость веществ
Если растворитель содержит примеси, то растворимость веществ в нем уменьшается. Особенно сильно это заметно, когда в роли такого постороннего соединения выступает электролит, а растворяемым веществ

Взаимная растворимость жидкостей
При смешивании жидкостей в зависимости от их природы, характера и силы взаимодействия между молекулами возможны 3 случая растворимости: 1) неограниченная растворимость; 2) ограниченная

На различной растворимости одного и того же вещества в несмешивающихся жидкостях основан метод его извлечения из разбавленного раствора
По этому методу к исходному разбавленному раствору добавляют другой растворитель, не смешивающийся с растворителем в первом растворе, но хорошо растворяющий извлекаемое вещество. При этом из первон

Способы выражения состава растворов
Состав любого раствора может быть выражен как качественно, так и количественно. Обычно при качественной оценке раствора применяют такие понятия, как насыщенный, ненасыщенны

Термодинамические аспекты процесса растворения. Идеальные растворы
Согласно второму началу термодинамики, в изобарно-изотерических условиях (р, Т = const) вещества могут самопроизвольно растворяться в каком-либо растворителе, если при совершении этого процесса эне

Коллигативные свойства разбавленных растворов
Растворы обладают рядом свойств, называемых иначе коллигативными (коллективными). Они обусловлены общими причинами и определяются только концентрацией р

Диффузия и осмос в растворах
В растворах частицы растворителя и растворенного вещества равномерно распределяются по всему объему системы вследствие своего беспорядочного теплового движения. Этот процесс называется

Роль осмоса в биологических процессах
Осмос имеет большое значение в жизнедеятельности человека, животных и растительных организмов. Как известно, все биологические ткани состоят из клеток, внутри которых находится жидкость (цитоплазма

Растворы замерзают при более низкой температуре, чем чистый растворитель
Рассмотрим их более подробно. Кипение является физическим процессом перехода жидкости в газообразное состояние или пар, при котором пузырьки газа образуются по всему объему жидкости.

Коллигативные свойства растворов электролитов. Изотонический коэффициент Вант-Гоффа
Законы Вант-Гоффа и Рауля справедливы для идеальных растворов, т.е. таких, в которых нет химического взаимодействия между компонентами раствора, а также не происходит диссоциация или ассоциация час

Электролитическая диссоциация
Электролиты и неэлектролиты. Теория электролитической диссоциации Все вещества делятся на 2 большие группы: электролиты и неэлектролиты

Общая характеристика электролитов
Одни электролиты в растворах полностью распадаются на ионы. Они называются сильными. Другие электролиты только частично распадаются на ионы, т.е. большая ча

Слабые электролиты
Для слабых электролитов степень диссоциации очень мала (α<<1). Так, для воды при 20оС α ≈ 1 ∙ 10–9. Это означает, что только одна молекула из милли

Сильные электролиты
Согласно теории электролитической диссоциации С. Аррениуса, сильные электролиты в растворах должны полностью распадаться на ионы (α = 1). Но экспериментально определенные значения степени дисс

Под активностью ионов подразумевают ту их эффективную (условную) концентрацию, соответственно которой они количественно проявляют себя в растворе
Активность иона а равна его молярной концентрации С, умноженной на коэффициент активности γ а = С · γ

Диссоциация воды. Водородный показатель
Чистая вода плохо проводит электрический ток, но всё же обладает измеримой электропроводностью, которая объясняется частичной диссоциацией молекул Н2О на ионы водорода и гидроксид-ионы:

Теория кислот и оснований
Содержание понятий «кислота» и «основание» в процессе развития химической науки существенно менялось, оставаясь одним из основных вопросов химии. В 1778 г. французским ученым Лавуазье была

Чем меньше значение, тем более сильным является основание
Для кислоты и сопряженного ей основания в разбавленном водном растворе справедливо равенство: Kw = Ka ·Kв где K

Таким образом, любая кислотно-основная буферная система является равновесной смесью, состоящей из донора и акцептора протонов
В такой системе, содержащей в своем составе слабую кислоту, различают общую, активную и потенциальную кислотности: 1) общая кислотность соответству

Механизм действия буферных систем
Сущность буферного действия смеси слабой кислоты с ее солью можно рассмотреть на примере ацетатного буферного раствора. При добавлении к нему сильной кислоты (например, HCl) происходит реакция:

Величина буферной емкости зависит от концентраций компонентов буферной системы и от их соотношения
Чем более концентрированным является буферный раствор, тем выше его буферная емкость, т.к. в этом случае добавление небольших количеств сильной кислоты или щелочи не вызовет существенного изменения

Буферные системы человеческого организма
В организме человека в результате протекания различных метаболических процессов постоянно образуются большие количества кислых продуктов. Среднесуточная норма их выделения соответствует 20-30 литра

Кинетика химических реакций
Учение о химических процессах состоит из двух частей: 1) химической термодинамики; 2) химической кинетики. Как уже было показано ранее, химич

Порядок и молекулярность простых химических реакций
В главном кинетическом уравнении химической реакции аA + bВ + … → u = k · · · … а, b, … – это постоянные, не зависящие от концентрации вещества числа, наз

К тримолекулярным относятся простые реакции, в элементарном акте которых сталкиваются и претерпевают изменения три частицы
В зависимости от природы этих частиц (т.е. одинаковые они или разные) кинетическое уравнение такой реакции может иметь три разных вида: u = k · (все три исходные частицы абсолютно одинаков

Понятие о сложных химических реакциях
Следует подчеркнуть, что и простые моно-, и бимолекулярные реакции в самостоятельном или «чистом» виде тоже встречаются нечасто. В большинстве случаев они являются составной частью так назы

Т.е., при которых одни и те же исходные вещества, одновременно реагируя между собой, образуют разные продукты
Примером подобного типа реакций является реакция разложения бертолетовой соли KClO3, способная протекать при определённых условиях в двух направлениях

Химические методы основаны на непосредственном определении количества вещества или его концентрации в реакционном сосуде
Чаще всего для этих целей используют такие виды количественного анализа, как титриметрия и гравиметрия. Если реакция протекает медленно, то для контроля за расходованием реагентов через определённы

Константаскорости вычисляется по формуле
k = (–) и измеряется в л∙с-1∙моль-1, т.е. ее численное значение зависит от того, в каких единицах измеряется концентрация вещест

Влияние температуры на скорость химической реакции
Скорость химических реакций зависит от многих факторов, главными из которых являются концентрация и природа исходных веществ, температура реакционной системы и присутствие в ней катализатор

Множитель А отражает долю эффективных соударений между молекулами исходных веществ в общем их числе
Очевидно, что его значения должны находиться в интервале от 0 до 1. При А = 1 все соударения оказываются эффективными. При А = 0 химическая реакция не протекает, несмотря на столкновение между моле

Общие положения и закономерности катализа
Скорость химической реакции может регулироваться с помощью катализаторов. Ими называют вещества, изменяющие скорость реакции, но, в отличие от реагентов, не расходующиес

Механизм гомогенного и гетерогенного катализа
Механизм гомогенного катализа обычно объясняют с помощью теории промежуточных соединений. Согласно этой теории, катализатор (K) сначала образует с одним из исходных веществ промежу

Особенности каталитической активности ферментов
Ферментами называются природные катализаторы, ускоряющие протекание биохимических реакций в животных и растительных клетках, а также в клетках человека. Как правило, они имеют белк

Другим важным отличием ферментов от катализаторов небелковой природы является их высокая специфичность, т.е. избирательность действия
Различают субстратную и групповуюспецифичность. В случае субстратной специфичности ферменты проявляют каталитическую активность то

Определение дисперсных систем
Системы, в которых одно вещество, находящееся в диспергированном (измельченном или раздробленном) состоянии, равномерно распределяется в объеме второго вещества, называются дисперсными.

Степень дисперсности есть величина, показывающая, какое число частиц можно вплотную уложить на отрезке длиной в 1 м
Понятие поперечный размер имеет четко выраженный смысл для сферических частиц (а равно диаметру dэтих частиц) и для частиц, имеющих форму куба (а равно длине ребра l куба). Для

В коллоидно-дисперсных системах частицы дисперсной фазы состоят из множества соединенных между собой атомов, молекул либо ионов
Количество данных структурных единиц в одной частице может колебаться в самых широких пределах в зависимости от их собственных размеров и массы (например, возможное число атомов лежит в инт

Для диспергирования твердых тел используют механические, ультразвуковые, химические методы, взрывы
Эти процессы широко применяют в народном хозяйстве: при производстве цементов, для помола зерна и других продуктов, измельчения угля в энергетике, при изготовлении красок, наполнителей и т.п. Миров

Диспергирование жидкостей
Для диспергирования жидкостей и получения мелких капель в аэрозолях и эмульсиях используют преимущественно механические методы: встряхивание, быстрое перемешивание, сопровождаемое кавитационными ра

Диспергирование газов
Для получения газовых пузырьков в жидкости применяют несколько вариантов диспергирования: 1) барботирование – прохождение газовой струи через жидкость с достато

Конденсационные методы
Эти методы позволяют получить дисперсные частицы с любыми размерами, в том числе и 10–8 – 10–9 м. Поэтому они широко применяются в нанотехнологиях, коллоидной химии. Различают

Методы физической конденсации
Конденсацией паров различных веществ в газовой среде получают аэрозоли. В природных условиях таким образом образуются туман, облака. Совместной конденсацией нераство

Методы химической конденсации
В этих методах новая фаза образуется при протекании гомогенных химических реакций, приводящих к образованию нерастворимых в данной среде веществ. Это могут быть реакции восстан

Очистка золей
Полученные тем или иным способом коллоидные растворы (особенно с помощью метода химической конденсации) практически всегда содержат определенное количество низкомолекулярных соединений в виде приме

Компенсационный диализ и вивидиализ
Для очистки биологических жидкостей, представляющих собой коллоидные системы, применяют компенсационный диализ, в котором вместо чистого растворителя используют физиолог

МОЛЕКУЛЯРНО-кинетические свойства золей
На начальном этапе развития коллоидной химии утверждалось, что дисперсным системам, в отличие от истинных растворов не присущи такие молекулярно-кинетические свойства, как тепловое движение частиц

Броуновское движение
Важнейшим фактором, влияющим на молекулярно-кинетические свойства золей, является броуновское движение частиц дисперсной фазы. Оно названо в честь английского ботаника Роберта Броу

Диффузия
Под влиянием теплового и броуновского движения происходит самопроизвольный процесс выравнивания концентраций частиц по всему объему коллоидного раствора. Этот процесс называется иначе диффузией. Ди

Седиментация в золях
Коллоидные частицы в золе постоянно находятся под влиянием двух противоположно направленных сил: силы тяжести, за счет действия которой происходит постепенное оседание вещества, и сил диффузии, под

Осмотическое давление в золях
Коллоидные растворы, как и истинные, обладают осмотическим давлением, хотя у золей оно имеет гораздо меньшую величину. Это объясняется тем, что при одной и той же весовой концентрации колл

Ультрамикроскоп
Коллоидные частицы по своим размерам меньше, чем длина полуволны видимого света, и поэтому их нельзя увидеть в обычный оптический микроскоп. В 1903 г. австрийские ученые Р. Зигмонди и Г. З

Рассмотрим сперва механизм образования ДЭС коллоидной частицы адсорбционным путем
В качестве примера возьмем золь, полученный с помощью метода химической агрегации в результате смешивания истинных растворов двух веществ: нитрата серебра и иодида калия Ag

Электрокинетические свойства золей
Доказательство того, что коллоидные частицы в золях состоят из двух разноименно заряженных частей, способных перемещаться друг относительно друга, можно получить, если воздействовать на дисперсную

Виды устойчивости золей
Как было показано ранее, гидрофобные коллоидно-дисперсные системы, по сравнению с истинными растворами, отличаются термодинамической неустойчивостью и склонностью к самопроизвольному уменьшению со

Теория коагуляции Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека
При изучении коагуляции золей возникло много теорий, с помощью которых пытались на качественном и количественном уровнях объяснить все наблюдаемые закономерности. Так, в 1908 г. Г. Фрейндл

Влияние электролитов на устойчивость золей. Порог коагуляции. Правило Шульца-Гарди
Фактором, вызывающим коагуляцию, может быть любое внешнее воздействие, нарушающее агрегативную устойчивость системы. Кроме изменения температуры в его роли может выступать механическое воздействие

Чередование зон коагуляции
При добавлении к коллоидным растворам электролитов, содержащих в своем составе ионы с повышенной коагулирующей способностью (большие органические анионы, трех- или четырехвалентные ионы металлов) м

Коагуляции золей смесями электролитов
Коагулирующее действие смеси электролитов проявляется по-разному, в зависимости от природы ионов, вызывающих коагуляцию. Если электролиты в смеси близки по своим свойствам (например, NaClиKCl), то

Скорость коагуляции
Процесс коагуляции количественно характеризуется скоростью коагуляции. Скорость коагуляции, подобно скорости химической реакции, определяется изменением (уменьшением) числа коллоидных частиц в един

Коллоидная защита
Нередко наблюдают повышение устойчивости лиофобных золей к коагулирующему действию электролитов при добавлении некоторых веществ. Такие вещества называют защитными, а их стабилизирующее действие на

Растворы высокомолекулярных соединений
Кроме так называемых лиофобных золей (подробно рассмотренных нами выше), коллоидная химия изучает и другие высокодисперсные системы – растворы полимеров: белков, полисахаридов, каучуков и т.д. Прич

Частичками дисперсной фазы в них являются не мицеллы (как в лиофобных золях), а отдельные макромолекулы (по своим размерам сравнимые с мицеллами)
В связи с этим для разбавленных растворов ВМС термин «лиофильный золь» является принципиально неправильным. Но с увеличением концентрации полимера или с ухудшением растворяющей способности

Общая характеристика высокомолекулярных соединений
Высокомолекулярными соединениями (ВМС) или полимерами называются сложные вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся группировок атомов, имеющих одинаковое строени

Набухание и растворение ВМС
Растворение высокомолекулярных соединений представляет собой сложный процесс, отличающийся от растворения низкомолекулярных веществ. Так, при растворении последних происходит взаимное смешение раст

Термодинамические аспекты процесса набухания
Термодинамически самопроизвольное набухание или растворение высокомолекулярных соединений всегда сопровождается уменьшением свободной энергии Гиббса (∆G = ∆H – T∆S< 0).

Давление набухания
Если при набухании образца полимера каким-либо способом препятствовать увеличению его размеров, то в нем возникает так называемое давление набухания. Оно эквивалентно внешнему давл

Осмотическое давление растворов ВМС
Как любые высокодисперсные системы, частицы которых подвержены тепловому движению, растворы ВМС обладают осмотическим давлением. Оно определяется концентрацией полимера, но практически всегда имеет

Онкотическое давление крови
Осмотическое давление в биологических жидкостях: крови, лимфе, внутри- и межклеточной жидкости – обусловлено не только содержанием в них различных низкомолекулярных веществ, но и наличием растворен

Вязкость растворов полимеров
По вязкости растворы высокомолекулярных соединений резко отличаются от растворов низкомолекулярных веществ и золей. При одной и той же весовой концентрации вязкость растворов полимеров значительно

Свободная и связанная вода в растворах
В растворах полимеров какая-то часть растворителя оказывается прочно связанной с макромолекулами вследствие протекания процессов сольватации и вместе с ними участвует в броуновском движении. Другая

Полиэлектролиты
Многие природные и синтетические полимеры содержат в составе элементарных звеньев своих макромолекул различные ионогенные функциональные группы, способные диссоциировать в водных растворах.

Факторы, влияющие на устойчивость растворов полимеров. Высаливание
Истинные растворы полимеров, как и растворы низкомолекулярных соединений, являются агрегативно устойчивыми и в отличие от золей могут существовать длительное время без добавок стабилизаторов. Наруш

Растворы электролитов как проводники второго рода. электропроводность растворов электролитов
В зависимости от способности проводить электрический ток все вещества делятся на 3 основных типа: проводники, полупроводники и диэлектрики. Вещества первого типа могут про

Эквивалентная электропроводность растворов
Эквивалентной электропроводностьюназывается электрическая проводимость раствора электролита толщиной 1 м, находящегося между одинаковыми электродами с такой площадью, чтобы объем жидкост

Данное равенство называется законом независимого движения ионов или законом Кольрауша
Величины λк и λа называются иначе подвижностями катионов и анионов. Они, соответственно, равны λк = F ͨ

Практическое применение электропроводности
Зная эквивалентную электропроводность раствора можно рассчитать степень (a) и константу диссоциации (K) растворенного в нем слабого электролита: где λV –

Металлический электрод
При опускании металлической пластинки в воду на её поверхности возникает отрицательный электрический заряд. Механизм его появления состоит в следующем. В узлах кристаллической решетки металлов нахо

Измерение электродных потенциалов
Абсолютное значение электродного потенциала непосредственно определить нельзя. Можно измерить лишь разность потенциалов, возникающую между двумя электродами, образующими замкнутую электрическую цеп

Окислительно-восстановительные электроды
Существуют растворы, содержащие в своем составе два вещества, в которых атомы одного и того же элемента находятся в разной степени окисленности. Такие растворы называются иначе окислите

Диффузионный и мембранный потенциалы
Диффузионные потенциалы возникают на границе соприкосновения двух растворов. Причем это могут быть как растворы разных веществ, так и растворы одного и того же вещества, только в п

Среди ионо-селективных электродов большое распространение получил стеклянный электрод, который применяют для определения рН растворов
Центральной частью стеклянного электрода (рис. 91) является шарик, изготовленный из специального токопроводящего гидратированного стекла. Он заполнен водным раствором HCl с известной концентрацией

Химические источники электрического тока или гальванические элементы преобразуют энергию, выделяющуюся при протекании окислительно-восстановительных реакций, в электрическую эн

Потенциометрия
Потенциометриейназывают группу методов количественного анализа, основанных на использовании зависимости равновесного потенциала электрода, опущенного в раствор, от активности (концентрац

Различают прямую и косвенную потенциометрию или потенциометрическое титрование
Прямая потенциометрия (ионометрия) – это потенциометрический метод, в котором индикаторным электродом является ионоселективный электрод. Ионометрия – удобный, простой, экспресс

Коагуляция представляет собой комплекс химических и физических воздействий между отрицательно заряженными коллоидными частицами и катионами, т.е. положительно заряженными химическими реагентами. Она использует различные силы отталкивания и притяжения, которые обеспечивают устойчивость или наоборот, неустойчивость коллоидной взвеси, а именно:

Силы электростатического отталкивания;

Броуновское движение;

Силы притяжения Ван-дер-Ваальса;

Силу всемирного тяготения.

Коагуляция дестабилизирует коллоидную взвесь посредством двух различных механизмов: нейтрализация заряда и химическое связывание.

Нейтрализация заряда

Положительно заряженные коагулянты нейтрализуют отрицательный заряд, окружающий коллоидные частицы. Когда заряд вокруг каждой частицы нейтрализован, они постепенно сближаются, уменьшая свой эффективный радиус, становятся в конце концов неустойчивыми и могут сталкиваться друг с другом. При столкновении частицы соединяются друг с другом за счет водородных связей или, например, сил Ван-дер-Ваальса, образуя большие массы, или хлопья.

Энергия перемешивания, применяемая в процессе очистки, увеличивает количество и частоту этих столкновений частиц, усиливая агломерацию твердого вещества и способствую образованию хлопьев.

Химическое связывание

Образованию хлопьев способствует полимерная природа коагулянтов. Их длинные молекулярные цепочки подхватывают агломерированные частицы, образуют мостики от одной поверхности к другой, связывая вместе отдельные хлопья в крупные, легко удаляемые массы.

Из двух механизмов, участвующих в процессе коагуляции, нейтрализация заряда играет гораздо более важную роль, чем химическое связывание.

Адсорбция полимера на частицах твердой фазы не всегда приводит к флокуляции. Необходимым условием последней является адсорбция одной макромолекулы или ассоциата макромолекул на нескольких частицах и образования хлопьев, состоящих из частиц, связанных полимерными мостиками.

Основанная на этих представлениях теория флокуляции нейтральных частиц была разработана Ла Мером. Согласно Ла Меру, при флокуляции сначала происходит первичная адсорбция и каждая макромолекула прикрепляется несколькими сегментами к одной коллоидной частице. Адсорбированные молекулы занимают часть θ поверхности частиц (точнее, активных центров, на которых возможна адсорбция), а остальная поверхность (1 - θ) остается свободной. Затем в процессе вторичной адсорбции свободные сегменты адсорбированных молекул закрепляются на поверхности других частиц, связывая их полимерными мостиками.

При оценке возможности адсорбции уже закрепленных макромолекул на свободной поверхности других частиц нужно учитывать следующие факторы: 1) соотношение площадей свободной поверхности частиц и поверхности, занятой макромолекулами; 2) конкуренцию макромолекул, находящихся в растворе, и сегментов макромолекул, уже адсорбированных на этих же частицах; 3) стерические затруднения, препятствующие подходу частиц с адсорбированными макромолекулами к свободной поверхности других частиц.

В теории флокуляции Ла Мера принимают во внимание только соотношение свободной и занятой макромолекулами поверхностей частиц.

Скорость флокуляции зависит от числа взвешенных частиц, расстояния, на которое должны приблизиться частицы для того, чтобы произошла адсорбция, сферы действия аттракционных сил и скорости движения частиц, которая определяет вероятность такого сближения.

Сближение частиц на расстояние, достаточное для проявления аттракционных сил, может происходить вследствие броуновского движения, перемещения частиц с микровихрями, образующимися при механическом перемешивании (микротурбулентность потока воды), неодинаковой скорости движения частиц при оседании или фильтровании, а также вращения и движения свободных сегментов адсорбированных макромолекул.

В развитии представлений Ла Мера с учетом электрического заряда коллоидных частиц и макроионов и природы адсорбционных сил по аналогии с коагуляцией скорость флокуляции может быть выражена уравнением

u ф = dn / dt = – К ф R ф φ ф θ(1 - θ) n 2 ,

где К ф – коэффициент, характеризующий условия сближения частиц;

R ф – сфера действия аттракционных сил – расстояние между центрами частиц, при котором происходит флокуляция, R ф = 0,5 (d 1+ d 2)χ (рис II.6,a);

φ ф – коэффициент, учитывающий суммарное действие возникающих между частицами и макромолекулами ван-дер-ваальсовых и кулоновских сил;

θ(1 - θ) – фактор, определяющий вероятность того, что свободная поверхность одной частицы расположится около макромолекул, адсорбированных на поверхности другой частицы;

n – счетная концентрация взвешенных частиц.

Флокуляция частиц, размер которых достаточно велик, происходит под воздействием возникающих в движущемся потоке и перемещающихся с различной скоростью микрообъемов жидкости.

Описаны два возможных механизма коагуляции и флокуляции частиц в движущемся потоке. Один из них протекает в условиях развитой турбулентности, в потоке, где имеется широкий спектр турбулентных пульсаций.

Существенное значение имеет происходящее во время перемешивания изменение структуры хлопьев, их прочности и плотности. Это изменение происходит по следующим причинам:

а) из-за более равномерного распределения полимера, который после дозирования находится в избытке в отдельных местах суспензии, и адсорбции каждой из его молекул на все большем числе твердых частиц; с возрастанием интенсивности перемешивания перераспределение полимера происходит более быстро;

б) вследствие адсорбции свободных сегментов макромолекул на тех же твердых частицах и сокращения длины полимерных мостиков;

в) из-за разрушения агрегатов с укороченными мостиками на более мелкие и их взаимодействия между собой путем дальнейшей адсорбции макромолекул на свободной поверхности разорванных агрегатов.

Разрушение агрегатов происходит преимущественно в местах соприкосновения коллоидных частиц между собой, так как действующие между частицами силы Ван-дер-Ваальса менее прочны, чем силы, обусловливающие адсорбцию макромолекул полимера.

Наличие оптимальных доз полимера при флокуляции устанавливается различными методами: по изменению мутности коллоидного раствора или суспензии после добавления флокулянта (уменьшение мутности в грубодисперсных), по скорости седиментации, по мутности или прозрачности суспензии после оседания сфлокулированного взвешенного вещества, по объему осевшего осадка, по скорости фильтрования через пористую перегородку с образованием слоя кека (максимальная скорость соответствует образованию наиболее крупных хлопьев), по качеству фильтрата и по времени защитного действия фильтрующей загрузки из зернистого материала.

Несомненное влияние на процесс флокуляции должен оказывать размер макромолекул (молекулярная масса полимера): чем больше размер макромолекул, тем относительно больший процент сегментов адсорбированных макромолекул остается свободным и способным к адсорбции на других частицах. Большая макромолекула может связать большее число твердых частиц, образуя, таким образом, более крупные хлопья.

Вместе с тем по мере возрастания размеров макромолекул усиливаются стерические явления и затрудняется подход частиц с адсорбированными макромолекулами к свободной поверхности других частиц.

Совместное действие обоих факторов приводит к тому, что наиболее эффективная флокуляция и максимальный размер хлопьев должны наблюдаться при определенном размере макромолекул, точнее – определенном соотношении между размером коллоидных частиц и макромолекул полимера.

Условия применения флокулянтов для очистки воды

На основании всей совокупности обнаруженных закономерностей следует отметить, что полиакриламидные флокулянты в отсутствие и в сочетании с минеральными коагулянтами могут успешно использоваться для очистки природных и сточных вод от взвешенных и коллоидно-дисперсных веществ. Оптимизация процесса водоочистки не является чётким алгоритмом и зависит от множества факторов. На водоочистку влияют характеристики флокулянта (природа, химический состав, молекулярная масса, конформация макромолекул и концентрация флокулянта) и коагулянта (природа и концентрация), технологические факторы (способ и момент дозировки флокулянта и коагулянта, эффективность перемешивания, продолжительность смешения и др.), а также качество исходной воды (химический и дисперсионный состав, величина рН и температура). Несомненно, что с учетом этих факторов можно интенсифицировать очистку и обесцвечивание природных и сточных вод, а также осуществлять процесс управляемой водоочистки с целью получения очищенной воды соответствующей нормам качества питьевой воды и требованиям потребителей.

Способность дисперсных систем сохранять определенную степень дисперсности называется агрегативной устойчивостью.

Частицы дисперсной фазы сопротивляются слипанию за счет разных механизмов. Данная способность обусловлена во-первых образованием на поверхности частиц дисперсной фазы двойного электрического слоя,обеспечивающего электрическую стабилизацию дисперсной системы.Во-вторых, работаетмолекулярно-адсорбционный механизм стабилизации, заключающийся в образовании вокруг частиц слоёв адсорбции, состоящих из молекул дисперсной среды и растворённых в ней веществ. В-третьих, существует кинетический фактор устойчивости - малая частота столкновений дисперсных частиц.

Золи (коллоидные растворы) отличаются от грубодисперсных и молекулярных систем агрегативной неустойчивостью, поэтому они меняются как во времени, так и при добавках различных веществ.

Суть механизма очистки воды от взвешенных коллоидных частицсостоит в нарушении равновесного состояния системы - устранения баланса сил, не позволяющихчастицам осесть.

Для достижения этой цели использует процесс коагуляции коллоидных примесей (упрощённо - коагуляция воды).

Коагуляция - процесс слипания коллоидов в более крупные агрегаты, происходящее в результате их столкновенийприброуновском движении, смешении или направленном перемещении во внешнем силовом поле, добавлении коагулянтов. При этом происходит выпадение осадка - коагулята.

Коагулянты (обычно это растворимые соли железа или алюминия) интенсифицируютпроцесс коагуляции. Введение в воду этих веществ способствует образованию новой малорастворимой фазы (в результате гидролиза - взаимодействия вещества с водой). Таким образом, процесскоагуляции заключается в прогрессирующем укрупнении частиц и уменьшении их численности в объёме дисперсионной среды.

Коагуляция бывает медленная и быстрая. При медленной коагуляции только незначительная часть соударений частиц-коллоидов приводит их к слипанию, а коагулят не выпадает. При быстрой коагуляции каждое соударение обладает эффективностьюи влечёт слипание частиц, а в коллоидном растворе постепенно образуется осадок.

Минимальную концентрацию дозируемого вещества (электролита или не электролита), инициирующего процесс коагуляции в системе с жидкой дисперсионной средой, называют порогом коагуляции. При определенных условиях коагуляция обратима. Процесс перехода коагулята обратно в золь называютпептизацией, а провоцирующие этот процессвещества - пептизаторами. Пептизаторы, являясь стабилизаторами дисперсных систем, адсорбируются на поверхностичастиц, ослабляя взаимодействие между ними, в результате чего происходит распад агрегатов. Особенно эффективно возврат в первичное состояние проходитпри вводе в среду поверхностно-активных веществ, снижающих поверхностную межфазную энергию и облегчающих диспергирование.

Коагуляция с применением солей железа

Рассмотрим, какие процессы протекают при добавлении в коллоидный раствор сульфата железа (III). Этот коагулянт в водном растворе диссоциирует на ионы железа и сульфат-ион :

Fe 2 (SO 4) 3 → 2 Fe 3+ + 3 SO 4 2-

Fe 3+ + H 2 O ↔ Fe(OH) 2+ + H +

Fe(OH) 2+ + H 2 O ↔ Fe(OH) 2 + + H +

Fe(OH) 2 + + H 2 O ↔ Fe(OH) 3 ↓ + H +

Fe 3+ + 3H 2 O ↔ Fe(OH) 3 ↓ + 3H +

Мицелла - структурная единица лиофобных (слабо взаимодействующих с жидкостью) коллоидов, не имеющая определенного состава. Схематически ее строение на примере мицеллы гидроксида железа (III) может быть изображено схемой:

{mFe(OH) 3 2nFe(OH) 2+ (2n - x) SO 4 2- }2x+ xSO 4 2-

Микрокристалл гидроксида железа,образующий коллоидную частицу (см. рисунок), избирательно адсорбирует из окружающей среды ионы, идентичные ионам его кристаллической решетки. В зависимости от химического состава раствора (избыток сульфат - ионов илиизбыток ионов железа) микрокристаллприобретает отрицательный или положительный заряд. Такой заряженный кристалл называется ядром мицеллы, а сообщают ему этот заряд потенциалопределяющие ионы.

Электрическое поле заряженной поверхности кристалла притягивает из раствора противоионы - ионы, несущие противоположный заряд. На границе раздела фаз образуется двойной электрический слой, толщину которого определяет внешняя граница облака противоионов.

Двойной электрический слой состоит из адсорбционой и диффузной частей. Адсорбционный слой включает в себя потенциалобразующие ионы и часть противоионов, адсорбированных на поверхности ядра. Диффузный слой достраивают остальные противоионы в количестве, способствующем электронейтральности мицеллы.

Двойной электрический слой, окружающий коллоиды, под воздействием коагулянтов (электролитов), перестраивается: противоионы начинают вытесняться из диффузной в адсорбционную часть, и толщина всего электрического слоя со временем уменьшается до толщины адсорбционного слоя. Дисперсные частицы попадают в область взаимного притяжения, инаступает быстрая коагуляция.

Коагуляция с применением солей алюминия

Чаще всего для очистки воды коагуляцией на отечественных станциях водоподготовки и вбассейнах используют 18-ти водный кристаллогидрат сульфата алюминия - Al 2 (SO 4) 3 . 18 H 2 O.

Процессы, протекающие при введении в воду солей алюминия, аналогичны вышеописанным при добавлении солей железа:

Al 3+ + H 2 O ↔ Al(OH) 2+ + H +

Al(OH) 2+ + H 2 O ↔ Al(OH) 2 + + H +

Al(OH) 2 + + H 2 O ↔ Al(OH) 3 ↓ + H +

Суммарное уравнение гидролиза:

Al 3+ + 3H 2 O ↔ Al(OH) 3 ↓ + 3H +

Образование осадка гидроксида алюминия происходит при значениях рН в диапазонеот 5 до 7,5. При рН < 5 осадок не образуется. При рН > 8,5 идет растворение образованного гидроксида алюминия с образованием алюминатов.

Al 2 (SO 4) 3 + 6 NaOH = 2 Al(OH) 3 ↓ + 3 Na 2 SO 4

Al(OH) 3 + NaOH = Na или (NaAlO 2 . 2H 2 O)

Современные коагулянты

Все большее распространение в процессах водоподготовкии очистки сточных вод получаюткоагулянты на основе полиоксихлорида алюминия.

Преимущества этих коагулянтов по сравнению с сульфатом алюминия:

Поставка в виде растворов, что делает более удобным их применение (не надо растворять);

Большее процентное содержание активного вещества;

Получение очищенной воды более высокого качества;

Сокращение объёма вторичных отходов;

Низкое остаточноесодержание алюминия (< 0,2 мг/л);

Не требуется корректировать рН;

Широкий диапазон рабочих температур.

Технические характеристики таких коагулянтов производства ОАО «АУРАТ»:

Контактная коагуляция

Один из вариантов очистки методом коагуляции - контактная коагуляция. Контактная коагуляцияпроисходит на зёрнах загрузки напорных вертикальных фильтров механической очистки. При этом введение коагулянта осуществляется непосредственно перед механическим фильтром. Зерна загрузки и частицы, адсорбированные на них, служат центрами коагуляции. Процесс хлопьеобразования в этом случае значительно ускоряется.

Протекание процесса коагуляции с более высокой скоростью и отсутствие необходимости в отстойниках для формирования и осаждения хлопьев осадка являются несомненными преимуществами контактной коагуляции.

К недостаткам контактной коагуляции относится ускоренное загрязнение напорных фильтров и потребность в частой регенерации загрузки, а также опасность проскока реагента в случае неправильного подбора режима коагуляции/фильтрования.

Чтобы проверить - осуществляется ли контактная коагуляция или нет, воду после механических фильтров проверяют на содержание коагулянта.

Уважаемые господа, если у Вас имеется потребность реализации очистки воды с помощью коагулянтов для доведения качества воды до определённых нормативов, сделайте запрос специалистам компании Waterman . Мы разработаем для Вас оптимальную технологическую схему очистки воды.

Коагуляция коллоидных растворов.

Коагуляция

Коллоидные системы обладают различной устойчивостью. Все они стремятся к уменьшению свободной поверхностной энергии за счёт сокращения удельной поверхности коллоидных частиц, что происходит при их стремлении к объединению.

Удельная поверхность этих частиц очень велика, поэтому они и обладают большим избытком поверхностной энергии, что, в свою очередь, ведёт к термодинамической неустойчивости коллоидных систем.

Процесс объединения коллоидных частиц в более крупные агрегаты называется коагуляцией .

Расклинивающее давление

По теории коагуляции Б.В. Дерягина и Л.Д. Ландау, при Броуновском движении коллоидные частицы свободно сближаются на расстояние до примерно 10 -5 см, однако дальнейшему их сближению препятствует, так называемое, расклинивающее давление, возникающее в тонких слоях воды, находящихся между двумя поверхностями.

Расклинивающим давлением называют избыточное (по сравнению с гидростатическим) давление, действующее со стороны тонкого слоя жидкости на ограничивающие поверхности .

В золях оно обусловлено в основном взаимным отталкиванием противоионов диффузного слоя сблизившихся частиц и, кроме того, силами молекулярного взаимодействия между поверхностями этих частиц и молекулами воды.

Изменение свойств воды вокруг коллоидных частиц

Под влиянием электростатических полей, создаваемых ионами, расположенными на поверхности коллоидных частиц, прилегающие к ним молекулы воды сильнее поляризуются и располагаются более упорядоченно, что, в частности, усиливает связь не только между этими молекулами воды, но и между ними и коллоидными частицами.

В результате прилегающий к частице слой воды, приобретает особые свойства (повышенную вязкость и упругость ), что препятствует объединению частиц.

Преодоление расклинивающего давления

Если частицы обладают достаточной энергией для преодоления давления расклинивания, то на расстоянии, равном диаметру частиц, т.е. примерно 10 -7 – 10 -8 см, начинают преобладать силы межмолекулярного притяжения, и частицы объединяются.

Только очень малое число столкновений приводит к объединению частиц, поэтому многие золи устойчивы. Если же понизить величину заряда коллоидных частиц, то такие частицы будут легче и сильнее коагулировать.

С наибольшей скоростью коагулируют коллоидные частицы, у которых заряд гранул равен нулю, т.е. частицы, находящиеся в изоэлектрическом состоянии.

Отсутствие заряда у гранулы означает, что у частицы нет противоионов в диффузионном слое и, следовательно, их водной оболочки.

Оказалось также, что полидисперсные золи коагулируют быстрее монодисперсных и что форма частиц имеет значение для этого процесса: с наибольшей скоростью коагулируют палочкообразные частицы.

Динамика процесса коагуляции

При коагуляции двух частиц золя (так называемых частиц первого порядка ) образуется более крупная частица второго порядка , которая может объединяться с ещё одной частицей первого порядка, образуя частицу третьего порядка , которая вновь присоединяет частицу первого порядка и превращается в частицу четвёртого порядка и т.д.

Расчёты показали, что присоединение частиц первых порядков происходит легче, чем объединение частиц более высоких порядков.

Сумма всех частиц в золе при коагуляции непрерывно уменьшается, причём если число исходных частиц первого порядка n1 всё время убывает, то число частиц второго порядка n2 вначале увеличивается, а затем уменьшается. Чуть отставая по времени от n2 растёт количество частиц третьего порядка n3 , которое, пройдя свой максимум, начинает падать. В это время возрастает количество частиц следующего порядка и т.д.

Седиментация частиц

В результате при коагуляции образуются рыхлые агрегаты различной величины, в которой частицы непрочно связаны между собой.

Крупные агрегаты под действием силы тяжести начинают опускаться на дно сосуда. Происходит процесс седиментации.

Седимента́ция (осаждение) - оседание частиц дисперсной фазы в жидкости или газе под действием гравитационного поля или центробежных сил.

Скорость седиментации зависит от размеров и плотности частиц, от их заряда, вязкости раствора и т.п.

Частицы, находящиеся в изоэлектрическом состоянии, оседают быстрее, так как заряд не препятствует их коагуляции и седиментации.

Использование центрифуг для осаждения

Для ускорения процесса седиментации широко используют центрифуги . Возникающая при помощи них центробежная сила заставляет частицы оседать быстрее. При достаточном числе оборотов удаётся осаждать даже некоагулированные частицы.

При постоянных температуре, вязкости растворителя, величине заряда частиц и т.п. скорость их осаждения зависит от различий в их массе и размерах, благодаря чему можно расчитывать молекулярный вес этих частиц.

При помощи ультрацентрифуг , развивающих скорость в десятки тысяч оборотов в минуту, были определены молекулярные веса многих белков и других органических соединений.

Изменение скорости коагуляции

Самопроизвольная коагуляция многих золей часто протекает медленно . Её можно ускорить, повышая скорость движения частиц. Это поможет им преодолеть расклинивающее давление.

Ускорение движения частиц можно вызвать, например, повышением температуры раствора . Повышение концентрации золя также приводит к ускорению его коагуляции, поскольку с увеличением концентрации растёт число эффективных столкновений между мицеллами.

Процесс коагуляции очень чувствителен к добавлению электролитов .

Электроли́т - вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы. Примерами электролитов могут служить водные растворы кислот, солей и оснований и пр.

Небольшие количества электролитов могут резко ускорить скорость коагуляции. Следовательно, с одной стороны, электролиты необходимы для стабилизации золей, а с другой – их избыточное добавление ведёт к коагуляции золей. Влияние различных электролитов на этот процесс неодинаково.

Зависимость коагуляции от величины заряда иона электролита

Коагулирующее действие электролитов зависит от величины заряда иона, который противоположен заряду коллоидной частицы.

С наибольшей скоростью коагулируют электронейтральные частицы . Такое состояние частицы, заряженной до начала коагуляции, например положительно, станет возможным в том случае, если все противоионы диффузного слоя, заряженные отрицательно, будут перемещены в адсорбционный слой.

Чем выше окажется концентрация добавленного электролита, тем сильнее будет сжат диффузионный слой, тем меньше станет ζ -потенциал и быстрее пойдёт коагуляция.

А - до начала коагуляции гранула заряжена положительно;
Б - гранула стала электронейтральной, коагуляция протекает с максимальной скоростью.

При достаточной концентрации электролита практически все её противоионы окажутся в адсорбционном слое, заряд частицы снизится до нуля. Отсутствие диффузного слоя обусловит значительное понижение давления расклинивания и коагуляция пойдёт с максимальной скоростью.

Коагулирующее действие ионов резко возрастает с увеличением числа их зарядов в прогрессии, которую грубо принимают за соотношение шестых степеней числа зарядов ионов: 1: 2 6: 3 6 и т.д.

В действительности из-за влияния ряда факторов это соотношение оказывается меньшим.

Из данных приведённых ниже таблицах следует, что коагулирующая способность двухзарядных ионов в десятки раз, а трёхзарядных ионов - в сотни раз выше, чем у однозарядных ионов.

Электролит	Коагулирующий ион	Пороговая концентрация коагуляции ммоль/л	Коагулирующая способность в сравнении с Na +
As 2 S 3

Электролит	Коагулирующий ион	Пороговая концентрация коагуляции ммоль/л	Коагулирующая способность в сравнении с Na +
Влияние различных электролитов на коагуляцию золей Fe(OH) 3

Коагулирующие способности этих же ионов по отношению к другому золю будут иметь иные значения. Но различие в этих значениях будет не очень велико. Поэтому можно расположить одинаково заряженные ионы в лиотропные ряды , показывающие, в каком порядке убывает их коагулирующая способность для всех противоположно заряженных золей.

Положительные ионы:

Cs + > Rb + > K + > Na + > Li +

Ba 2+ > Sr 2+ > Ca 2+ > Mg 2+

Отрицательные ионы:

Cl - > Br - > NO 3 - > I - > CNS -

Механизм коагулирующего действия электролитов

В механизме коагулирующего действия электролитов можно выделить три фактора.

1. Сжатие диффузионного слоя.

Чем больше заряд коагулирующих ионов, тем сильнее они сжимают диффузный слой противоионов.

2. Адсорбция ионов на коллоидной частице.

На коллоидной частице протекает избирательная адсорбция тех ионов добавленного электролита, которые имеют заряд, противоположный грануле.

Чем выше заряд ионов, тем интенсивнее они адсорбируются. Происходящее в адсорбированном слое накопление ионов, заряженных противоположно частице, сопровождается соответственным уменьшением ζ-потенциала и, следовательно, диффузного слоя . А это, в свою очередь, повышает скорость коагуляции .

3. Процесс ионообменной адсорбции.

Помимо сжатия диффузного слоя и адсорбции ионов, при коагуляции золей электролитами происходит процесс ионообменной адсорбции, при котором противоионы адсорбционного слоя обмениваются на одноимённо заряженные ионы добавленного электролита .

Если заряд последнего выше , чем у противоионов, то такая замена приводит к значительному понижению ζ-потенциала .

Таким образом, все три процесса, уменьшающие заряд гранулы и влияющие на коагуляцию, протекают тем эффективнее, чем выше заряд коагулирующего иона.

Это частично позволяет объяснить разницу в коагулирующем действии ионов с различными величинами зарядов.

Основная причина коагуляции частиц заключается в понижении расклинивающего давления до такого уровня, что оно перестаёт препятствовать объединению частиц.

Смена полярности коллоидных частиц

При значительном увеличении концентрации добавленных многозарядных ионов они могут адсорбироваться на коллоидных частицах в таком большом количестве, что гранулы могут не только стать электронейтральными, но и, вообще, поменять свою полярность .

При этом гранулы приобретают знак заряда избыточно адсорбированных ионов добавленного электролита и снова становятся устойчивыми коллоидными частицами.

Так, например, при добавлении к золю платины небольшого количества хлорного железа FeCl 3 наблюдается понижение отрицательного заряда коллоидных частиц платины и их коагуляция.

Увеличение количества этого электролита приводит к смене полярности частиц платины, которые приобретают положительный заряд.

Ещё большие количества FeCl 3 будут вновь оказывать коагулирующее действие.

Такое чередование состояний электронейтральности и заряженности частиц называют чередованием зон коагуляции или явлением неправильных рядов . Оно наблюдается не у всех золей и не со всеми электролитами.

Кинетика коагуляции. Скрытая и явная коагуляция.

Если в коллоидный раствор медленно добавлять электролит, то первые его порции не влияют на золь.

При увеличении концентрации электролита начинается образование частиц низших порядков (II, III и т.д.), которое протекает незаметно для невооружённого глаза и поэтому называется скрытой коагуляцией .

Дальнейшее увеличение концентрации электролита ведёт к прогрессивному развитию процесса коагуляции, повышению её скорости и сопровождается появлением частиц более высоких порядков.

Золь претерпевает видимые изменения: он мутнеет или изменяется его окраска. При этом величина ζ -потенциала частиц уменьшается.

Эта стадия процесса называется явной коагуляцией . Переход скрытой коагуляции в явную называется порогом коагуляции : ему соответсвует пороговая концентрация электролита, т.е. минимальная концентрация электролита, вызывающая явную коагуляцию. (Измеряется эта величина миллимолях на литр золя.)

В это время ζ -потенциал ещё сохраняется, но он обычно не превышает 30 мв и называется критическим ζ-потенциалом .

Однако изменение величины ζ -потенциала не всегда соответствует процессу коагуляции частиц. Нередко коагуляция начинается при высоких значениях ζ -потенциала, а иногда с понижением этого потенциала некоторые золи даже увеличивают свою устойчивость.

Это подтверждпет, что ζ -потенциал является важным, но не единственным определяющим фактором устойчивости коллоидных частиц.

Явная коагуляция , в свою очередь, делится на два периода:

1. Период медленной коагуляции. В этот период всякое увеличение концентрации электролита ускоряет коагуляцию.

2. Период быстрой коагуляции. Во время быстрой коагуляции дальнейшее повышение концентрации электролита уже не влияет на её скорость, т.е. коагуляция протекает с максимальной быстротой.

При медленной коагуляции не все столкновения коллоидных частиц в золе оказываются эффективными, т.е. не все оканчиваются объединением частиц, а при быстрой коагуляции все столкновения приводят к их объединению.

Наименьшая концентрация электролита, вызывающая быструю коагуляцию, называется концентрацией коагуляции или порогом быстрой коагуляции.

При коагуляции вместе с уменьшением числа частиц и их укрупнением происходит изменение ряда свойств растворов: понижается скорость диффузии и фильтрации частиц, увеличивается скорость седиментации, меняется интенсивность рассеянного света, а вместе с тем и окраска растворов и т.п.

Коагуляция смесями электролитов

Возможны три случая совместного действия смеси из двух или более электролитов на коллоидный раствор:

1. Аддитивность - суммирование коагулирующего действия электролитов,

2. Антагонизм – один электролит ослабляет действие другого,

3. Синергизм – один электролит усиливает действие другого.

Если рассматривать каждый электролит в одельности от остальных, то существует такая его концентрация, которая будет вызывать быструю коагуляцию золя. Примем это количество электролита, вызывающее быструю коагуляцию, за 100% и рассмотрим теперь совместную работу двух различных электролитов.

Аддитивность

В случае аддитивности, попытка добиться коагуляции золя одним из электролитов при концентрации меньше чем 100% потребует добавления соответствующего количества второго.

Например, если одного взято 70% от концентрации коагуляции, то второго потребуется добавить 30% (в сумме 100% ).

Антагонизм

При антагонизме, в действии электролитов оказывается, что на 70% концентрации одного из них нужно уже не 30% концентрации коагуляции другого, а больше, например, 55%.

Таким образом, сумма их концентраций станет больше 100% .

Синергизм

При синергизме, для того чтобы получить быструю коагуляцию золя на 70% от концентрации коагуляции одного электролита достаточно добавить, например, 15% от концентрации коагуляции второго электролита.

Сумма концентраций, в результате, будет меньше 100% .

При коагуляции золей смесями электролитов обычно наблюдается синергизм или антагонизм. Адитивность же представляет собой редкое явление.

Явление синергизма может быть обусловлено образованием из добавленных электролитов многозарядных комплексных ионов, обладающих сильным коагулирующим действием.

Антагонизм объясняется, в частности, образованием из этих электролитов или комплексных соединений – пептизаторов, или слабодиссоциированных частиц, не влияющих на коллоидный раствор.

Пептизация - расщепление агрегатов, возникших при коагуляции дисперсных систем, на первичные частицы под действием жидкой среды (например, воды) или специальных веществ - пептизаторов.

В случае образования пептизаторов непрореагировавшие ионы электролитов действуют в направлении коагуляции золя, а образовавшийся из прореагировавших ионов пептизатор вновь переводит в золь скоагулировавшие частицы.

Иногда пептизаторы образуются в результате взаимодействия коллоидных частиц с добавляемым электролитом. Так, добавлении HCl к золю Fe(OH)2 происходит его коагуляция, а при медленном добавлении HCl коагуляция отсутствует.

Как было выяснено, при медленном добавлении соляной кислоты успевает образоваться пептизатор:

Fe(OH)2 + HCl → FeOCl + 2H2 O

FeOCl → FeO + + Cl -

Такое явление назывется привыканием золя .

Взаимная коагуляция

Если к золю с отрицательно заряженными частицами добавить золь с положительно заряженными частицами, то произойдёт их взаимная коагуляция .

На многих водоочистительных станциях к воде, содержащей отрицательно заряженные органические смеси, добавляют положительно заряженные золи гидроокиси алюминия или железа.

После взаимной коагуляции образовавшиеся хлопья легко отфильтровать на песчаных фильтрах.

Биологическое значение коагуляции

Процессы коагуляции и пептизации имеют большое значение для жизнедеятельности организмов, так как колоиды клеток и биологических жидкостей также подвержены коагуляции и постоянно испытывают воздействие со стороны электролитов.

Для сохранения постоянства физико-химических условий в организме необходимо соблюдать постоянство не только концентрации электролитов, но и их качественного состава.

Действительно, если приготовить изотонический раствор не из NaCl , а из равной концентрации многозарядных ионов, например, MgSO 4 , то двухзарядные ионы будут обладать значительно более сильным коагулирующим действием на коллоиды, чем NaCl .

Явления антагонизма и синергизма электролитов отражаются и на биологических объектах. Известно, что рост корней пшеницы подавляется 0,12 М растворами NaCl и CaCl 2 , но при определённом соотношений этих растворов отрицательное влияние смеси электролитов устраняется.