Dispersní soustavy a koloidní systémy

Jana NovotnáÚstav lék. chemie a biochemie

Typy disperzních soustav

Disperzní soustava = rozptýlená látka v rozpouštědle.

Spojité disperzní prostředí: kapalné, plynné, tuhé.

Podle velikosti částic se dělí: roztok pravý (částice < 1 nm) roztok koloidní suspenze (pevné částice)

Typy disperzních soustav

pravý roztok

< 1 nm

hrubá disperze

> 500 (1000) nm

koloidní disperze

1 – 500 (1000) nm

dispergování

koagulace(flokulace) kondenzace, agregace

heterogenní systémy (krev, mléko)

mikroheterogenní systémy (plazma, půdní a makromo-lekulární roztoky)

homogenní systémy roztoky solí, kyselin a bází

Typy disperzních soustav

Disperzní Dispergované částice

prostředí plynné kapalné tuhé Typ disperze

Plyn ─ déšť, mlha kouř, prach hrubá

─ aerosol aerosol koloidní

Kapalina pěna emulze suspenze hrubá

pěna emulze lyosol (sol) koloidní

Pevná látka tuhá pěna inkluze tuhá směs hrubá

tuhá pěna tuhý sol koloidní

Vlastnosti disperzních soustav

Hrubá disperzeKoloidní disperze

Pravý roztok

Průchod membránami

Semiperme-

abilní neprochází

+

Viditelnost částic

oko, optický mikroskop

elektronový mikroskop

Sedimentace + ultracentrifuga

Tepelný pohyb malý střední velký

Vlastnosti disperzních soustav

Hrubá disperzeKoloidní disperze

Pravý roztok

Koligativní vlastnosti

malé velké

Difuse pomalá rychlá

Optické vlastnosti

často neprůhledné

opalescence (Tyndallův jev)

čiré

Oddělitelnost papírový filtrmembránové

filtrynelze (důkaz analyticky)

Hrubé disperze

Suspenze – vzniká rozptýlením tuhé (nerozpustné) látky v kapalině připravují se rozmělňováním

v povrchových vodách, plavení hlíny v keramickém průmyslu

Emulze – dvě kapaliny vzájemně nemísitelné (omezeně mísitelné) připravují se roztřepáním

olej/voda – mléko, voda/olej - máslo

Koloidní soustavy Soly kapalné, disperzní podíl nespojitý, volně pohyblivý Gely koagulující soly, částice jsou v kontaktu, rosolovité

útvary, disperzní podíl spojitý Soly

lyofilní molekulové micelární (asociativní)

lyofobní Soly (podle skupenství disperzního prostředí)

aerosoly lyosoly

hydrosoly organosoly

tuhé soly

Vlastnosti koloidních roztoků

Částice pozorovatelné pouze ultramikroskopem, elektronovým mikroskopem – Brownův pohyb.

Nesedimentují, průchod běžnými filtry (ne semipermeabilní membránou).

Rozptylují procházející světlo (opalizují – Tyndallův efekt).

Vyvolávají osmotický tlak.

Vlastnosti koloidních roztoků

Koloidy jsou všudypřítomné : lidském těle, v koupelně jako prací prášek, mýdlo, zubní

pasta apod., mnohé potraviny (jogurt, máslo, mléko), nanotechnologie vycházejí z koloidní chemie

Koloidní systémy se dělí na homogenní koloidní systém – lyofilní a heterogenní systém – lyofobní

Lyofilní soustavy

Lyofilní částice je obklopena orientovanými molekulami rozpouštědla - solvátový obal solvátový obal částice stabilizuje, brání

jejich shlukování do větších celků Buňky - obsahují roztok lyofilních

koloidů

Lyofobní soustavy

Koloidní částice nemají afinitu k molekulám rozpouštědla

Většinou shluky částic anorganických, částice nemají afinitu k rozpouštědlu

Příprava umělým rozptylováním -Fe(OH)3, As2S3

Přidáním elektrolytu se hydrofobní koloid shlukne do větších celků – flokulace, koagulace (vločky)

Záporný náboj S2- nebo HS- je kompenzován opačným nábojem z roztoku (H+)

Aerosoly

Nejméně stabilní koloidní soustavy – dispergované částice nemají ochranný obal disperze kapalin v plynu mlha disperze tuhých látek v plynu kouř srážky částic vedou ke koagulaci zanikají

zahříváním ultrazvukem elektrostatickým srážením (filtry)

Emulze

Stabilní disperzní soustava jedné kapaliny v druhé (drobné kapičky). Emulgátor – obklopuje jednu kapalinu, zabraňuje spojování kapiček

a) micelární koloidy (mýdla, obklopují nečistotu)b) makromolekulární látky, obklopují dispergovanou tekutinu (polysacharidy, bílkoviny – smáčeny z obou stran oběma tekutinami)c) tuhé nerozpustné emulgátory – pevné, drobné částice – rozmístěny ve fázovém rozhraní obou kapalin (smáčeny z obou stran oběma tekutinami)

Základní mechanismus čisticího účinku mýdel

Nepolární (hydrofobní) dlouhá část molekuly je alifatická, zakončená CH3.

Polární (hydrofilní) menší část je zakončena karbonylovou skupinou (neutrální –COOH, nebo –COO−) - „propojovací můstek“ mezi částečkami hydrofobních látek (tuků, olejů) a hydrofilním prostředím (vodou), tvoří stabilní emulze nebo nepravé roztoky.

Gely

Vznikají postupným zahušťováním lyofilních solů.

Koloidní částice solvatačního obalu přestanou být volně pohyblivé (vzájemně se mezi sebou vážou) želatina (agar, agaróza škrob, pektin) –

horký roztok o nízké koncentraci = sol → ochlazení → gel → zahřátím opět sol

Roztoky

dispergovaná fáze - jedna nebo více rozpuštěných látek

disperzní prostředí – rozpouštědloTypy roztoků: plynné (směs plynů) kapalné

plyn v kapalině (vodný roztok HCl) kapalina v kapalině (vodný roztok H2SO4) pevná látka v kapalině (vodný roztok NaCl)

pevné Slitiny kovů (mosaz, Cu a Zn; bronz – Cu a Sn)

Roztoky pravé

Homogenní disperzní soustava dvou nebo více chemicky čistých látek.

Podle teploty a tlaku – skupenství plynné, kapalné nebo tuhé.

Disperzní prostředí - rozpouštědlo (voda, diethylether, methanol, ethanol, aceton, benzen, toluen).

Ostatní součásti – látky rozpuštěné.

Složení roztoků

Látková koncentrace = látkové množství rozpuštěné součásti v jednotce objemu roztoku

Koncentraci lze vyjádřit: hmotnostním zlomkem w = hmotnostní

procenta, molárním zlomkem x molární procenta, objemovým zlomkem = objemová procenta, látkovou koncentrací c, molální koncentrací

Hmotnostní zlomek (hmotnostní procenta)

Hmotnostní zlomek wA složky A v roztoku (směsi) je definován: jako podíl hmotnosti mA složky A

a celkové hmotnosti roztoku ms (dána součtem hmotností všech složek roztoku):

wA = mA / ms [bezrozměrná veličina] Součet hmotnostních zlomků všech složek v

roztoku je roven 1.

Hmotnostní zlomek (hmotnostní procenta)

Hmotnostní procenta = počet dílů složky ve 100 hmotnostních dílů roztoku (10% roztok = ve 100 g roztoku je 10 g rozpuštěné látky)

Podobně molární zlomek xA a molární procenta (mol.%) a objemový zlomek A (obj. %)

Látková (molární) koncentrace, molarita a molalita

Molární koncentrace cA složky A = látkové množství /objem

cA = nA / V [mol.dm3]

59,5 g NaCl v 1 l H2O = 1 mol. dm3 (1M)

Molalita A složky A = látkové množství/hmotnost rozpouštědla

A = nA / mr [mol.kg-1]

Rozpustnost

rozpustnost – maximální množství látky v gramech, které se rozpustí při určité teplotě ve 100 g vody za vzniku nasyceného roztoku.

Závisí na chemické struktuře látky i rozpouštědla, teplotě

S rostoucí teplotou roste (u některých látek klesá - CaOH)

Rozpouštění látek ve vodě

Neelektrolyty – s rozpouštědlem neinteragují (kyslík, sacharóza)

Elektrolyty – interakce s molekulami polárního rozpouštědla, uvolňují se ionty (disociují, ionizují)

Ionty obklopeny molekulami rozpouštědla (hydratace) → elektrolytická disociace iontové krystaly – v pevné fázi (NaCl, KCl)

Disociace elektrolytů silné elektrolyty – v roztoku zcela disociovány

na ionty → soli kyselin (H2SO4, HCl, HNO3), soli zásad (NaOH, KOH, Ca(OH)2)

slabé elektrolyty – převážně jako elektroneutrální molekuly, jen z malé části jako ionty, mezi nimi rovnováha – disociační rovnováha (organické kyseliny a zásady)

[] [A-]

[AB]

Iontová síla roztoků

Roztoky silných elektrolytů: vzdálenost iontů při vyšší koncentraci ↓ , iontová síla - veličina charakterizující

celkovou „koncentraci náboje” v roztoku, vyjadřující celkovou velikost elektrostatických interakcí mezi ionty v roztoku.

I = ½ ∑ m . z2

m – koncentrace (mol.l-1), z – počet nábojů, ∑ - pro všechny volné ionty

Difúze

Samovolné vyrovnání koncentrace,

snaha částic pravidelně se rozptýlit,

tepelný pohyb molekul velikost difúze - difúzní

koeficient (D) D = difundující množství látky za

časovou jednotku 1 cm3 při koncentračním gradientu rovném 1

Koncentrační gradient je dán c/l (c = rozdíl koncentrací, l = tloušťka membrány)

Osmóza

Dva roztoky o různých látkových koncentracích oddělené membránou

Rovnováha nastane je-li membrána propustná – látky

se rozloží stejnoměrně Je-li membrána polopropustná –

přesune se rozpouštědlo Osmotický tlak – tlak vynaložený

proti přesunu rozpouštědla membránou

Osmotický tlak Úměrný látkové koncentraci rozpuštěných částic (bez ohledu na

velikost). Látky disociující – podílí se na osmotickém tlaku samostatně

iRTci – počet disociující částic, c – koncentrace v mol.l-1, T – teplota v kelvinech, R – plynová konst.

pro 0,15M NaCl při 37C je = 7,635 atm

Hodnoty koeficientu i závisí na charakteru látky a její koncentraci u nedisociovaných částic → i = 1 univalentní soli (KCl, NaCl, KNO3) → i = 2 uni-divalentní soli (K2(SO)4, CaCl2) → i = 3 uni-trivalentní soli (AlCl3, K3Fe(CN)6) → i = 4

Osmotický tlak v koloidních dispersích = onkotický tlak(koloidní roztoky makromolekulárních látek přispívají jen málo k

osmotickému tlaku – velká molekulová hmotnost a tedy nízké látkové koncentrace)

Osmotický tlakRoztoky hypotonické a hypertonickéHemolýza

praskání → v hypotonickém prostředí o nižším osmotickém tlaku než je uvnitř erytrocytů (destilované vodě)

smršťování → v hypertonickém prostředí o větším osmotickém tlaku než jaký je uvnitř erytrocytů, voda odchází.

změny nenastávají, je-li v okolí roztok izotonický. pro erytrocyty je to 0,9% roztok NaCl (používán při

nitrožilních injekcích, osmotický tlak ~ 7 atm).

Donnanova rovnováha

Rovnovážný stav mezi dvěma roztoky elektrolytů oddělených polopropustnou membránou bílkoviny při pH 7.4

mají převážně záporné náboje (př. kapiláry nepropustné pro plasmat. bílkoviny přitahují kationty → procházejí jen anionty)

Význam koloidních soustav

Buňka - základní jednotka živé soustavy cytoplasma – složitá disperzní soustava částic o

různé velikosti pravé roztoky částice koloidní nebo hrubě disperzní

cytoplasma se někdy chová jako gel a někdy jako sol → přechod mezi nimi je sol-gelová transformace

řada fyziologických pochodů souvisí s koloidy

Význam koloidních soustav

Klouby - kloubní maz potravinářský průmysl – řada výrobků má

koloidní charakter léčiva – koloidní mikrokapsule – cílené

podávání léčiv znečištění – aerosoly znečišťujících látek oblaka – koloidní soustava aerosolu