Коллоидты ерітінділер

Коллоидты ерітінділер. Көптеген косметикалық сұйықтықтар коллоидтық ерітінділер күйінде болады. Коллоидты ерітінділер таза гомогенді ерітінді емес. Онда сұйық немесе газды ортада (мысалы, суда) кішірек молекулалардан тұратын ірі молекулалар немесе бөлшектер диспергирленеді. Коллоид немесе коллоидты бөлшек кішкентай болғаны соншалықты жерге түспей, қалқымалы күйде тұрады. Оның бөлшектірінің көлемі 1-ден 100 нм-ге дейін ауытқиды, ал ең үлкені 500 нм болады.

Тірі ағзада барлық физиологиялық  үдерістер  ерітінділерде, коллоидты  ерітінділерде және гельдерде (гель – тығыз коллоидты ерітінді) жүзеге асырылады.  Тірі ағзалардағы физиологиялық  үдерістер сұйық ортада жүреді, ал жасушалардағы бөлшектер жоғары молекулалы органикалық қосылыстардан  тұрғандықтан, коллоидтық ерітінділердің барлық тіршілік үдерістерінде атқаратын  маңызы зор. Қарапайым коллоидтық ерітінділердің мысалы ретінде жұмыртқа мен соя  ақуыздарын, сабын мен синтетикалық жуғыш заттардың ерітінділерін, желатин және лецитин желесін, желімдерді қарастыруға болады. Барлық коллоидтық ерітінділердің негізгі компоненті,әрине  су-(90%-дейін). Судың мөлшері 90%-дан  едәуір аз болатын тығыз коллоидтық ерітінділер гель деп аталады. Ал косметикада түрлі гельдер кеңінен қолданылады..

Диффузия. Тепе-теңдікке ұмтылу, құрамындағы заттарды теңестіру, яғни, біркелкіленуге тырысу кез келген ерітіндіге тән қасиет. Мысалы, егер қантты стақандағы суда ерітетін болсақ, ондағы қант стақан түбіне тұнып қалмай, біртіндеп біркелкі концентрация ретінде суға толықтай жайылып ериді. Бұл құбылыс диффузия деп аталады (қант сұйықтықта диффундалады). Жылулық қозғалыстың әсерінен зат бөлшектерінің жүйенің бір бөлігінен екінші бөлігіне өз еркімен тасымалдану құбылысын диффузия деп атайды.

Диффузия коллоидты және басқа да қарапайым ерітінділердегі  сияқты жүзеге асады. Адам ағзасындағы  барлық ерітінділер сияқты диффузия заттардың қозғалысын қамтамасыз етеді. Осылайша, жасушалар жасуша аралық ұлпалық сұйықтықтарда диффундалып, әрі қарай қантамырлармен қозағалатын  қажетті қоректік заттарды қабылдайды. Ал қалдық заттар қарама-қарсы бағытта  қозғалып, жасушалардан шығарылады.

Егер ерітіндінің құрамдас бөліктерінің концентрациясы әр жерде  әртүрлі болса, диффузияның жүру жылдамдығы арта түседі. Диффузияның  жылдамдығына, сонымен қатар, температура  да өз ықпалын тигізеді. Температура  артқан сайын диффузия өсе түседі.

Осмос. Осмос – еріткіш молекулаларын өткізіп, еріген затты өткізбейтін жартылай өткізгіш қабық (осмометр) арқылы еріткіштің қозғалысы. Осмостың классикалық үлгісі төмендегі суретте осмометрдің қант ерітіндісін таза судан бөлуі ретінде көрсетілген. Ерітіндідегі су концентрациясы таза суға қарағанд төмен. Таза еріткіш жағынан алғанда мембрана арқылы су молекуласының диффузиясы ерітіндідегі су концентрациясын мембрананың екі жағынан да теңестіруге тырысуда. Алайда концентрацияларда өзгешелік бар кезде мембрана екі жағынан да осмостық қысымға түседі. Сыртқы ыдыстағы еріткіш  пен осмометрдегі ерітінді арасында тепе теңдік күй орнайды. Мұндай тепе теңдік ке сәйкес келетін қысымды осмостық қысымы деп аталады. Осмос қысымы – осмосты тоқтату үшін ерітіндіге түсірілетін қысым.  Сонымен осмос қысымы деп ерітіндіні еріткішпен тепе теңдік күйде ұстап тұру үшін осмометр ішіндегі ерітіндіге түсірілетін қысым.

 

Осмостың классикалық үлгісі

 

Сурет 1 (қант ерітіндісі, су, жартылай өткізгіш қабық)

 

Жартылай өткізгіш қабат болмаған жағдайдың өзінде осмос қысымы туралы айтылады. Бұндай жағдайда ерітіндінің еріткіштің қосымша көлемін өзіне «сіңіріп» алуын меңзейді. Ерітінді концентрациясы жоғарылаған сайын оның осмос қысымы да арта түседі.

Біздің ағзамыздағы жасушалардың қабырғаларының өзі мембрана болғандықтан, осмостың физиологиялық үдерістердегі маңызы зор. Тірі табиғатта үнемі жасушаға және жасушадан судың осмостық қозғалысы жүріп тұрады. Егер жасушаның өз  ішіндегі қысымға өзі түскен ерітіндінің осмостық қысымы сәйкес келетін болса, онда жасуша құрамындағы сұйықтықтың көлемі өзгермейді, бірақ су екі бағытта да тең дәрежеде өтеді. Бұндай ерітінді изотоникалық деп аталады.

Адам қанының осмос қысымы NaCl ерітіндісінің 0,9 %-на тең. Егер қан жасушалары осмос қысымы өз қысымынан төмен ерітіндіге түссе, су жасушаға оны ісіндіріп, жарып жіберетіндей дәрежеде кіреді. Сондықтан да адамға сұйықтық құйған кезде (мысалы, көп қан кеткенде), изотоникалық ерітіндіні пайдалау керек.

Диализ. Осмостың ертікіш затты емес ерітіндіні өткізетін жартылай өткізгіш қабық арқылы жүзеге асатынын айтып кеттік. Кейбір қабықтар коллоидты бөлшектерді өткізбей, төмен молекулалы ерітілген заттарды да өткізеді. Бұл құбылыс диализ деп аталады. «Жасанды бүйрек» құрылғысының жұмысы диализге негізделген. Яғни, жартылай өткізгіш мембрана арқылы қанға қажетті барлық коллоидты заттар мен қан жасушаларын, т.с.с. сақтай отырып, қаннан төмен молекулалы қалдық заттарды шығарады.

Тұтқырлық. Сұйықтықтағы тұтқырлық немесе ішкі үйкеліс дегеніміз сұйықтық ағысына қарсылық көрсету дегенді білдіреді. Әдетте ерітіндінің тұтқырлығы ондағы кедергінің артуымен өсе түседі. Әсіресе, жоғары молекулалы заттар сұйықтықтың ағу қабілетін нашарлатады, яғни, оның тұтқырлығын арттырады.

Сұйықтықтың тұтқырлығы температура артқан сайын төмендейді. (алайда, құрамында тұтқырлығы температураға байланысты болмайтындықтан косметикалық препараттарда жиі қолданылатын силикондар кездесетін ерітінділер жатпайды).

Суспензиялардың сипаттамасы, жіктелуі

Суспензиялар – бұл дисперстік фазасы 10^-5см-ден үлкен өлшемді қатты заттың бөлшектері, ал дисперсиялық ортасы – сұйықтық болып келетін дисперсиялық жүйелер.

Суспензияларды шартты түрде  бөлшек сияқты белгілейді: бөлімінде  ортаның агрегаттық күйі, ал алымында дисперстік фазаның агрегаттық күйі көрсетіледі: Қ/С. Суспензияларға басқа  да анықтама беруге болады: суспензиялар - бұл сұйықтықтардағы ұнтақтардың жүзгіндері.

Екінші анықтама шындыққа жақынырақ, өйткені «суспензия»  терминінің өзі ескі латыншадан аударғанда (suspensio) –«іліп қою, асып қою» деген  мағынаны білдіреді.

Формальды түрде суспензиялар лиозольдерден (коллоидтық ерітінділерден) дисперстік фаза бөлшектерінің өлшемдерімен ғана ерекшеленеді. Суспензиялардағы қатты бөлшектердің өлшемдері (10^-5 см үлкен) лиозольдердің (10^-7-10^-5 см) өлшемдеріне қарағанда бірнеше реттелікте үлкен болуы мүмкін. Бұл сандық айырмашылықтар суспензиялардың маңызды ерекшеліктерін, көптеген суспензияларда қатты фазалардың бөлшектері броундық қозғалысына қатыспайтынын көрсетеді. Сондықтан суспензиялардың қасиеттері коллоидтық ерітінділердің қасиеттерінен ерекше болады; оларды дисперстік жүйелердің жеке бір түрі ретінде қарастырады.

Кейінірек суспензиялардың  нақты қасиеттерін қарастырғанда, коллоидтық химияның алдыңғы бөлімдерінде қарастырғандай, оларды коллоидтық ерітінділердегі  ұқсас қасиеттерімен салыстыру  пайдалы.

Суспензиялардың жіктелуі

Суспензиялар бірнеше  белгілері бойынша бөлінеді.

1. Дисперстелген ортаның табиғаты бойынша: органикалық суспензиялар (дисперсиялық ортасы – органикалық сұйықтық) және сулы суспензиялар (дисперсиялық ортасы су болады).
2. Дисперстік фаза бөлшектерінің өлшемдері бойынша: дөрекі суспензиялар (d>10^-2 см); жұқа суспензиялар (-5*10^-5<d<10^-2  см ), лайлар (1*10^-5<d<5*10^-5  см).
3. Дисперстік фаза бөлшектерінің концентрациясы бойынша: сұйылтылған суспензиялар және концентрленген суспензиялар (қойыртпақтар).

Сұйытылған суспензияларда бөлшектер  сұйықтықта оңай қозғалады, бөлшектер арасындағы байланыс жоқ  болады және әрбір бөлшек кинетикалық  тәуелсіз болады. Сұйытылған суспензиялар – бұл бос дисперстік құрылымсыз жүйелер.

Концентрленген суспензияларда бөлшектер арасында белгілі бір  құрылымның түзілуіне әкелетін күштер әсер етеді. Ендеше, концентрленген суспензиялар – бұл байланысқан дисперстік  құрылымдалған жүйелер.

Құрылым түзілу басталатын концентрациялық интервалдың (аралықтың) нақты мәндері әртүрлі және бірінші  кезекте фазалардың табиғатына дисперстік фаза бөлшектерінің өлшеміне, температураға, механикалық әсерлерге тәуелді  болады. Бұл мәселе концентрленген суспензиялар қасиеттеріне арналған бөлімінде  толығырақ қаралатын болады. Бұл  жерде тек сұйытылған суспензиялардың  механикалық қасиеттері басты түрде  дисперстік ортаның қасиеттерімен, ал байланысқан дисперстік жүйелердің механикалық қасиеттері дисперстік фаза бөлшектерімен және бөлшектер  арасындағы байланыстар санымен  анықталатынын ғана айтқанымыз жөн.

Сұйылтылған суспензиялардың алу жолдары.

Суспензияларды, басқа да дисперстік  жүйелерді алу сияқты екі топтық  әдістермен алуға  болады: дөрекі дисперстік жүйелер  жағынан  –диспергациялық (ұсақтау, майдалау) әдістерімен, шын еірітінділер жағынан  – конденсациялық әдістермен.

Суспензияларды алудың нақты  әдістерін қарастыра отырып, суспензия  дегеніміз – бұл сұйықтықта ұнтақтардың  жүзгіндері екенін еске түсіру пайдалы. Ендеше сұйылтылған суспензияларларды  өндірісте де, күнделікті өмірде де кең таралған және қарапайым алу  әдісі әртүрлі араластыру құрылғыларының (миксерлер, араластырғыштар) және т.б. пайдаланумен үйлесімді сұйықтықта сәйкес ұнтақты араластыру болып  табылады. Концентрленген суспензияларларды  алу үшін сәйкес ұнтақтарды сұйықтықтың  аз мөлшерімен араластырады. Суспензиялар лиозольдерден тек олардағы бөлшектері бірнеше реттілікте ірі болғандықтан ғана ерекшеленгенімен, суспензияларға лиозольдерді алу кезіндегі әдістерді  қолдануға болады. Осы кезде майдалау әдіспен ұсақтау дәрежесі лиозольдерді алу кезіндегіден аз болуы керек. Конденсациялық әдіс кезінде конденсация  бөлшектерінің өлшемі 10^-5  -10^-2 см болатындай етіп өткізу қажет. Пайда болған бөлшектердің өлшемі кристалдардың туынтектерінің пайда болу және олардың жылдамдықтарының қатынасына тәуелді болады. Аса қанықтырудың аз дәрежесі кезінде ірі бөлшектер, ал үлкен дәрежесінде- ұсақ бөлшектер пайда болады. Жүйеге алдын ала кристаллизация туынтектерін енгізу монодисперстік суспензиялардың пайда болуына әкеледі. Дисперстілікті азайту ұсақ кристалдар ерігенде, қыздыру кезінде изотермиялық айдау нәтижесінде қол жеткізілуі мүмкін.Ол кезде майда бөлшектер ериді де, ал соның нәтижесінде ірі бөлшектер одан әрі іріленеді.

Осы кезде дисперстік фаза бөлшектерінің байланысуын және айтарлықтай өсу мүмкіндігін  шектейтін шарттары сақталуы тиіс. Пайда болатын суспензиялардың  дисперстігін БАЗ ендірумен реттеуге болады.

Суспензияларды диализбен, электрдиализбен, сүзуменен, центрифугалаумен еріген заттардың қоспаларынан тазартады.

Суспензиялар лиозольдердің  коагуляциясы нәтижесінде де пайда  болады. Сәйкесінше коагуляцияны жүзеге асыру әдісі – бұл суспензияны  алу әдісі.

Жоғарыда айтылғандардың  барлығы өндірістік және күнделікті суспензияларға тиісті. Табиғи суспензиялар  (Жердің барлық су қоймалары болып  табылады) аэрозольдердің бұзылуы нәтижесінде, сонымен қатар жауын-шашын кезінде  тасу-тартылу құбылыстары, топырақтардың  майдалануы, жағалау күшінің әсерімен тау жыныстарының суға ену салдарынан пайда болады.

Сұйылтылған суспензиялардың қасиеттері.

Сұйылтылған суспензияларда құрылымының жоқ болуы және концентрленген суспензияларда олардың болуы, осы  жүйелердің қасиеттерінде айтарлықтай  ерекшелікті көрсетеді. Сұйылтылған  суспензиялардың қасиеттеріне тоқталайық.

Сұйылтылған суспензиялардың  лиозольдерден дисперстік фаза бөлшектерінің  өлшемімен ерекшеленетінін айтып  кеткен едік.

d -10^-5 – 10^-2см

d -10^-7-10^-5см

Бұл қасиеттердің қандай сапалық  өзгерістеріне алып келетін екен? Соны қарастырып көрейік.. 

Сұйылтылған суспензиялардың оптикалық қасиеттері.

Спектрдің көрінетін бөлігінің  толқын ұзындығы 4*10^-5 см-ден (күлгін түс) 7*10^-5см-ге дейін (қызыл түс) аралығында жатады. Суспензиядан өтетін жарық толқыны жұтылуы (онда суспензия түсті болады), геометриялық оптиканың заңдары бойынша дисперстік фаза бөлігінің бетінен шағылуы мүмкін (онда суспензия лайланып көрінеді)  және тек жоғары дисперстік суспензияларда Рэлей заңынан ауытқитын жарықтың шашырауы байқалуы мүмкін.

Оптикалық микроскоптан сұйылтылған  суспензиялардың көбісіне сәйкес өлшемдері 5*10^-5 см аз емес бөлшектері көрінеді.

Сулы  суспензиялардың электркинетикалық  қасиеттері.

Суспензиялардың электркинетикалық  қасиеттері гидрозольдердің қасиеттеріне ұқсас және электркинетикалық потенциалдың және дисперстік фаза бөлшектерінің  бетінде қос электрлік қабаттың пайда болуымен болады. Осындай реттіліктегі суспензияның  дзета – потенциалының  өлшемі зольдікіндей: кварцтың суспензиясы - -44мВ, саздың суспензиясы - -49мВ, балқытылған корунд суспензиясы (Al O )- -20.5мВ күкіртті мышьяк кірнесі– -90мВ, темір (III) гидроксидінің кірнесі - +52мВ болады.

 Суспензиялардағы дзета  – потенциалдың шамасын берілген  суспензияны тұнбалану нәтижесінде  алынған (әдетте мұндай диафрагманы  суспензияларды центрифигурлаумен  алады), ұнтақтан жасалған тұрақты  диафрагма арқылы сұйық дисперсиялық  ортаның қозғалуының  жылдамдығын  бақылай отырып электросмостық  әдіспен өлшеуге болады.

Дзета – потенциалды анықтау  үшін суспензияның электрфорезасын  пайдалану суспензияның ірі бөлшектері электродқа қозғалуымен қатар ауырлық  күшінің әсерінен шөгетіндіктен  қиындау болады.

Алайда суспензияларда лиофобтық  зольдерге  байқалғандай электркинетикалық  құбылыстардың барлық төрт түрі байқалады: электрофорез, электроосмос, ағу потенциалы, седиментациялық ипотенциал.