§ 2. Методы получения

и очистки коллоидных растворов

Высокодисперсные коллоидные системы можно получать либо путем дробления грубодисперсных частичек, либо путем объединения (укрупнения) молекул, атомов, ионов в коллоид­ные частички. В связи с этим первые методы называются дисперсионными, вторые — конденсационными.

Принципиальное различие между этими методами заклю­чается в том, что в процессе диспергирования увеличение удель­ной поверхности, а следовательно, и свободной поверхностной энергии системы происходит за счет сообщения энергии извне, тогда как в процессе конденсации — за счет уменьше­ния потенциальной энергии самой системы. Поэтому конден­сационные методы энергетически более выгодны.

Для получения устойчивых коллоидных растворов (зо­лей) необходимы следующие условия: а) наличие двух взаимно нерастворимых или малорастворимых компонентов как усло­вие образования двух фаз — дисперсной и дисперсионной; б) достижение коллоидной степени дисперсности (10⁷— 10⁹M"¹) частичек дисперсной фазы; в) наличие стабилиза­тора, придающего системе определенную устойчивость.

Дисперсионные методы заключаются в дроблении, раздав­ливании, растирании крупных частичек в более мелкие. В ла­бораторных и промышленных условиях эти процессы проводят в дробилках, жерновах и мельницах различных конструкций.

Грубое дробление производят в шаровой мельнице, которая состоит из цилиндра, частично заполненного шарами из твердого материала (сталь, алунд, агат, фарфор). Вращение цилиндра вызывает перекатывание и падение шаров, которые перетирают помещенный в цилиндр материал. Степень диспер­гирования в шаровых мельницах невысокая. Применяются такие мельницы в цементной и стекольной промышленности.

В фармацевтической промышленности, где нужна более высокая степень дисперсности, применяют коллоидные мель­ницы. Принцип работы этих механизмов основан на возник­новении разрывающих усилий под действием центробежной силы в узком зазоре между вращающимся с большой скоростью

ротором и неподвижным статором. Взве­шенные крупные частички испытывают при этом значительное разрывающее уси­лие и таким образом диспергируются. '^⁷B настоящее время для приготовления эмульсий и суспензий широко применяют ультразвук. Резкие локальные изменения давления (порядка тысяч атмосфер), про­исходящие за ничтожно малые проме­жутки времени (10-"- 10-⁵с), приводят _рис_ _4а получение к диспергированию и жидкостей, и твер- коллоидных растворов дых тел. Таким способом получают орга- методом Бредига. нозоли легкоплавких металлов и сплавов, гидрозоли серы, гипса, различных полимеров (крахмала, нитроклетчатки), гидроксидов металлов и т. д.

К дисперсионным методам можно отнести и электрический метод Бредига, основанный на образовании паров металла / в вольтовой дуге 2 с последующей их конденсацией в охлаж­денном растворителе 3 (рис. 48). Этот метод объединяет в себе черты дисперсионных и конденсационных методов. Использу­ется в медицине для изготовления лекарственных препаратов, viv К дисперсионным относятся методы пептизации. Пепти-зация — процесс перевода свежеобразовавшегося осадка в кол­лоидное состояние с помощью стабилизатора — пептизатора. Впервые метод нашел применение в биохимии, в работах по расщеплению сложных белков на более простые и хорошо растворимые (пептоны) с помощью фермента пепсина, откуда и получил свое название.

Конденсационные методы очень разнообразны и широко используются в лабораторной и производственной практике.

Коллоидные растворы серы, канифоли можно получить заменой растворителя. Например, если спиртовый раствор канифели вылить в воду, то образуется опалесцирующий золь канифоли в воде.

Для получения коллоидных растворов применяются лю­бые химические реакции, в результате которых образуются труднорастворимые вещества (реакции гидролиза, восстанов­ления, окисления, обмена и др). Стабилизатором обычно служит одно из реагирующих веществ. Эти методы разработа­ны и описаны еще в исследованиях П. П. Веймарна. Особен­ностью химических методов является то, что образование зо-^л?й_Протекает тольюГв^узких интервалах концентраций, по­скольку в других условиях получаются осадки.

Для того чтобы из пересыщенного раствора образовался золь, а не выпал осадок, необходимо, чтобы одновременно воз­

никало огромное количество зародышей дисперсной фа­зы. При этом скорость об­разования зародышей дол­жна быть больше скорости роста кристаллов. Практи­чески это достигается путем вливания концентрирован­ного раствора одного ком­понента в очень разбавлен­ный раствор другого при сильном перемешивании. Примеры реакций, используемых для получения коллоидных растворов:

реакция гидролиза:

FeCl₃ + 3H₂O -> Fe(OH)₃ + 3HCl; реакция окисления:

2H₂S + SO₂ -> 3S + 2H₂O;

реакция восстановления:

Ag₂O + H₂ -^2Ag + H₂O;

реакция обмена:

2H₃AsO₃ + 3H₂S As₂S₃ + 6H₂O; AgNO₃ + KI-* AgI + KNO₃.

Все рассмотренные методы используются для получения лиофобных систем (золей). Лиофильные системы, в частности растворы ВМС, образуются при самопроизвольном растворе­нии в подходящем растворителе.

Очистка дисперсных систем. Полученные тем или иным спо­собом дисперсные системы очищают от примесных молекул или ионов. Очищают также и дисперсные системы естествен­ного происхождения —латексы, сырую нефть, вакцины, сы­воротки и т. д. Очищенные дисперсные системы приобретают устойчивость и могут находиться в метастабильном состоянии длительное время. Для очистки дисперсных систем использу­ют различные методы: диализ, электродиализ, ультрафильтра­цию, центрифугирование и др.

Диализ для очистки коллоидных растворов был применен еще Т. Грэмом. Диализатор (рис. 49) состоит из двух сосудов, отделенных друг от друга полупроницаемой мебраной, способ­ной пропускать ионы и молекулы, но задерживающей дисперс­ные частички. В качестве мембраны можно использовать пер-

V

— о- о-

_ о ~ о — о -° -°

ООО

J 2 4 '

Рис. 50. Электродиализатор:

/ — полупроницаемые мембраны; 2 — колло­идный раствор; 3,4 — камеры с проточным растворителем.

Рис. 51. Аппарат для вивидиализа.

гамент, целлофан, коллодий и др. Во внутренний сосуд заливают золь, во внешнем сосуде циркулирует чистый рас­творитель. В результате диффузии все

растворимые компоненты, способные проходить через поры мембраны, удаляются во внешний раствор. Очистка диализом обычно длится несколько суток, повышение температуры спо­собствует ускорению процесса вследствие увеличения скорости диффузии.

Если примесями являются только электролиты, их удаляют методом электродиализа (рис. 50). Электродиализатор состоит из'трех камер. Средняя камера, куда наливают коллоидный раствор, отделяется от боковых полупроницаемыми мембра­нами. В боковые камеры помещают электроды, на которые по­дается постоянное напряжение. Таким образом, скорость очис­тки увеличивается в результате направленного движения ио­нов в электрическом поле. Электродиализ сокращает время очистки дисперсных систем до часов и минут, широко приме­няется в биохимии, медицине и фармацевтической промышлен­ности.

Количественное определение низкомолекулярных веществ в биологических жидкостях часто проводят методом компен­сационного диализа или вивидиализа. Сущность метода компен­сационного диализа заключается в том, что жидкость в диали­заторе омывается не чистым растворителем, а растворами с различными концентрациями определяемого вещества. Так, содержание сахара в сыворотке крови, несвязанного с белками, определяется путем диализа сыворотки по сравнению с изо-тоничным раствором, к которому прибавляют различные ко­личества сахара. Концентрация сахара во внешнем растворе при диализе не изменяется лишь в том случае, когда она равна концентрации свободного сахара в сыворотке. Таким способом было выявлено наличие глюкозы и мочевины в крови в сво­бодном виде.

При проведении вивидиализа в концы перерезанного кро­веносного сосуда вставляют стеклянную канюлю, развет­вленные части которой соединяются между собой трубочками из полупроницаемого материала, и всю систему погружают в сосуд, заполненный физиологическим раствором (рис. 51).

По принципу компенсационного диализа работает аппарат «искусственная почка» (АИП), применяющийся при острой почечной недостаточности, например при отравлении суле­мой, сульфаниламидными препаратами, при уремии после переливания крови, тяжелых ожогах, токсикозе беременности и т. п. АИП подключается к системе кровообращения боль­ного. Кровь под давлением, создаваемым пульсирующим насо­сом, протекает в узком зазоре между двумя мембранами, омы­ваемыми снаружи физиологическим раствором. Мембраны устанавливаются в виде пакета и имеют большую рабочую поверхность. Очистка крови (гемодиализ) от продуктов распа­да (мочевины, мочевой кислоты, излишков ионов калия, хло­ра и т. д.) проводится в течение 3—4 ч. В настоящее время получили распространение гемодиализаторы разового пользо­вания, выполненные из полимерных материалов: полиэтилена, поливинилхлорида, полистирола, полисилоксана и др.

Во многих случаях необходимо полное отделение дисперс­ной фазы от дисперсионной среды. Применять для этой цели обычные фильтры невозможно, так как они пропускают и коллоидные частички, и макромолекулы. Подобное разде­ление осуществляют методом ультрафильтрации или центри­фугирования.

Ультрафильтрация — фильтрация через мембраны с при­менением давления или разрежения. В качестве мембранных фильтров в биохимической практике и микробиологии в насто­ящее время применяются ацетат целлюлозы, нитроцеллю­лоза, стекловолокно. Нитроцеллюлозные мембраны облада­ют свойством адсорбировать некоторые макромолекулы, раз­меры которых меньше, чем поры фильтра. Мембранные фильтры могут служить и в качестве иммобилизирующих агентов.

Для разделения компонентов дисперсной системы и тонкого фракционирования в настоящее время применяется метод ультрацентрифугирования, заключающийся в разделении ча­стичек с различной массой в центробежном поле больших ускорений. Современные центрифуги развивают ускорения до десятков и сотен тысяч g и делятся на два типа — аналитиче­ские и препаративные. Препаративные центрифуги применя­ются только для фракционирования, например, для разделе­ния фракций белков, нуклеиновых кислот, аминокислот и т.д.