Тақырып бойынша бақылау сұрақтары

&

1. ЖМҚ ерітінділерінің басқа дисперстік жүйелермен ұқсастығы мен айырмашылықтарын атап көрсетіңіз. ЖМҚ ерітінділердің ерекшеліктері қандай?

2. Ақуыздың изоэлектрлік нүктесі мен жағдайы дегеніміз не?Ақуыздың денатурация жағдайлары қандай?

3. Коацервация процесі дегеніміз не? Кілегейлену процесін сипаттаңы. Гель және сірнеме дегеніміз қандай жүйелер, олардың ерекшеліктері қандай? Синерезис және тиксотропия процестері дегеніміз не?

Дәріс №15

Микрогетеродгенді жүйелердің сипаттамалары

Ұнтақтар өзінің көптеген сипатына орай аэрозольдерге өте жақын, тіпті оны қатты дисперстік фазасы жинақталған аэрозоль ретінде қарастыруға да болады. Ұнтақтарға ірі дисперстік, седиментациялық тұрғыдан тұрақсыз жүйелерді де жатқызуға болады. 

Ұнтақ бөлшектерінің өлшемі және оған тікелей тәуелді болатын олардың меншікті беткі қабатының қолданбалы мәні зор. Айтарлық, бояу реңінін, ашықтығы мен бояғыштық қабілеті, тамақ өнімінде қолданылатын ұнтақтардың дәмділігі, тағы да баскалар олардың дисперстілік дәрежесіне байланысты. Ал ондағы бөлшек өлшемін микроскоптық, седиментациялық және елеу әдістерімен анықтауға болады. Ұнтақтағы бөлшектердің меншікті бетқі қабатын, азоттың бөлшектерге адсорбциялануымен немесе ұнтай арқылы сүзілген сұйық мөлшерімен, сол сияқты ұнтақ арқылы сорылған ауа көмегімен анықтайды.

Бөлшектерден тұратын қабат бетін, осы қабаттағы кіші бөлшектердің қозғалуын қарастырудың мәні зор, өйткені олар ұнтақты тасымалдауға негіз болады. Бұл қозғалыстар үш түрлі тәсілмен жүзеге асуы мүмкін: 1) бөлшектер ұнтақ бетінде домалап козғалады; 2) бөлшектер ұнтақ бетінен бөлініп, көтеріледі және өте тез, сол сәтте-ақ төмен түседі, яғни бөлшек “секіре” қозғалады; 3) бөлшектер аэрозоль күйінде қозғалады немесе ол жел ағымымен бірге жүреді. Ауа ағымының белгілі мәндегі жылдамдығы кезінде бөлшек домалай қозғалады. Ал егер олар кішігірім ойысқа кезіксе, тоқтап қалады. Егер ауа жылдамдығы бұдан біраз артық болса, онда бөлшектер тағы да домалай бастайды.

Ұнтақтарды да коллоидтық жүйелердегідей конденсациялық және дисперлеу әдістермен алады.

Конденсациялық әдіс бойынша екі не одан да көп электролиттер ерітіндіде химиялық реакцияласқанда және осы өнімнің бірі тұнбаға шөгінді күйінде түскенде қолданылады. Мысалы, Nа₂СОз + СаС1₂ = СаСО₃ + 2NаС1. Сондай-ақ, кейбір жоғары дисперстіліктегі ұнтақтарды өртеп, мысалы, мырыш оксидін, алады. Бұл реакция 300°С-та жүреді. Ал газ және сұйық отындарды оттек жеткіліксіз жағдайда жаққанда күйе алынады. Егер конденсациялык әдіс кезінде алынған зат ірі болса, оны ұнтақтайды.

Дисперлеу әдіс бұрында қарастырылған механикалық диірмен, коллоидты диірмен, ультрадыбысты аспаптармен берілген заттарды ұнтақтауға негізделген. Осында ұнтақталған заттарды електен өткізіп, оларды өлшеміне орай сұрыптайды. Ұнтақтардың өлшемін талдап, бақылайды. Ол үшін електен өткізу, седиментациялық және адсорбцияны өлшеу сияқты тәсілдерді пайдаланады.

Суспензия – қатты дисперстік фазаның сұйық дисперстік ортада таралған микрогетерогенді жүйе. Ондағы қатты бөлшектердің өлшемі 0,1 мкм<10 мкм. Егер бөлшектердің дисперстік дәрежесі төмен болса, онда оның радиусы үлкейіп, тұрақтылығы төмендейді де тез тұнбаға шөгеді. Суспензиялардың дисперстілігін микроскоп, электронды микроскоп сияқты оптикалық немесе седиментациялық анализ көмегімен анықтауға болады.

Суспензиялар да коллоидты ерітінділер сияқты конденсациялық немесе дисперсиялық тәсіл арқылы алынады. Осы процесс кезінде алынатын бөлшекті дисперстілік дәрежесі қажетті шекте болатындай етіп жүргізеді. Сондай-ақ, суспензиялар да коллоидты ерітінділер тәрізді өзінен өтетін жарықты шашыратады және жұтады, осы тұста ескертетін жай, жарық өткен коллоидты ерітінді мөлдір болып көрінеді. Оның электрокинетикалық қасиеттері коллоидты ерітіндінікіне ұқсас келеді. Сол секілді суспензиядағы бөлшектердің дзета-потенциалы зольдегімен шамалас. Егер суспензияға электролит енгізсе, онда оның ұю құбылысы байқалады. Кейбір жағдайда суспензияға беттік активті заттар немесе жоғары молекулалық қосылыстарды қосу арқылы оны тұрақтандыруга болады. Мұнда тиксотропия құбылысы коллоидты ерітіндідегіден гөрі артық.

Суспензиялардың табиғаттағы алар орны ерекше. Айтарлық, гео-логиядағы және жер қыртысындағы көптеген процестер суспензия құбылысымен байланысты: седиментациялық құбылыс салдарынан таутастан түрлі жыныстардың пайда болуы, өзен сулары арнасынан асқанда олар өзімен бірге көптеген сазды балшық пен құмды, қоқысты сыртқа шығарады және олар қоюлана келіп, қатты денеге айналады. Сол сияқты суспензиялар техникада да үлкен роль атқарады. Мысалы, табиғи не синтетикалық каучуктен резина алу үшін әуелі күкірттің каучуктегі суспензиясын дайындау керек; түрлі құрылыс және баспа бояулары олифа майында не органикалық еріткіштерде тұрақталған суспензия. Ал құрылыста жиі қолданылатын цемент пен ізбестің судағы “ерітінділері” де суспензия; саз балшықтын судағы суспензиясы керамика өндірісінін, негізгі шикі-заты.

Жоғары концентрлі суспензиялар – пасталар деп аталады.

Аэрозольдер дегеніміз дисперстік фазасы не сұйық, не қатты дене, ал дисперстік ортасы газ, әдетте, ауа болып келетін дисперстік жүйелер. Бұған тұман, түтін, шаң сияқтылар мысал болады. Аэрозольдердің дисперстілігі коллоидты бөлшектікінен кіші болғандықтан, ондағы бөлшектер ірілеу және біркелкі бола бермей; мысалы, темекі түтініндегі бөлшек өлшемі 0,1 – 1,0 мкм, тұмандікі (Н₂О) – 0,5 мкм.

Аэрозольдерді конденсациялық және дисперлеу тәсілдермен алады. Мұның арасында дисперлеу әдіс жиі қолданылады: электр өрісінде шашу; ауа қысымы арқылы тозаңдату; ультрадыбыс көмегімен тозаңдату; сұйықтарды ультрацентрифуга тәсілі бойынша тозаңдату.

Аэрозольдердің кинетикалық тұрақтылығы бөлшектердің өлшемімен анықталады. Аэрозоль бөлшектерінің шөгу жылдамдығы дисперстік ортаның тұтқырлығына тәуелді седиментациялық теңдеу арқылы анықталады. Мысалы, судан 1 сантиметр биіктіктен 10 минутта төмендейтін аэрозоль бөлшегі ауадағы осындай жолды бір секундта жүреді екен. Олар тұрақсыз болады, өйткені аэрозоль бөлшектері газбен де, сұйықпен де әрекеттеспейді. Ондағы бөлшектер космостық, гамма-ультракүлгін сәулелер әсерінен зарядталуы мүмкін. Әйтсе де ондағы заряд шамасы үлкен болмағандықтан, ол агрегацияға кедергі жасамайды. Ондағы зарядты жасанды жолмен арттыруға болады. Азрозоль бөлшектерінде коллоидты жүйелердегідей диффузиялық қабат болмайды.

Тұмандағы сұйық бөлшектер шар тәрізді болады, ал түтін мен шаңдағылар түрлі заттар мен кристалдардың сынықтарынан тұрғандықтан, олар аморфты және әр түрлі пішінді. Олар конденсация немесе диспергация негізінде туындауы мүмкін. Конденсациялық әдіс аэрозольдерді жоғары дисперстілікте және біркелкі етіп алуға мүмкіндік береді. Мысалы, газ күйіндегі хлорлы сутек пен аммиак қоспасынан қатты күйдегі ұнтақты аэрозольді алуға болады: НС1 + NН₃ = NН₄С1 (ақ түтін). Күкірт (VI) оксидін су буымен араластырғанда сұйық аэрозоль алынады: SО₃ + Н₂О = Н₂SО₄.

Аэрозольдердің пайда болуы беттік әнергияның едәуір артуымен байланысты болғандықтан, ол біраз энергетикалық кедергілерді жеңумен сәйкес келеді. Сондықтан да конденсациялық тәсіл кезінде біршама қаныққандық, яғни тепе-теңсіздік қажет. Мұндай жағдайда буды бірден конденсациялау керек. Табиғаттағы тұман осылайша туындайды. Егер жүйеде ұйтқы заттар болса, аэрозольдің түзілуі жеңілдейді.

Аэрозольдер коллоидты жүйелер сияқты жарықты шашыратады және олар Релей теңдеуіне бағынады. Осы кезеңде, дисперсті фаза мен дисперстік орталардың тығыздығы мен сыну көрсеткіштерінің айырмасы айтарлықтай өзгешелікте болуына байланысты аэрозольдердің оптикалық қасиетінің, әсіресе, жарық шашыратуының ерекше мәнде болатынын ескерген жөн. Оптикалық қасиетке негіздеп түтін пердесін қолданады. Олардың арасында фосфор (V) оксидінің орны ерекше. Оның жарықты шашырату және жұту қабілеті бірлік өлшем ретінде қабылданған.

Аэрозольдердің қолданбалық орны ерекше мәнді. Аэрозоль куйіндегі инсектицид өсімдіктерді түрлі зиянкестерден қорғайды. Сол сияқты медицина мен парфюмериядағы кейбір дәрі-дәрмектер, препараттар тек аэрозоль күйінде қолданылады.

Қейбір жағдайларда аэрозольдер теріс роль атқарады. Мысалы, металлургия, цемент, химия өндірісі сияқты салаларда әрі айналаны қоршаған ортаға зиянды, әрі құнды заттар түтін, шаң-тозаң құрамында сыртқа шығарылады. Атап айтқанда шамамен тәулігіне он мың тоннадай кенді өңдейтін мыс балқыту заводының мұржасынан көк түтінмен бірге айналаға 26 кг Аs₂S₃; 1,9 т Sb₂S₃; 1,9 т Сu; 2,2 т Рb; 2,8 т Zn; 0,4 т Ві шығады екен.

Соңғы кездері қоршаған ортаны қорғау адамзат денсаулығын сақтаумен тікелей сабақтас болып, ол мемлекеттік, дүниежүзілік мәні бар мәселе болып отыр. Жылу электр станциялары мен цемент заводтарының 2 км радиусында күн жарығы өзінің 29%-ке дейінгі сәулесін, ал ультракүлгінді бөлігі 65%-ін жоғалтады екен. Ал үлкен қалалардың үстіндегі күн жарығының қуаты 30-40%-ке төмендейді. Көмір, қант, үн, қағаз сияқты органикалық қосылыстардың аэрозольдары қопарылғыш келеді. Олар оттекпен жеңіл әрекеттесіп, көп мөлшерде жылу бөледі.

Өндірісте шаң-тозаңмен күресу үшін түрлі шаң ұстағыш камералар қолданылады. Аэрозоль ағымы үлкен камераға еніп, көлемі бірнеше есе үлкейіп, жылдамдығын жоғалтады. Осы кезде шаң-тозаңдар шөгеді. Сол секілді түрлі желдеткіш көмегімен аэрозольді кездемеден (матадан) жасалған сүзгіштер арқылы өткізеді де тазалайды. Циклондарда бұрандалы бағытпен қозғалған аэрозоль бөлшектері қабырғаға қақтығысып, жылдамдығын жоғалтады да төмен шөгеді. Соңғы кезде электр сүзгіштері де жиі қолданылуда. Аэрозоль тұрақты тоқ полюсінің арасынан өткенде, ондағы бөлшектер өзіне кері полюске тартылып бейтарапталып, төмен шөгеді. Ол үшін аэрозоль жоғары градиенттегі потенциалы бар (0,5 – 1)  В/см тоқ өрісінен өткізіледі. Осы кезде аэрозоль бөлшектері ионданады.

Эмульсия – екі сұйықтың бір-бірінде еріген микрогетерогенді системасы. Эмульсиядағы дисперсті фаза да, дисперстік орта да бірдей агрегаттық күйде, атап айтқанда сұйық коллоидты жүйе екен. Егер мұндай жүйелерді бірі екіншісінде ерімейтін сұйықтар құрайтын болса, онда ұзақ уақыт сақталады.

Эмульсиялардағы дисперсті фазаны құрайтын шар тәрізді бөл-шектердің өлшемі әр түрлі болады: кәдімгі көзге көрінетін бөлшектен бастап коллоидтық дәрежедегі дисперстілікке дейін эмульсиядағы дисперстік фазаның бөлшектері көбінесе 0,1 – 10,0 мкм аралығында болады. Сондықтан да оларды кәдімгі жай опгакалық микроскоп арқылы байқауға болады.

Эмульсиялар да суспензиялар тәрізді табиғат пен өндірісте кең таралған. Мысалы, сүт, жұмыртқаның сары уызы, құрамында дисперстелген суы бар мұнай, каучук өсімдіктерінің шырыны, салқын күйдегі металды өңдеуге қолданатын техникалық эмульсиялар және басқалар. Полимер өндірісінде эмульсиялық полимерлеу әдісі қолданылады.

Дисперстік ортаның рөлін су атқарып, дисперстік фаза ретінде – майлар, минералды майлар, бензол, толуол және басқалар қолданылатын эмульсиялар жиі кездеседі. Суда ерімейтін сұйықтардың бәрін “май” деп атап, оларды М әрпімен, ал суды В әрпімен таңбалайды. Дисперстік фазаның аталуын бөлшектің алымына, ал дисперстік ортаны бөлшіне жазады. Мысалы, майдың судағы эмульсиясы болып келетін кәдімгі сүтті, сол сияқты бензол немесе толуолдың да судағы эмульсияларын М/В деп белгілейді. Ал судың мұнайдағы және судың сары майдағы эмульсиялары В/М деп көрсетіледі.

Эмульсиялардың тұрақтылығы жайлы көптеген ғылыми-зерттеулер жүргізілген. Сүт тағамдарьш сақтағанда, түрлі салқындатқыш сусындар мен балмұздақты даярлағанда эмульсиялардың тұрақтылығы ескеріледі. Кейбір жағдайларда эмульсия тұрақтылығы нашарлап, құрамындағы сұйық фазаларды жеке бөліп алуға тура келеді. Мысалы, май мен судан тұратын сүттен сары майды, каймақты бөліп алу үшін, әрине эмульсияны бұзады.

Эмульсиялардың кинетикалық тұрақтылығы ондағы бөлшектердің өлшемімен сипатталады. Эмульсиялардағы бөлшектердің өлшемі мен массалары коллоидты ерітіндідегіден едәуір артық. Сондықтан да эмульсиялардың кинетикалық тұрақтылығын сипаттайтын бөлшек санының (концентрациясының) биіктікке қатынасы коллоидты ерітіндідегіден үлкен. Көптеген эмульсиялардағы дисперсті фазаның тығыздығы дисперстік ортаның тығыздығынан аз болатындығын ескерген жөн. Мұндайда эмульсиядағы бөлшектер тұнбаға түспестеп, сұйық бетіне қалқып шығуға тырысады. Әрине, осындай кезде дисперстік фазадағы бөлшектердің концентрациясы оның төменгі жағынан гөрі жоғарысында артықтау болатыны даусыз. Мысалы, сүтті сақтағанда, әсіресе, қайнатқаннан кейін оның бетінде қаймақты қабат пайда болады.

Әдетте, эмульсиялардың дисперстілік дәрежесіне тәуелді болатын седиментациялық тепе-теңдік жағдайындағы ауысу жылдамдығы коллоидты ерітіндідегіден артық. Эмульсиялардың тұрактылық дәрежесі түрліше мәнде болады, олар агрегативті тұрғыдан тұрақсыз. Эмульсиялык, системаның өздігінен дисперстік фазаға жиналып, ондағы жанасу шегінің пайда болуы, шар тәрізді бөлшектердің біріне-бірі түйісіп жабысуы арқылы жүреді. Мұндай құбылысты коалесценция дейді. Демек эмульсияның коалесценциясы ұюмен бірдей. Мысалы, су мен бензолдың бірдей мөлшерін альйі, шайқап араластырса, эмульсия пайда болады. Егер оны шайқауды тоқтатса, бірте-бірте бензол мен судың ұсақ бөлшектері біріге келіп, екі қабатқа бөлінеді.

Эмульсия құрамына енетін фаза арасындағы жанасу шектігі беттік керілу жоғарылаған сайын, олардың агрегативті тұраксыздық дәрежесі артып, полярлілік дәрежесіндегі айырмашылық көбейеді. Жанасу шегіндегі беттік керілу айырмашылығы өте аз болатын екі сұйық фазаны тауып алуға болады. Мысалы, фенол мен су өзара бірі-бірінде шекті араласып ериді. Қалыпты жагдайда фенолдың судағы және фенолдағы ерітінділері құрамдары айтарлықтай өзгеше болады. Егер осы екі ерітіндіні алып, олардың температурасын жоғарылата бастаса, онда олардың құрамдық мөлшері біріне-бірі жақындай түседі де, жанасу шектегі беттік керілу азаяды. Осы қоспа критикалық температурада (65,5°С-та) бір-бірінде тең араласып ериді және осы сәтте олардың жанасу шегіндегі беткі керілу нөлге тең болады. Мұндай ерітінділерден пайда болған эмульсиялар термодинамикалық тұрғыдан алғанда өте тұрақты және бұл жай олардың агрегативті тұрақтылығын анықтайды.

Эмульсияларды агрегативті тұрақтылығына орай үлкен екі топқа бөледі: сұйытылған және концентрлі. Бүкіл эмульсия көлеміндегі дисперсті фазаның үлесі 0,1%-тең аспайтын болса, оны бірінші топқа, яғни сұйытылған эмульсиялар тобына жатқызады. Бұған бу машиналарындағы минералды майлардың конденсаттағы эмульсиясы мысал болады. Мұндай эмульсиядағы дисперстік фаза тамшысының бетінде адсорбцияланған иондардың болуы оны коалесценциядан сақтайды. Сондай-ақ, эмульсияның электрокинетикалық потенциалы айтарлықтай жоғары болса, онда мұндай жағдайда да коалесценция процесі жүрмейді. Концентрленген эмульсияларда дисперстік фазаның көлемі үлкен болуы мүмкін. Монодисперсті эмульсиялардағы дисперсті көлемі кеміне 74%-ін алады. Бірақ, кейде мұндай эмульсиялар әрі полидисперсті, әрі дисперсті фазаны құрастыратын тамшылар түрлі күш әсерінен түрін өзгертіп, майысатындықтан, оның көлемі 99%-ке, кейде 99,9%-ке жетеді. Концентрлі эмульсиялар бөлшектің электр заряды болса да тұрақсыз болады.

Эмульсиялардың тұрақтылығын арттырып, коалесценция құбылысын болдырмау үшін оларға эмульгатор деп аталатын заттар қосады. Эмульгатор ретінде молекула құрамындағы полюсті және полюссіз тобы айқын көрінетін беттік активті заттар мен жоғары молекулалык қосылыстар қолданылады. Эмульсиядағы шар тәрізді тамшы үстіне адсорбцияланған беттік активті заттардың молекулалары өздерінің полюсті жағымен полюссіз сұйыққа, ал полюссіз жағымен полюсті сұйыққа бағытталып орналасады. Мұның нәтижесінде тамшы үстінде екі өлшемді, құрылымдық кристалл тәрізді қабықша пайда болады. Бұған кәдімгі сабын көбікшелері мысал болады. Суды қаншама көпіртсе де, сабын болмаса ондай көбік тұрақсыз және сол сәтте-ақ жойылады. Ал, сабын көбігінен түрлі өлшемдегі шар үрлеуге болады және олар едәуір механикалық әсерге шыдайды.

Эмульгатор көмегімен тұрақтандырылмаған сұйық эмульсияларды бұзу үшін, оларға шамалы ғана электролит қосса жеткілікті, осы кезде эмульсияның электрокинетикалық потенциалы төмендеп, ол оңай бұзылады. Мысалы, бу машинасында пайда болатын конденсатты эмульсияны бұзу үшін, оған қосады. Мұндағы май тамшысының зарядын анықтайтын кері ион рөлін немесе иондары атқарады. Кейде, эмульсияларды бұзу үшін, оған беттік активті заттарды деэмульгатор ретінде қосады.

Күнбағыс майы мен суға гидрофилді тұрақтандырғыш ас тұзын қосып шайқаса, М/В тектегі ақ түсті сұйық эмульсия түзіледі. Гидрофильді ас тұзының орнына гидрофобты кальций хлоридін қосса, В/М тектегі ашық сары түсті, тұтқыр эмульсия пайда болады. Егер осындай ас тұзымен тұрақтандырылған М/В тектегі эмульсияға кальций хлориді мен ас тұзының сәйкес 5: 1 мөлшерін қосса, онда эмульсия В/М тектегі эмульсияға айналады. Ал кальций хлориді мен ас тұзы мөлшері сәйкес 4 : 1 болса, онда эмульсия тұрақсыз болады. Мұндай майдың тамшысында судың бірнеше түйіршіктері пайда болады. Одан әрі осы судың әрбір тамшысында май түйіршіктері пайда болуы мүмкін.

Берілген эмульсия тегін анықтаудың бірнеше тәсілі бар. Айтарлық, берілген эмульсия үлгісінде суда жақсы еритін мысалы, метиленді көк бояуын қосады. Егер эмульсия М/В текте болса, онда микроскоп арқылы карағанда судың көк бояуымен қатар майдың түссіз тамшысы көрінеді. Ал егер В/М тектегі эмульсия болса, онда түссіз май тамшысының тұсында судың көк бояуы байқалады. Мұндайда судың барлык тамшыларының бояла беруі шарт емес. Сондай-ақ эмульсия тегін анықтау үшін оның электр өткізгіштігін өлшеу де қолданылады. М/В тектегі эмульсиялар электр тоғын өткізеді, өйткені ондағы үзіліссіз фаза су. Ал үзіліссіз фазасы май болатын В/М тектегі эмульсиялар электр тоғын өткізбейді.