Dispersní soustavy a koloidní systémy

1. Dispersní soustavy a koloidní systémy Jana Novotná Ústav lék. chemie a biochemie

2. 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)

3. dispergování hrubá disperze > 500 (1000) nm koloidní disperze 1 – 500 (1000) nm pravý roztok < 1 nm mikroheterogenní systémy (plazma, půdní a makromo-lekulární roztoky) homogenní systémy roztoky solí, kyselin a bází heterogenní systémy (krev, mléko) koagulace(flokulace) kondenzace,agregace Typy disperzních soustav

4. 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

5. Vlastnosti disperzních soustav

6. Vlastnosti disperzních soustav

7. 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

8. 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

9. 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.

10. 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

11. 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

13. 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

14. Záporný náboj S2- nebo HS- je kompenzován opačným nábojem z roztoku (H+) Přidáním elektrolytu se hydrofobní koloid shlukne do větších celků – flokulace, koagulace (vločky)

15. 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)

16. 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)

17. 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.

18. 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

19. Roztoky • dispergovaná fáze - jedna nebo více rozpuštěných látek • disperzní prostředí – rozpouštědlo Typy 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)

20. 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.

21. 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 f = objemová procenta, • látkovou koncentrací c, • molální koncentracím

22. 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.

23. 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 xAa molární procenta (mol.%) a objemový zlomek fA (obj. %)

24. 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 mAsložky A = látkové množství/hmotnost rozpouštědla mA = nA / mr [mol.kg-1]

25. 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)

26. 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)

27. [B+][A-] = K [AB] Disociace elektrolytů • silnéelektrolyty – 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) AB  B+ + A-

28. Iontová síla roztoků Roztoky silných elektrolytů: • vzdálenost iontů při vyšší koncentraci ↓ , • iontová síla - veličina charakterizující celkovou „koncentraci náboje” v roztoku, vyjadřující celkovou velikost elektrostatických interakcímezi ionty v roztoku. I = ½ ∑ m . z2 m – koncentrace (mol.l-1), z – počet nábojů, ∑ - pro všechny volné ionty

29. 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 Dc/l (Dc = rozdíl koncentrací, l = tloušťka membrány)

30. 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

31. Osmotický tlak • Úměrný látkové koncentraci rozpuštěných částic (bez ohledu na velikost). • Látky disociující – podílí se na osmotickém tlaku samostatně p = iRTc i –počet disociující částic, c – koncentrace v mol.l-1, T – teplota v kelvinech, R – plynová konst. pro 0,15M NaCl při 37C 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)

32. Osmotický tlak Roztoky hypotonické a hypertonické Hemolýza • 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).

33. 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)

34. 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

35. 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