-дәріс. Коллоидты ерітінділерді алу және тазалау әдістері

Жоспар

А. Дисперстік әдістер

1. механикалық әдіс

2. ультрадыбысты әдіс

Ә. Конденсациялау әдістері

1. физикалық

2. химиялық

Б. Электрлік әдіс

В. Пептизация әдісі

Г. Өздігінен диспергациялану әдісі

2. Коллоидты ерітінділерді тазалау әдістері

1. диализ

2. электродиализ

3. ультрасүзу 

Затты ұнтақтап конденсациялау әдістерімен коллоидты бөлшектер алуға болады. Коллоидты ерітіндідегі бөлшектер бірімен-бірі өзара қақтығысқанда, олардың жабысып, іріленуіне кедергі болатын тұрақтандырғыштардың (стабилизаторлардың) болуы қажет (мысалы, электролит иондарының коллоидты бөлшектің бетіндегі ионды-гидратты қабықша). Коллоидты бөлшектер дисперстік ортада (еріткіште) нашар еруі керек. Осы айтылған, жайдың бәрі бірдей орындалғанда коллоидты системадағы бөлшектердің тұнбаға түсуіне кедергі болатын электр заряды мен гидратты қабықша пайда болады.

А. Дисперстік әдістер. Дисперстік әдіс берілген үлкен қатты затты майдалап, сосын, оны ұнтақтап, коллоидты-дисперсті бөлшектерге дейін кішірейтуге бағытталған. Мұның өзін бірнеше әдіспен жүзеге асырады. 

Механикалық әдіс. Механикалық әдіс берілген қатты заттың үлкен бөлшектерін ұзақ және тоқтаусыз, әрі жылдам ысқылау, ұнтақтау сияқты механикалық жолмен кішірейтуге бағытталған. Бұл арнайы машиналармен жүзеге асырылады, шары бар және коллоидты диірмендер қолданылады. Шары бар диірмен – (техникада оны шарлы, шарлық диірмен дейді) ішінде әртүрлі өлшемдегі болат не фарфор, тіпті кейде басқа да қатты заттардан әзірленген шары бар, іші қуыс болат цилиндр. Әдетте диірмен ішіндегі мен шариктер біртекті және ұнтақталатын заттан едәуір қатты болады. Осындай диірмен ішіне дисперстелетін зат пен түрлі өлшемдегі шарлар бірге салынады да белгілі жылдамдықпен, электромотор көмегімен айналдырылады. Ондағы ұнтақталу шар көмегімен жүзеге асады. Мұндай диірмендер әр түрлі дисперстелген жүзгіндерді алу үшін кеңінен пайдаланылады. Әйтсе де бұл диірменде ұсақталған заттардың дисперстілік дәрежесі төмен, ондағы бөлшектердің диаметрі – 50-60 мкм шамасында.

Егер дисперстік дәрежесі жоғары зат керек болса, онда арнаулы коллоидты диірмен пайдаланылады. Мұндай коллоидты диірменнің бір түрін Плауссон 1920 жылы ұсынды. Ол – іші қуыс цилиндр, ішіндегі қалақшалары бар ротор минутына 20 мыңға дейін жылдамдықпен айналады. Диірмен ішкі будырлы бөлігі мен ротор қалақшасы арасына түскен зат біліктің жылдам айналуынан ұнтақталады (ұнтақталу дәрежесі 0,1 – 1,0 мкм). Ұнтақталған бөлшектердің өзара бірігіп, жабысып қалмауы үшін тұрақтандырғыштар қосады.

Электродиализатор: 1-орташа камера; 2-мембраналар; 3-катодтық камера; 4- араластырғыш; 5-анодтық камера.

Ультрадыбысты әдіс.  Соңғы кезде заттарды ультрадыбыс әдісі мен ұнтақтау кең таралуда. Ультрадыбыстың әсер етуші механизмі әлі де болса толық зерттелмегендіктен, оның кейбір жайы мен мәні түсініксіз. Сұйық бөлшектері системадағы өте тез ауысатын қысым мен кеңеюі салдарынан бөліне келіп, ұнтақталуы мүмкін деген болжамдар бар. Ультрадыбысты қондырғылардың өнімдігі аса жоғары 

Ә. Конденсациялау әдістері.  Конденсациялау әдісінің екі түрі болады: физикалықжәне химиялық конденсация. Физикалық конденсация еріткіштерді ауыстыруға негізделген әдіс. Нағыз ерітіндінің еріткішін басқа еріткішпен алмастырғанда жаңадан пайда болған ерітіндіде ерімейтін аса жоғары дисперсті фазадағы коллоидты система туындайды. Мысалы, кәдімгі ағаш шайыры спиртте өте жақсы еріп, нағыз ерітінді түзеді. Осы ерітіндіге таза суды біртіндеп қосса, онда бастапқы нағыз ерітінді коллоидты ерітіндіге айналады. Мұнда спирт суда жақсы ериді де, ағаш шайыры спиртте жақсы ерігенімен суда нашар еритіндіктен, аса жоғары дисперсті фазадағы колоидты ерітіндіге айналады. Осындай әдіспен күкірттің, фосфордың, ағаштан алынатын хош иісті қарамайдың, полимерлердің, тағы да басқа көптеген заттардың коллоидты түрін алуға болады.

Химиялық конденсация - нәтижесінде ерімейтін немесе қиын еритін заттар түзілетін ерітіндідегі химиялық реакцияны жүргізуге негізделген әдіс. Басым көпшілігі тотығу, тотықсыздану, гидролиз, алмасымды сияқты химиялық реакцияларға негізделген. Бұл реакциялар кезінде ерітінділер еріген заттардың ерімейтін күйге ауысуы нәтижесінде коллоидтыға түрленеді. Сондай-ақ, конденсациялау әдісі химиялық реакциялармен қатар олардың конденсациялануы сияқты физикалық құбылыстарымен де сипатталады. Конденсациялау әдістерінің маңызды түрлеріне қысқаша тоқталайық.

Тотығу. Тотығу реакциясы кезінде алынатын заттардың бірі коллоидты күйдегі бөлшек түрінде түзіледі. Мысалы, сутекті күкірттің оттек немесе күкірт (IV) оксидімен тотығу реакциясын алуға болады. Осы реакция кезінде бөлінетін бос күкірт коллоидты күйдегі ерітінді береді:

2H2S + O2 = 2H2O + 2S; 2H2S + SO2 = 2H2O + 3S (1)

Көптеген зерттеулер көрсетіп отырғандай, бұл реакция жайғана тотығу реакциясы сияқты емес, өте күрделі жүріп, қосымша тиоқышқылдар пайда болады екен. 

Тотықсыздану. Коллоидты ерітінділерді химиялық әдістер арқылы алу жолдарының арасында, әр түрлі ерітінділердегі металдарды тотықсыздандыру реакциясы кең таралған. Бұл реакция кезіндегі металл иондары тотықсызданып, бос атомға айналады да, конденсацияланып немесе өзара бірімен-бірі бірігіп, коллоидты өлшемдегі бөлшекке дейін үлкейеді. Бұған мысал ретінде сутек пероксиді немесе формалин арқылы тотықсыздандырып, алтын золін алуда келтіруге болады:

HAuCl4 + 3H2O2 → 2Au +8HCl + 3O2 (2)

2HAuCl4 + 3HCHO + 11KOH → 2Au + 3HCOOK + 8HCl + 8H2O (3)

Тотықсыздандыру реакциясын пайдаланып, күміс, платина, палладий, торий, осмий, сынап сияқты көптеген металдардың коллоидты күйдегі ерітінділері алынады.

Алмасымды ыдырау. Күрделі екі химиялық қосылыс өзара әрекеттескенде, әуелі иондарға ыдырап, сосын иондарымен алмасады. Осы кезде жаңадан түзілетін қосылыстардың бірі ерітіндіде еріместен тұнбаға шөгінді ретінде түсуге бейімді. Егер осындағы мұндай заттарды коллоидты өлшемдегі бөлшек қалпында ұстаса, онда осы қосылыстың золі пайда болады.

BaCl2 + K2SO4 → BaSO4 ↓ + 2KCl (4)

AgNO3 + KCl → AgCl ↓ + KNO3 (5)

Мұндағы барий сульфаты мен күміс хлориді тұнбаға түседі. Ал осы ерітінділерді өте төменгі концентрция кезінде араластырса, онда бүкіл ерітінді көлеміне бірдей таралған өте ұсақ түйіршіктер пайда болады. Осы бөлшектерді тұрақтандыру үшін желатин ерітіндісін қосса, ол әлгі бөлшектерді сыртынан орап, біріктірмейді. Мінеки, осындайдан тұрақты коллоидты ерітінді туындайды.

Гидролиз. Көптеген металдардың тұздары жеңіл гидролизденіп, металл гидроксиді мен қышқылға ыдырайды. Осындай реакция кезінде пайда болатын металл гидроксидтері нашар еритін болса, онда түрлі коллоидты ерітінді шығады. Мысалы, өте әлсіз негіз бен аса күшті тұз қышқылының тұзы – темір (III) хлориді гидролиз реакциясы арқылы нашар еритін темір (III) гидроксидіне және тұз қышқылына ыдырайды:

FeCl3 + 3H2O → Fe(OH)3 + 3HCl (6)

Fe(OH)3 + HCI → FeOCl + 2H2O (7)

Осы реакция кезінде пайда болатын темір тұзы (FeOCI) ішінара иондарға диссоциацияланады: FeOCl ↔ FeO+ + Cl-. Осы иондар темір (III) гидроксидінен тұратын бөлшектердің айналасында болатын ионогенді қабатпен қамтамассыз етіледі және осының салдарынан да олар ерітіндіде қалқып, жүзгін түрінде жүреді, яғни тұнбаға түспейді.

Б. Электрлік әдіс. Бұл әдісті 1898 жылы Бредич ұсынған болатын. Көбінесе электрлік әдісті асыл металдардың коллоидты ерітінділерін алу үшін қолданылады. Әдетте, платина, алтын, күміс сияқты коллоидты ерітінділер алынатын асыл металдардан әзірленген су ішіндегі екі электрод арасында электр доғасын тудырады. Осы кезде электрод арасында пайда болған электр доғасының әсерінен шыққан өте жоғары температурада әуелгі асыл металл балқып буланады да, су ішінде салқындап, өлшемі коллоидты бөлшек шамасындағы дисперсті фаза құрайды. Бүкіл процесс сумен салқындату арқылы жүргізіледі. 

В. Пептизация әдісі. Іс жүзінде суда ерімейтін көптеген тұнбалар кейбір заттар әсерінен коллоидты ерітіндіге айналады. Ақуыздардың пепсин әсерінен еруін пептизацияға сырттай ұқсатып, осы терминді алғаш Грэм енгізді. Пептизация тұнбаны шаю кезінде немесе арнайы заттар – пептизаторлар қосу кезінде жүреді. Бұл кезде тұнбадан коагуляциялаушы иондар кетіріледі немесе иондар тұнбаның коллоидты бөлшектерінің бетіне адсорбцияланады. Бұл қос электр қабатының түзілуіне немесе коллоидты бөлшектердің айналасында сольватты қабаттың пайда болуына әкеледі. Түзілген қабат бөлшектер арасындағы жабысу күшін әлсіретеді. Осылайша босаған бөлшектер жылулық қозғалыс есебінен сұйықтық көлеміне еркін таралады. Яғни, пептизация коагуляция процесіне кері процесс деп айтуға да болады.Пептизацияға рекристаллизация және ескіру процестері кедергі келтіреді. Тұнбаны пептизациялап лиозоль алу үшін бөлшектің барлық беті адсорбцияланған пептизатормен қапталуы шарт емес. Мысалы Фаянс күміс бромидінің тұрақты золі түзілу үшін оның бөлшектерінің бетін пептизатор ретінде қосылған бромид ионы бар электролит тек ¼ не 1/10 бөлігін қаптаса жеткілікті екенін анықтады. Алайда пептизатор мөлшеріне алынған зольдегі бөлшектер дисперстілігі тәуелді: пептизатордың аз мөлшері қосылса бірнеше біріншілей бөлшектерден тұратын жоғары ретті бөлшектер, ал пептизатордың көп мөлшері қосылса жекелеген біріншілей бөлшектер түзіледі. Жүйені араластыру және температурасын көтеру пептизация жылдамдығын арттырады.Пептизация кезінде пептизацияланған зат мөлшері, алынған тұнба және пептизатор арасында белгілі бір тәуелділік байқалады. Бұл тәуелділікті Во. Оствальд және Бузаг зерттеген. Ол тұнба ережесі деп аталады. 
Пептизация тікелей және жанама деп екіге бөлінеді. Егер түйіршік бетіне оларды ажыратпас (бөлмес) бұрын қосылған пептизатор (дәлірек айтсақ, оның иондары) адсорбцияланса, ол тікелей пептизация деп, ал түйіршік бетіне пептизатордың дисперсті фаза заттарымен әрекеттесуінің нәтижесінде алынған өнімі (дәлірек айтсақ, тағы да алынған пептизатор иондары) адсорбцияланса, ол жанама пептизация деп аталады. 

Г. Өздігінен диспергациялану әдісі. Кейбір жағдайларда сұйық ортада қатты немесе сұйық заттар өздігінен диспергацияланып, екіфазалық, термодинамикалық тұрақты коллоидтық немесе микрогетерогенді жүйе түзеді. Мұндай жүйелерді П.А. Ребиндер лиофильді жүйелер деп атады. Себебі бұл жағдайда дисперсті фаза мен дисперсті орта арасында күшті өзара әрекеттесу байқалады. Мұндай жүйелерге критикалық температураларға жақын температураларда өздігінен түзілетін эмульсиялар, парафиндердің көмірсутектердегі дисперсті зольдері, эмульсолдар деп аталатын сабын мөлшері көп (10-40%) көмірсутектердің немесе сабынтәрізді беттік активті заттардың сулы ерітінділері жатады. өздігінен диспергациялану σ1,2 < σкрит≈0,01эрг/см2 болатын коллоидты жүйелерге тән. Жоғары молекулалық қосылыстардың гидрофобты зольдері мен ерітінділерін алу кезінде олар түрлі қосымшалармен ластанады; көбінесе мұндай системада бастапқы электролит кездеседі; системаға артығымен қосылатын тұрақтандырғыштармен ластанады. Тұрақты колоидты ерітінді алу үшін оларды жоғарыдағыдай қажетсіз заттардан тазарту керек. Енді жоғары молекулалық қосылыстардың және басқа да коллоидты системалар мен ерітінділерді тазалаудың кейбір түрлерін қарастырайық.

Коллоидты системаларды тазарту

1. Диализ. Жартылай сіңіру қабілеті бар кеуек арқылы өтетін қоспалардан коллоидты ерітінділерді арылту әдісін диализ дейді. Бұл өте қарапайым және жеңіл әдісті Грэм ұсынған болатын. Диализ әдісі коллоидты ерітіндіні тазалағанда жартылай өткізілетін кеуектен нағыз ерітінділер өтеді де, ал бөлшек өлшемі ірілері сүзіліп, өтпей қалу құбылысына негізделген. Диализ жүргізілетін қондырғыларды диализатор деп атайды. Ол үлкен науа ішіндегі жартылай өткізетін кеуектен жасалған қалтадан тұрады. Қалта ішіне коллоидты ерітінді құйылады да, науа ішінде ылғи су ағызылып тұрады. Осы кезде кеуектен өткен қоспа ерітінділер су мен ауадан ағып кетеді. Қалта ішіндегі және сыртындағы ерітінді концентрация айырмасы артқан сайын диализатордың өнімділігі жоғарылай түседі. Диализатордың басты кемшілігі диализ процесінің баяу жүретіндігінде. Жартылай өтізгіш мембранадан өткізу арқылы коллоидты бөлшектерді ұстап қалу қасиетіне негізделген коллоидты ерітінділерді иондар мен молекулалар қоспаларынан тазарту әдісін диализ деп атайды. Қолданылатын аспап диализатор деп аталады. Қарапайым диализатордағы диализ көп уақытты алады. Кейінгі кезде коллоидтарды электролиттерден жылдам әрі толығымен тазартатын электродиализ әдісі қолданылуда. Бұл тұрақты токты қолдана отырып электродиализаторда (екі мембрана арқылы үш бөлікке бөлінген ыдыс) жүргізіледі. 

2. Электродиализ. Бұл – диализ әдісін электр тоғын пайдаланып, жеделдетілген әдіс. Әр түрлі үлгі бойынша құрастырылған электродиализаторлардың жұмыс істеу негізі бір. Ол ішкі қабырғылары жартылай өткізетін қабілеті бар кеуектен жасалған үш науадан тұрады. Осы үш науаның ортасындағысына тазаланатын коллоидты ерітінді, ал сыртқы екі науаға ағын су – еріткіш құйылады. Сыртқы науа ішіндегі электродқа тұрақтыток кернеуі беріледі. Ондағы потенциал 2–5·103 В/м-деп кеміген кезде, коллоидты ерітіндідегі әрбір ион өзіне сәйкес келетін полюстегі электродқа қарай бағытталады. Кеуек арқылы тек иондар ғана өткендіктен, коллоидты ерітінді өзіндегі қосымша электролиттерден тазалана бастайды. Кәдімгі жай диализаторлардағы тазарту процесі тәулектетіп жүрсе, ал электродиализаторлардағы бұл процесс өте жылдам өтеді және еріткіш шығымы барынша азаяды. Соңғы кезде электродиализ әдісі биохимияда, медицинада, тамақ өнеркәсібінде жиі қолданылуда. Коллоидты ерітінділерді жартылай өткізгіш мембрана арқылы фильтрлеу жолымен дисперстік фазаны дисперстік ортадан бөлу процесін ультрафильтрация деп атайды. Ультрафильтрация кезінде коллоидты бқлшектер фильтрде (мембранада) қалады, ал құрамында электролиттері бар фильтрат еріткішке өтеді. 

3. Ультрасүзу. Ультрасүзу деп қатты, қуысты денеге арнайы бекітілген жартылай өткізгіштік қабілеті бар кеуек сүзгіштер арқылы коллоидты ерітіндіні сүзу процесін айтады. Кәдімгі сүзгіш қағаз арқылы коллоидты ерітінділер оңай өтетіндіктен, ультрасүзу кезінде арнаулы целлофан немесе коллоид сіңірілген сүзгіш қағаздар пайдаланылады. Әдетте, ультрасүзу процесі үлкен қысымда не вакуумда жүргізіледі. Мұндайда не сығу, не сору құбылыстары пайда болып, олар сүзу ісін тездетеді және осы кезде дисперсті фаза, яғни коллоидты бөлшектер сүзгіште қалады да, «керексіз ерітінді» сүзгіштен өтеді. Ультрасүзу әдісі жоғары молекулалық қосылыстардың зольдері мен ерітінділерін концентрлеу үшін жиі қолданылады. Бұл әдіс, әсіресе, коллоидты система температураға төзімсіз болған жағдайда аса құнды. Ультрасүзу кезінде тек белгілі дисперстік дәрежедегі коллоидты бөлшектерді өткізетін сүзгіштерді қолдану арқылы олардың өлшемін анықтап, сұрыптауға да болады. Осы негізге сүйене келіп, көптеген вирустар мен бактериялрдың өлшемі алғаш рет дәл анықталған. Соңғы кезде электродиализ және ультрасүзу әдісі бір қондырғыда біріктіріліп қолданылуда. Мұндай құрама әдісті электроультрасүзу дейді. Әрине, оның жылдамдылығы өзіне дейінгі әдістегіден едәуір жоғары.

Негізгі түсініктер: диспергация әдісі, конденсация әдісі, ультрадыбысты әдіс, механикалық әдіс, тотығу, тотықсыздану, алмасымды ыдырау, гидролиз, еріткішті ауыстыру, электрлік әдіс, пептизация әдісі, өздігінен диспергациялану әдісі, диализ, электродиализ, ультрасүзу. 

Өзін-өзі бақылау сұрақтары:

1.Коллоидты ерітінділерді алу әдістері

2.Коллоидты ерітінділерді тазалау әдістері

3.Диализ, электродиализ, ультросүзу әдістерінің қолданылуы