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

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)

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

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

Vlastnosti disperzních soustav Hrubá disperze Koloidní disperze Pravý roztok Průchod membránami  Semiperme-abilní neprochází + Viditelnost částic oko, optický mikroskop elektronový mikroskop Sedimentace ultracentrifuga Tepelný pohyb malý střední velký

Vlastnosti disperzních soustav Hrubá disperze Koloidní disperze Pravý roztok Koligativní vlastnosti  malé velké Difuse pomalá rychlá Optické vlastnosti často neprůhledné opalescence (Tyndallův jev) čiré Oddělitelnost papírový filtr membránové filtry nelze (důkaz analyticky)

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

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

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.

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

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

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

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

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)

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)

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.

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

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)

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.

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 koncentrací m

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.

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

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

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)

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)

Disociace elektrolytů silné elektrolyty – 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- K = [B+] [A-] [AB]

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

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)

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

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)

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).

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)

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

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