«Коллоидные системы: их типы, свойства и значение для организма»

Ставропольская краевая открытая научная конференция школьников

Секция: химия

Название работы: «Коллоидные системы: их типы, свойства и значение для организма»

                                            Автор работы: Корнилова  Екатерина

                                                       Место выполнения работы:  г. Новоалександровск                                                                                      

                                                                           МОУ СОШ №12,  8 «А» класс                                                                                      

                                                       Научный руководитель: Семёнычева Лариса Витальевна

                                                                           учитель химии МОУ СОШ №12

г. Новоалександровск. 2012

Содержание

Введение                 ………………………………………………………………………….….  3

Основная часть

Теоретическая часть   ………………………………………………………………………….  4

1.1.Типы  коллоидных  растворов

1.2.Способы  получения.

1.3.Основные свойства   коллоидов

1.4. Способы очистки: а) диализ   б) электродиализ     в) ультрафильтрация

1.5.  Значение.

Экспериментальная часть   …………………………………………………………..      стр. 7

Заключение   …………………………………………………………………………..      стр. 8

Библиографический список  …………………………………………………………      стр. 9

Приложения

Введение.

 Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Смеси веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы. Гетерогенные системы (дисперсные), в  которых одно вещество в виде очень мелких частиц распределено в объеме другого. Гомогенная система (растворы), если вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм.

Коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными

системами и истинными  растворами. Они широко распространены в природе.

Глобальная роль коллоидов в естествознании заключается в том, что они являются основными компонентами таких биологических образований как живые организмы. Все вещества организма человека представляют собой коллоидные системы. Существует целая  наука коллоидная химия. Мне захотелось узнать, почему природа  отдает  предпочтение именно коллоидному состоянию?

С учётом этого был разработан проект: «Коллоидные системы: их типы, свойства и значение для организма». Работу над проектом мы начали заранее, провели литературный поиск, собрали папку материала. Накопленный материал обработали и систематизировали В связи  с этим вытекает следующее цель и задачи:

Цель работы: выяснить, что собой представляют коллоидные системы, какими                

                          свойствами они обладают.                                                                                                                        

Задачи:  1. Изучить литературу  о коллоидных системах.

          2. Провести экспериментальные опыты  по изучению свойств коллоидных    

              растворов.

3. Сформулировать ответ на вопрос: почему природа отдает предпочтение    

    именно  коллоидному состоянию.

Объект исследования:  коллоидные системы.

Предмет исследования:  свойства  коллоидных систем.

1.1. Типы  коллоидных растворов.

Термин «коллоид»  ввел  в 1861 году английский химик Томас Грэм. Он обнаружил, что растворы желатина, крахмала и других клееподобных веществ очень отличаются по ряду свойств от растворов неорганических солей и кислот. По-гречески «коло» - клей; так появилось это название. Правильно говорить  не о коллоидных веществах, а о коллоидных системах. Этот термин ввел русский ученый П.П. Веймарн в 1908 году. Коллоидные системы очень разнообразны.   (приложение №1)

Частицы коллоидных размеров могут иметь различную внутреннюю структуру. Существует три типа внутренней структуры первичных частиц коллоидных размеров.

I тип - суспензоиды (или необратимые коллоиды, лиофобные коллоиды). Коллоидные растворы металлов, их оксидов, гидроксидов, солей. Первичные частицы дисперсной фазы не отличаются от структуры соответствующего вещества, имеют молекулярную или ионную решетку. Это высокодисперсные системы, с развитой межфазной поверхностью. От суспензий они отличаются дисперсностью. Их назвали так потому, что, они не могут длительно существовать без стабилизатора. Они необратимыми, так как, не образуют вновь золя при контакте с дисперсионной средой. Лиофобными (греч «лиос»- жидкость, «фобио»- ненавижу) их назвали, из-за слабого взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды. Вязкость этих золей отличается от вязкости дисперсионной среды.

Лиофобные золи, могут быть получены: методом диспергирования (измельчения крупных тел), и методам конденсации веществ. Устойчивые дисперсные системы состоят из трех компонентов:1. дисперсионной среды; 2. дисперсной фазы; 3.стабилизатора.

Стабилизатор имеют ионную, молекулярную, или высокомолекулярную, природу.

II тип – ассоциативные (мицеллярные коллоиды) - полуколлоиды. Частицы этого типа возникают при достаточной концентрации дифильных молекул низкомолекулярных веществ в агрегаты молекул – мицеллы. Мицеллы - скопления правильно расположенных молекул, удерживаемых дисперсионными силами. Образование мицелл характерно для водных растворов моющих веществ и некоторых органических красителей. В других средах, эти вещества растворяются с образованием молекулярных растворов.

III тип - молекулярные коллоиды - лиофильными (греч «филио»- люблю). К ним относятся природные и синтетические высокомолекулярные вещества с молекулярной массой от десяти тысяч до нескольких миллионов. Молекулы этих веществ имеют размеры коллоидных частиц, поэтому такие молекулы называют макромолекулами.

1.2.  Получение  коллоидов.

Для получения молекулярных коллоидов достаточно привести сухое вещество в контакт с растворителем. Неполярные макромолекулы растворяются в углеводородах (каучуки - в бензоле), а полярные макромолекулы - в полярных растворителях (белки - в воде и в растворах солеи). Это обратимые коллоиды потому, что после выпаривания их растворов и добавления новой порции растворителя сухой остаток вновь переходит в раствор.

Растворение макромолекулярных коллоидов проходит через стадию набухания. При набухании молекулы растворителя проникают в твердый полимер и раздвигают макромолекулы. Набухание может быть неограниченным,  конечным его результатом является переход полимера в раствор, и ограниченным, если набухание не доходит до растворения полимера. Ограниченно набухают полимеры с особой, “трехмерной” структурой. Набухания полимера является важной стадией в производстве многих материалов (дубление сыромятной кожи, вулканизация каучука).

1.3. Основные свойства Коллоидов

Главная особенность коллоидных частиц - их малый размер d:1 нм < d < 10мкм

1.4. Способы  очистки коллоидов.

Существуют три основных способа очистки  коллоидов.

1) Диализ. Простейшим прибором для диализа - диализатором - является мешочек из полупроницаемого материала (коллодия), в который помещается диализируемая жидкость. Мешочек опускается в сосуд с растворителем (водой). Периодически или постоянно меняя растворитель в диализаторе можно практически полностью удалить из коллоидного раствора примеси электролитов и низкомолекулярных неэлектролитов.

 2) Электродиализ - процесс диализа, ускоряемый действием электрического тока. Электродиализ применяют для очистки коллоидных растворов, загрязненных электролитами. Если необходима очистки коллоидных растворов от низкомолекулярных неэлектролитов, процесс электродиализа малоэффективен. Процесс электродиализа мало отличается от обычного диализа.

3) Ультрафильтрация - фильтрование коллоидных растворов через полупроницаемую мембрану, пропускающую дисперсионную среду с

низкомолекулярными примесями и задерживающую частицы дисперсной фазы или макромолекулы. Для ускорения процесса ультрафильтрации ее проводят при перепаде давления по обе стороны мембраны: под вакуумом или повышенным давлением.

Ультрафильтрация есть не что иное, как диализ, проводимый под давлением.

1.5. Применение

 Коллоидные  системы  широко распространены в природе: почва, глина, природные воды, многие минералы, драгоценные камни. Биологические жидкости: кровь, плазма, лимфа, спинномозговая жидкость, ядерный сок, цитоплазма. С химической точки зрения организм в целом - это сложнейшая совокупность многих коллоидных систем. В состав любого живого организма входят твердые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся  в сложном взаимоотношении с окружающей средой. Цитоплазма клеток обладает свойствами, характерными, как  для жидких, так и студнеобразных веществ.

Большое  значение имеют коллоидные  системы не только  для биологии, но и для  медицины, косметологии, пищевой  промышленности.

 Свойства  коллоидов необходимо  учитывать при их  использовании, например явление синерезиса (самопроизвольного уменьшения объема геля, сопровождающееся отделением  жидкости) определяет сроки годности пищевых, медицинских и косметических  веществ: гелей, мазей, суфле, желе, мармелада, холодца, киселя. Для теплокровных животных  очень важен биологический синерезис, который сопровождает   свертывание  крови. Под действием  факторов растворимый белок крови фибриноген превращается в нерастворимый   фибрин, сгусток которого и закупоривает  ранку. Если этот процесс затруднен, то говорят о возможности заболевания человека  гемофилией.

Используются человеком и способы очистки коллоидов, так например, принцип компенсационного диализа был использован при создании аппарата, названного «искусственной почкой». С помощью него можно очищать кровь больного от различных низкомолекулярных веществ - продуктов обмена, замещая временно функцию больной почки при таких показаниях, как острая почечная недостаточность в результате отравлений, при тяжелых ожогах.

Практическая часть.

В ходе работы мною были  проведены  следующие  опыты:

1. Получение коллоидных систем.  А) AgNO3 + KI  =  AgI  + KNO3

                                                             Б) раствор белка в воде

2. Диализ коллоидных систем.   Для проведения диализа коллоидных систем был избран оригинальный диализатор – природный образец (куриная скорлупа). Для проведения эксперимента использовала следующие системы:

                                      Система 1: раствор белка – сульфат аммония,

                                      Система 2: раствор белка – сульфат натрия,

                                      Система 3: раствор белка – хлорид натрия.

Наполовину разбавленный раствор белка вносили в яичную скорлупу, приливали раствор соли и помещали подготовленные системы (1, 2, 3) в стакан с дистиллированной водой. Через определенные промежутки времени (30 мин,1час, 1,5часа) брали пробу из стаканов и приливали растворы BaCl2  к системам (1, 2) и AgNO3 к системе (3). Выпадали осадки сульфата бария и хлорида серебра. Осадки выпадали не сразу,  с начало было только легкое помутнение раствора, что свидетельствует о том, что диализ процесс длительный, и чем  больше  время  диализа, тем  сильнее осадок, то есть лучше  очистка.  

                (NH4)2 SO4  + BaCl2  = 2 NH4 Cl  + BaSO4

                 Na2 SO4 + BaCl2  = 2NaCl  + BaSO4

                 AgNO3  + NaCl = AgCl  + NaNO3

Эксперимент показал, что  естественный продукт яичная скорлупа может быть использована для проведения диализа коллоидных систем.

3. Эффект  Тиндаля                                

В наших опытах использовались прозрачные емкости - стеклянные цилиндры, химические стаканы,  и лампа, дающая направленный пучок света (фонарь).

В химические стаканы  налила коллоидный раствор, приготовленный смешиванием:

№1 раствор яичного белка с водой                 №2 раствор силикатного клея

Освещала емкости с коллоидными растворами фонарём сбоку  наблюдали  рассеяние света.  Опыт  проводили в темноте.                  (приложение №2)

4. Коагуляция (свертывание)  белка. 

К раствору белка добавили азотную кислоту, наблюдали появление желтого осадка, это лежит в основе пищеварения.

5. Синерезис 

Сварили крахмальный клейстер оставили 12 ч, наблюдали расслаивается. Это нужно учитывать  при  варке киселя. Его нужно готовить непосредственно перед употреблением.

Заключение

   В результате изучения  литературы и проведения практических опытов я, как мне кажется, сумела найти ответ на поставленный вопрос.

Природа  отдает  предпочтение именно коллоидному состоянию потому, что:

1. Вещество  в коллоидном состоянии имеет большую поверхность раздела между фазами. А это способствует лучшему протеканию обмена веществ.
2. Биологический синерезис  (самопроизвольное уменьшение объема геля, сопровождающееся отделением жидкости) играет важную роль в процессе свертывания крови.
3. Явление коагуляции при изменении кислотно-щелочной среды лежит в основе пищеварения.
4. В практической части проделали опыты, позволяющие  познакомится с эффектом Тиндаля

Из коллоидов, богатых белками соединительной ткани (аминокислоты пролин и глицин), состоят кожа, мышцы, ногти, волосы, кровеносные сосуды, легкие, весь желудочно-кишечный тракт и многое другое, без чего немыслима сама жизнь.

 Можно сказать только одно, что без коллоидной химии нельзя представить повседневную жизнь человека в общем. Сам человек это и есть коллоидная система. Множество процессов и реакций происходят  за счет коллоидной химии.

Коллоидная химия играет большую роль в разработке эффективных методов охраны окружающей среды. Одна из главных проблем в этой области - очистка воды от различных загрязнений. Характерный пример - загрязнение водоёмов и рек белковыми веществами, содержащимися в сточных водах предприятий пищевой промышленности.                            

Особенно эффективная очистка достигается с помощью пен, обладающих определёнными коллоидно-химическими характеристиками. Другой пример - загрязнение поверхности воды нефтью при авариях танкеров. Нефтяное пятно может распространяться на очень большие расстояния от места аварии.

Законы коллоидной химии и поверхностных явлений позволяют рекомендовать возможные приёмы блокирования растекания нефти и её сбора.

Я думаю, люди должны знать все о коллоидных системах и уметь применять эти знания, так как от этого зависит  жизнь будущих поколений.

Литература

1. Ахметов    Аналитическая  химия. М., Высшая школа, 1998 г.
2. Габриелян О.С. Химия  11 класс. Учебник. М., Дрофа, 2005 г.
3. Глинка   Общая химия. М., Наука, 1986 г.
4. Заицев О.С. Неорганическая химия. Учебник для профильных школ. М., Дрофа, 2006 г.
5. Физколлоидная химия. Учебник для высшей школы. М., Просвещение,  1988 г.

Приложение

Приложение №1

Классы коллоидов

По агрегатному состоянию дисперсных частиц и среды

 Приложение №2   

Эффект  Тиндаля

В 1968 году было открыто явление опалесценции- рассеяния света коллоидными растворами при боковом освещении. Этот эффект позволяет четко отличить коллоидные растворы от молекулярных и ионных. Тиндаль наполнил стеклянную ванну коричневым раствором золя гидроокиси железа. Раствор был совершенно прозрачным и не отличался по цвету от раствора дихромата калия. Плотным экраном Тиндаль прикрыл лампу. Только тонкий пучок лучей пробивался через небольшое отверстие в центре экрана.  Профессор направил эти лучи на ванну с коллоидным раствором. Вместо ожидаемого четко ограниченного пятна на экране появился размытый, неясно очерченный светлый круг. Тиндаль был поражен. Прошло несколько минут, а он все не мог оторваться от этой красоты, как будто в ванну было погружено какое-то тело, излучающее свет. Лучи входили в раствор, образуя круг небольшого диаметра, который постепенно увеличивался к противоположной стене ванны, образуя светящийся конус.

Примеры  коллоидных  систем.

Коллоидные системы в живых организмах

                          Продукты питания

                       Нефть                                    Коллоидное серебро

      Необработанные алмазы                                                            Песок

       Обработанный алмаз                                                               Надписи на упаковках

Кровь является типичными примером ткани организма, где одни коллоиды находятся внутри других. В.А.Исаев дает определение крови как дисперсной системе, в которой форменные элементы - эритроциты, тромбоциты, лейкоциты являются фазой, а плазма - дисперсной средой.

                           Рисунок 1: эритроциты, тромбоциты, лейкоциты.

Рецензия

Все вещества организма человека представляют собой коллоидные системы.

Они широко распространены в природе. Глобальная роль коллоидов в естествознании заключается в том, что они являются основными компонентами таких биологических образований как живые организмы.  Рецензируемая работа посвящена актуальной проблеме – здоровью нации.

Основная часть рецензируемой работы представляет собой обзор имеющихся данных: типы  коллоидных  растворов; способы  получения; основные свойства   коллоидов; способы очистки; значение.

В ходе работы была проведена экспериментальная часть: получение коллоидных систем, диализ коллоидных систем, эффект Тиндаля,  коагуляция белка, синерезис.

Благодаря проделанным опытам автор научился получать коллоидные растворы, познакомился с эффектом Тиндаля, рассмотрел химические свойства коллоидных систем (диализ, коагуляцию, синегенез).

Работа написана очень живо и хорошим языком. Автор проанализировала полученные данные и сделала выводы. В конце работы приведён список использованной литературы.

Автор работы проявила личную заинтересованность и  самостоятельность  в проделанной работе, научилась отдельным приёмам исследовательской работы.

Работа представляет практический интерес,  поскольку может быть использована как  пособие для  химических кружков, элективных курсов, факультативных  занятий, профилактических бесед с учащимися.

рецензировала учитель химии I категории Семёнычева Л.В.

Подвижность  систем

Капиллярные свойства

Электрические свойства

Оптические свойства

Основные свойства Коллоидов

Поверхностные явления

Равновесие «осаждение – диффузия»