34.Metody otrzymywania i oczyszczania układów koloidalnych

Metody otrzymywania od stanu skupienia zależą ośrodka rozpraszającego i substancji rozproszonej.
Wyróżnia się dwie podstawowe metody otrzymywania układów koloidalnych:

• dyspersyjna

• kondensacyjna

Metody dyspersyjne
Rozdrobnienie aż do uzyskania rozdrobnienia koloidalnego osiąga się albo mechanicznie (np. młyn koloidalny), albo elektrycznie (łuk elektryczny).
Ten ostatni sposób szczególnie stosuje się do otrzymania zoli metali, tlenków metali, koloidalnego grafitu itp. W metodach dyspersyjnych wykorzystuje się również ultradźwięki (drgania akustyczne o częstości rzędu 20000 Hz). Otrzymuje się w ten sposób m.in. zole barwników, krochmalu, gipsu itp.)
Do tej grupy metod można zaliczyć peptyzację. Stosuje się tutaj peptyzatory (substancje o silnych własnościach adsorbcyjnych), które rozdzielają złączone cząstki koloidalne.

Metody kondensacyjne
W metodach tej grupy rozdrobnienie koloidalne osiąga się w wyniku łączenia pojedynczych cząsteczek chemicznych. Stosuje się w tym celu takie procesy chemiczne jak:

• polimeryzacja

• zmniejszenie rozpuszczalności (np. otrzymywanie koloidalnego roztworu siarki w wodzie przez wlewanie do wody nasyconego roztworu siarki w alkoholu)

• redukcja

• utlenianie (np. H2S --> S koloidalna)

• wymiana (AgNO3 + KI --> AgI + KNO3)

Polimeryzacja to reakcja, w wyniku której związki chemiczne o małej masie cząsteczkowej zwane monomerami lub mieszanina kilku takich związków reagują same ze sobą, aż do wyczerpania wolnych grup funkcyjnych, w wyniku czego powstają cząsteczki o wielokrotnie większej masie cząsteczkowej od substratów, tworząc polimer.Reakcje polimeryzacji dzielimy na łańcuchowe i stopniowe.

Redukcja (inna nazwa elektronacja) to proces, w trakcie którego atom lub ich grupa przechodzi z wyższego na niższy stopień utlenienia.Każdej redukcji musi towarzyszyć utlenienie. Łącznie takie procesy nazywa się reakcjami redoks. Silnymi środkami redukującymi są np. wodór, metale alkaliczne, wodorki metali, krzemowodory, borowodory, siarczki.

Utlenienie to reakcja chemiczna, w której jakiś atom (lub ich grupa) przechodzi z niższego na wyższy stopień utlenienia (oddaje elektrony).Nazwa ta ma charakter bardzo umowny, gdyż w praktyce, każdej reakcji utlenienia musi towarzyszyć jakaś reakcja redukcji.Silnymi środkami utleniającymi są:nadtlenki, kwasy utleniające (np. kwas azotowy), nadmanganiany i chlorany, ozon, gazowy fluor, chlor, brom i jod

Metody oczyszczania
Do oczyszczania roztworów koloidów stosuje się wiele metod. najważniejszymi są;

• dializa (elektrodializa)

• filtracja (ultrafiltracja)

• wymiana jonowa (wykorzystanie jonitów)

W metodach tych stosuje się błony półprzepuszczalne (membrana), przez które przechodzą zanieczyszczenia (elektrolity), a które są nieprzepuszczalne dla cząstek o rozdrobnieniu koloidalnym.

Dializa
W dializatorze po jednej stronie membrany znajduje się zanieczyszczony roztwór koloidalny, a druga strona omywana jest czystym rozpuszczalnikiem. Substancje o rozdrobnieniu cząsteczkowym przechodzą przez membranę do zewnętrznej cieczy i mogą być w ten sposób usunięte z koloidu, zwłaszcza gdy ciecz zewnętrzna będzie wymieniana w sposób ciągły.

Elektrodializa - migracja jonów w polu elektrycznym. Ważną rolę w tym procesie odgrywają przepony o własnościach aniono-kationo-wymiennych. Przepony te przepuszczają aniony i kationy a zatrzymują selektywne jony przeciwne. Urządzenia w tej metodzie mają setki komór ułożonych na przemian przepon aniononitowych i kationowych. Metoda ta w metodach odsalania ma większą pewność działania i jest prosta w obsłudze.

Ultrafiltracja (filtracja molekularna) - to proces filtracji z użyciem sit molekularnych, membran i wszelkich materiałów porowatych, o porach których rozmiary są zbliżone do wielkości pojedynczych cząsteczek.

Ultrafiltracja umożliwia rozseparowanie roztworów rzeczywistych oraz mieszanin gazów na poszczególne indywidua chemiczne (związki chemiczne, jony, pierwiastki itp). Ultrafiltracja wymaga zwykle stosowania znacznych ciśnień i jest czasochłonna.

Przykładem ultrafiltracji jest proces odwrotnej osmozy* i hemodializy**.

*Odwrócona osmoza - zjawisko odwrotne do spontanicznie zachodzącej osmozy. Polega na wymuszonej dyfuzji dowolnego indywiduum chemicznego (jonów lub cząsteczek) z roztworu o niższym stężeniu do roztworu o wyższym stężeniu przez membranę półprzepuszczalną.

Odwrócona osmoza w odróżnieniu od spontanicznej musi zostać wywołana przyłożeniem do membrany ciśnienia o większej wartości i skierowanego przeciwnie niż ciśnienie osmotyczne naturalnie występujące w układzie.

Odwrócona osmoza jest podstawą jednej z metod odsalania wody morskiej. Stosuje się też ją do oczyszczania i zatężania ścieków przemysłowych, szczególnie pochodzących z przemysłu spożywczego, papierniczego i galwanicznego. Metoda ta pozwala na odzyskanie wody oraz cennych substancji zawartych w ściekach. Główną zaletą tej metody jest stosunkowo małe zużycie energii gdyż proces zachodzi bez przemiany fazowej.

**Hemodializa - zabieg stosowany w leczeniu zaawansowanej przewlekłej i ostrej niewydolności nerek, a także niektórych zatruć. Jego celem jest usunięcie toksycznych substancji znajdujących się we krwi.

Hemodializa polega na usuwaniu produktów przemiany materii i wody lub leków oraz toksyn z krwi pacjenta poprzez sztuczną błonę półprzepuszczalną, zabieg umożliwia także korektę kwasicy metabolicznej oraz zaburzeń elektrolitowych. Podczas zabiegu krew jest wielokrotnie przepompowywana na zewnątrz ciała do dializatora, który działa jak sztuczna nerka. Hemodializa może być przeprowadzana w domu lub w ośrodku dializ. W Polsce zabieg wykonywany jest wyłącznie w warunkach szpitalnych.

W trakcie zabiegu krew krąży pomiędzy aparatem („sztuczną nerką”) a pacjentem. Krew jest oczyszczana przepływając przez dializator.

Wymiana jonowa to zjawisko i proces wymiany (zamiany) ruchliwych jonów (kationów lub anionów) na inne jony tego samego znaku zachodzący na ciele stałym lub polimerze zawierającym odpowiednie grupy funkcyjne. Należy zwrócić uwagę na to, że proces wymiany (w szczególności wymiany jonów) jest jednym z podstawowych rodzajów reakcji chemicznych - proces wymiany jonowej jest wyróżniany ze względu na to w jakich warunkach zachodzi (substancje wielkocząsteczkowe lub ciała stałe - faza jonitowa jest nieruchoma).

Jeżeli proces wymiany jonowej towarzyszy innym procesom, np. procesowi adsorpcji, wówczas mówi się często o sorpcji lub adsorpcji jonowymiennej (sorpcji wymiennej, adsorpcji wymiennej).

Jeżeli ciało stałe lub polimer zostało specjalnie przygotowane lub jest używane w sposób wykorzystujący zjawisko wymiany jonowej, wówczas taki materiał nazywamy wymieniaczem jonowym lub jonitem. Zasadnicze typy jonitów to:

• jonity kationowe, mają charakter kwasów lub soli kwasów i wymieniają z roztworem kationy (najczęsciej jon wodorowy H⁺ lub kationy metali alkalicznych, Na⁺ i K⁺),

• jonity anionowe, mają charakter zasad lub ich soli i wymieniają z roztworem aniony (np. jon wodorotlenowy OH^-, anion Cl^- lub siarczanowy VI),

• jonity amfoteryczne (buforowe) zawierają zarówno grupy kwasowe i zasadowe (lub ich sole), mogą być również używane mieszaniny różnych jonitów.

Zastosowanie jonitów pozwala np. otrzymać wodę dejonizowaną (nie zawierającą praktycznie żadnych jonów poza produktami autodysocjacji wody, jon wodorowy|H⁺ (czyli H₃O⁺ - jon hydroniowy, jon oksoniowy) i jon wodorotlenowy OH^- - woda otrzymana poprzez destylację praktycznie zawsze zawiera obce jony, przede wszystkim pochodzące z dysocjacji elektrolitycznej kwasu węglowego (H₂CO₃₎powstającego w wyniku rozpuszczania w wodzie atmosferycznego -

Jonity mają określoną pojemność wymienną (jonowymienną) i po jej wyczerpaniu należy je poddać procesowi regeneracji za pomocą mocnego kwasu (kationity) lub zasady (anionity) - rzadziej za pomocą soli.

Wymieniacze jonowe (jonity) są używane do usuwania soli (kationów i anionów) z wody. 

Zastosowania:

• Zmiękczanie wody - Usuwanie jonów wapnia (Ca) i magnezu (Mg)

• Demineralizacja - Usuwanie części wszystkich jonów z wody

• Oczyszczanie ścieków radioaktywnych

• Usuwanie NH4⁺ ze ścieków

• Selektywna wymiana kationów w celu usunięcia metali ciężkich

36. Pomiar Szybkości reakcji chemicznych.

Szybkość reakcji może być opisywana przez stężenie substratu lub produktu w czasie.

Czynniki wpływające na szybkość reakcji:

- rodzaju reakcji i rodzaju substancji reagujących,
- stopnia rozdrobnienia substancji reagujących,
- temperatury,
- katalizatorów,
- ciśnienia lub stężenia substratów.

W przypadku gazów zamiast wzrostu stężenia wprowadza się zwiększenie ciśnienia, natomiast w przypadku ciał stałych szybkość reakcji wzrasta w wyniku rozdrobnienia substratów.

Równania kinetyczne opisują zależność szybkości reakcji od stężenia substratów
Szybkość reakcji=k*stężenie

k- stała szybkość reakcji

***

(Stała szybkości reakcji to współczynniki występujące w równaniach kinetycznych, opisujących przebieg w czasie reakcji chemicznych.

W zależności od zewnętrznego rzędu reakcji chemicznej stała szybkości przyjmuje różne jednostki wg ogólnego wzoru:

co daje następujące jednostki dla rzędów od 0 do III:

0 rząd:

I rząd:

II rząd:

III rząd:

gdzie: n - zewnętrzny rząd reakcji, l = litr, mol = mol, s = sekunda.)Właśnie dlatego, że stała dla różnych równań reakcji ma inną jednostkę, podaje się ją najczęściej bez jednostki.

Szybkośc reakcji zmienia się wraz z  ze zmianą stężenia substratu.
Reakcja rzędu I ma postać równania v=k*C_a
W tej reakcji szybkośc zalezy od stężenia tylko jednego substratu zapisanego w pierwszej potędze.
Reakcja II rzędu v= k*C_a*C_b lub v=k*C²
W tej reakcji szybkość zależy od iloczynu stężeniu dwóch substratów w potędze pierwszej lub od stężenia jednego substratu podniesionego do potęgi drugiej.

Szybkość reakcji chemicznej jest określana jako zmiana stężenia substratu (lub produktu) w jednostce czasu.






Zależność między szybkością reakcji a parametrami decydującymi o tej szybkości jest dla danej reakcji ustalana doświadczalnie

---