Файл: Н. И. Пирогова Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 01.12.2023

Просмотров: 120

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

41 красного золя золота составляет всего 410
–2
кПа. Кроме того, осмотическое давление коллоидных систем непостоянно и со временем изменяется вследствие агрегации и дезагрегации частиц и изменения частичной концентрации (c

). Исходя из уравнения Вант––Гоффа, можно показать, что при одинаковой массовой концентрации (c*) частиц золя соотношение осмотических давлений подчиняется уравнению:
3 1
3 2
2 1
d
d
=


Такая сильная зависимость осмотического давления от размера частиц при наличии соответствующей аппаратуры может быть использована для определения размеров частиц и для исследования их агрегирования в дисперсных системах.
К растворам ВМС уравнение Вант—Гоффа применимо ограниченно по двум причинам.
Во-первых, экспериментально определяемое осмотическое давление растворов
ВМС оказывается выше, чем рассчитанное по уравнению Вант—Гоффа. Это результат того, что и в данном случае проявляется сегментный характер ВМС: кинетически независимыми частицами являются не макромолекулы, а их сегменты, концентрация которых больше концентрации самих макромолекул.
Во-вторых, осмотическое давление при повышении концентрации ВМС растет не пропорционально ее увеличению, а быстрее: с ростом концентрации из-за сильных взаимодействий на долю каждой макромолекулы приходится меньший свободный объем и длина сегментов резко уменьшается, а их число — увеличивается (рис. 14.8).
Рис. 14.8. Зависимость числа сегментов от концентрации ВМС
Увеличение числа сегментов при повышении концентрации — следствие "тесноты" и уменьшения длины участков, на которых молекулы могут изгибаться.
Осмотическое давление в растворах ВМС рассчитывается по уравнению Галлера:
2
*
*
M
R
bс
T
с
+
=

,
где b — коэффициент, зависящий от формы макромолекул и учитывающий увеличение числа сегментов, [кПал
2
/г
2
]; c* — массовая концентрация, [г/л]; M
— молекулярная масса.
Если обе части уравнения Галлера разделить на c*, то получится уравнение прямой:
R
*,
*
M
T
bc
c

=
+
где
*
c

— приведенное осмотическое давление.

42
С помощью последнего уравнения можно определять молекулярную массу полимеров и значение коэффициента b (рис. 14.9).
При осмометрическом определении молекулярной массы экспериментально получают зависимость приведенного осмотического давления от концентрации, экстраполируют прямую к нулевой концентрации, находят значение RT/M, а затем и величину M.
Рис. 14.9. График зависимости
*
c

от концентрации, иллюстрирующий осмометрический метод определения молекулярной массы полимеров
Как и другие свойства, осмотичес- кое давление растворов белков зависит от pH. В изоэлектрическом состоянии (при pH  pI) большая часть сегментов находится внутри свернутой в клубок макромолекулы, где они не могут проявляться как кинетически активные частицы, — давление минимальное.
При изменении pH раствора молекулы разворачиваются, сегменты выходят из клубка — осмотическое давление, обусловленное молекулами белка, увеличивается (рис. 14.10).
Рис. 14.10. Кривая зависимости осмотического давления раствора белка от pH среды.
Иллюстрирует осмометричес- кий метод определения pI
14.5. Мембранное равновесие Доннана
Мембранное равновесие
Доннана описывает неравномерное перераспределение электролитов в системе, разделенной полупроницаемой мембраной на две части, в одной из которых находится соль белка (Pt
z–
Na
+
z
), а в другой — низкомолекулярный электролит. Такой системой является клетка, погруженная в омывающий ее раствор NaCl (рис. 14.11).

43
Рис. 14.11. К определению эффекта Доннана
Стенка клетки проницаема для ионов Na
+
и Cl
–
, а макромолекулы белка через нее проникать не могут.
Пусть до начала перераспределения ионов их концентрации в растворе будут: [Na
+
]
н
= [Cl
–
]
н
(наружная), обозначим их c
н
, а концентрация ионов Na
+
в клетке [Na
+
]
в
(внутренняя), обозначим ее c
в
При контакте клетки с раствором внутрь клетки продиффундирует некоторое количество ионов Cl
–
, которых в клетке не было, обозначим это количество x.
За ионами Cl
–
в клетку перейдет такое же количество ионов Na
+
, так как иначе возникнет электрическое поле, препятствующее диффузии ионов Cl
–
, а растворы внутри и снаружи клетки должны оставаться электронейтральными.
Концентрации ионов после перераспределения и установления термодинамического равновесия будут соответственно равны:
[Na
+
]
н
= [Cl
–
]
н
= c
н
− x и [Na
+
]
в
= c
в
+ x
Условием термодинамического равновесия в системе является равенство мембранных потенциалов, возникающих на обеих сторонах мембраны при перераспределении ионов Cl
–
и Na
+
в в
н
R
[Na ]
ln
F
[Na ]
T

+
+
=
; н
н в
R
[Cl ]
ln
F
[Cl ]
T

−
−
=
, откуда в
н н
в
[Na ]
[Cl ]
[Na ]
[Cl ]
+
−
+
−
=
или [Na
+
]
в
 [Cl
–
]
в
= [Na
+
]
н
 [Cl
–
]
н
, или (c
в
+ x)  x = (c
н
– x)(c
н
– x).
Решая это равенство, получаем:
c
в
x + x
2
= c
н
2
– 2 c
н
x + x
2
; c
в
x + 2 c
н
x = c
н
2
; (c
в
+ 2c
н
)  x = c
н
2
;
2
н в
н
2
c
x
c
c
=
+
— уравнение Доннана.
Если до начала перераспределения ионов c
н
 c
в
, то в уравнении можно пренебречь величиной c
в
, тогда:
2
н н
н
,
2 2
c
c
x
c
=
=
т. е. внутрь клетки из омывающего раствора перейдет половина ионов электролита.
Если же c
н
= c
в
, то:
2 2
н н
н н
н н
,
3 3
2
c
c
c
x
c
c
c
=
=
=
+
и внутрь клетки перейдет третья часть ионов.

44
Наконец, если c
н
 с
в
, то в числителе будет малая величина, которая при делении даст еще меньшую величину, но отличную от 0.
Итак, во всех случаях в клетку перейдет некоторое количество электролита, поэтому осмотическое давление в клетке, содержащей соль белка, всегда выше, чем в окружающей среде.
1   2   3   4   5
ГЛАВА 15
ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ
И РАСТВОРАХ ВМС
Электрокинетические явления были открыты профессором Московского
Университета Ф. Ф. Рейссом в 1808 г. В одном эксперименте он использовал
U-образную трубку с перегородкой из кварцевого песка, заполненную водой.
При наложении электрического поля наблюдалось передвижение воды в сторону отрицательного электрода, это явление получило название электроосмоса.
В другом эксперименте Рейсс погрузил в глину две стеклянные трубки, заполнил их водой и при наложении электрического поля наблюдал перемещение частиц глины в воде к положительному электроду, так был открыт электрофорез.
В 1859 г Квинке показал, что существует явление обратное электроосмосу, т. е. при течении жидкости через пористое тело под влиянием перепада давлений возникает разность потенциалов. Это явление получило название потенциала протекания.
Эффект обратный электрофорезу обнаружил в 1878 г Дорн, измеряя разность потенциалов, возникающую при седиментации частиц суспензии кварца в центробежном поле. Это явление получило название потенциала оседания.
Таким образом, по причинам возникновения электрокинетические явления делятся на две группы: явления, при которых относительное движение фаз вызывается разностью потенциалов (электрофорез и электроосмос) и явления, в которых возникновение разности потенциалов обусловлено относительным движением фаз (потенциал протекания и потенциал оседания).
В соответствии с описанием электрокинетических явлений им можно дать следующие определения:
электрофорез — направленное движение заряженных микрочастиц: мицелл, макромолекул белков в жидкой (обычно водной) среде под действием внешнего электрического поля;
электроосмос — движение дисперсионной среды относительно дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля;
потенциал оседания — возникновение в неподвижном столбе жидкости разности потенциалов при оседании заряженных частиц дисперсной фазы;
потенциал протекания — возникновение разности потенциалов при продавливании жидкости через пористые тела.
Наибольшее практическое применение получили электрофорез и электроосмос.
Электрокинетические явления в дисперсных системах возможны вследствие наличия на границах раздела дисперсная фаза—дисперсионная среда двойных электрических слоев, включающих плотные адсорбционные и диффузные слои.

При относительном перемещении фаз, например, в ультрамикрогетерогенных системах, независимо от причин, его вызвавших (действие электрического поля, механическое перемещение), происходит сдвиг диффузной части двойного электрического слоя по плоскостискольжения. В результате этого в электри-

45 ческом поле гранулы мицелл движутся в одном направлении, а противоионы вместе со своими гидратными оболочками –– в противоположном (рис 15.1).
Рис. 15.1. Движение гранул положительного золя к катоду (электрофорез) и противоионов к аноду (электроосмос)
15.1. Электрофорез в изучении коллоидных дисперсных систем и
растворов биополимеров
Рассмотрим применение электрофоретических данных для расчета величины электрокинетического потенциала коллоидных частиц.
Электрофорез можно наблюдать в седиментационно устойчивых дисперсных системах. При наложении на такую систему внешней разности потенциалов происходит разрыв двойного электрического слоя по границе скольжения, в результате чего частица приобретает определенный заряд и перемещается к соответствующему электроду.
При электрофорезе можно непосредственно измерять скорость движения частиц. В качестве прибора для исследования электрофореза используют
U-образную трубку, в колена которой вставлены электроды (рис. 15.2), эту трубку заполняют до уровня а — а исследуемым золем, на поверхность которого наливают контактную жидкость, имеющую одинаковую с золем электропроводность, и включают электрическую цепь. Через определенные промежутки времени отмечают степень перемещения золя к соответствующему электроду, т. е. уровень золя в обоих коленах трубки. Вполне естественно, что скорость перемещения частиц дисперсной фазы определяется значением

-потенциала на частицах твердой фазы.

46
Рис. 15.2. Схема прибора для наблюдения за электрофорезом
Скорость электрофореза (U
0
) можно рассчитать, используя уравнение
Гельмгольца—Смолуховского:
0 0
,
π
U
k
l
 


=
где U
0
— скорость электрофореза, м/с;

— относительная диэлектрическая проницаемость среды;

0
— электрическая постоянная, равная 8.910
–12
Ас/Вм;


— разность потенциалов, В;

— электрокинетичесий потенциал, В; k — коэффициент, зависящий от формы частиц;

— вязкость дисперсионной среды, Нс/м
2
; l — расстояние между электродами, м;  — число Пифагора.
Скорость электрофореза (U
0
)изменяется пропорционально напряженности поля (

), поэтому не может служить характеристикой частиц. В связи с этим используют понятие электрофоретической подвижности (U
эф
), равной скорости движения частицы в единичном электрическом поле, т. е. при градиенте потенциала (Н) равном 1 В/м, тогда выражение для (U
эф
) имеет вид:
0 0
0 0
эф
/
π
U
U
U l
U
H
l
k
 



=
=
=
=


Преобразуя это уравнение относительно

, получаем: эф
0
π
,
k
U



=
где (U
эф
) выражена в м
2
/сВ.
В растворах биополимеров электрофорез обусловлен тем, что большинство из них являются полиамфолитами и, в зависимости от pH среды, могут иметь разные по величине и знаку заряды.
В изоэлектрическом состоянии макромолекулы белков ведут себя как незаряженные (нейтральные) частицы. При pH растворов, отличных от pI, макромолекулы несут электрические заряды и способны двигаться под действием внешнего электрического поля.
Скорость электрофореза в растворах белков зависит от размеров, формы макромолекул и от величины их зарядов, поэтому скорости движения разных белков оказываются неодинаковыми, что позволяет проводить анализ и разделение белковых смесей.
По аппаратурному оформлению различают свободный электрофорез и электрофорез в поддерживающих средах, например, в гелях сефадекса, крахмала, агар-агара, полиакриламидном геле и ряде других.
Для описания закономерностей электрофореза белков применяются те же уравнения, что и для золей, при этом величины электрокинетических потенциалов заменяются величинами зарядов макромолекул.
Электрофоретические методы исследования широко применяются при изучении свойств биополимеров и для выделения их из сложных смесей. Так, с помощью электрофореза определяют изоэлектрические точки белков, их молекулярные массы. Разнообразными модификациями электрофореза (гель-электрофорез, изоэлектрическое фокусирование в градиенте pH, иммуноэлектрофорез) можно разделять нуклеиновые кислоты, антитела, бактериологические клетки, ферменты, форменные элементы крови, антибиотики, сложные белки — нуклеопротеиды, глюко- и липопротеиды и другие смеси веществ, частицы которых имеют достаточные электрические заряды.

47
15.2. Электроосмос и электроосмотический метод измерения
электрокинетического потенциала
Направленное движение жидкости в пористом теле под действием приложен- ной разности потенциалов (электроосмос) изучают с помощью прибора, схематичес- ки показанного на рис. 15.3. Прибор представляет собой U-образную трубку, в одно колено которой впаян капилляр (K) для точного определения количества движущейся жидкости. Пористая мембра- на (M) из силикагеля, глинозема или других материалов, на частицах которых образуются двойные электрические слои, располагается между электродами.
Рис. 15.3. Прибор для наблюдения электроосмоса
В прибор наливают воду или водный раствор и отмечают их уровень в капилляре. Если к электродам приложить разность потенциалов, то противоионы диффузного слоя, энергетически слабо связанные с поверхностью твердой фазы (мембраны), будут перемещаться к соответствующему электроду и благодаря молекулярному трению увлекать за собой дисперсионную среду
(воду). Естественно предположить, что чем больше потенциал и толщина диффузного слоя, тем больше переносчиков зарядов и тем быстрее перемещается жидкость в пористом теле. Скорость течения жидкости и ее направление при постоянной напряженности электрического поля определяется свойствами мембраны и раствора. Таким образом, качественное изучение электроосмоса позволяет определить знак

-потенциала, а количественные измерения — установить зависимость между скоростью переноса жидкости и

-потенциалом, основываясь на теории этого процесса, разработанной
Гельмгольцем и Смолуховским.
В соответствии с этой теорией электроосмотическая линейная скорость движения жидкости относительно мембраны выражается следующим уравнением:
0 0
,
U
 


=
где U
0
— электроосмотическая линейная скорость движения жидкости, м/с;

— относительная диэлектрическая проницаемость среды;

0
— электрическая постоянная, равная 8.9
•
10
–12
А
•
с/В
•
м; 

— разность потенциалов;

— электрокинетический потенциал, В;

— вязкость дисперсионной среды, Н
•
с/м
2
Скорость движения дисперсионной среды (U
0
), отнесенная к единице напряженности электрического поля (

), называется электроосмотической
подвижностью (U
эо
):
0 0
эо
U
U
 


=
=

Это уравнение Гельмгольца—Смолуховского для электроосмотической подвижности чаще записывают относительно

-потенциала:
0 0
U

  
=

Смотрите также файлы