3.1. KHÁI NIỆM HỆ PHÂN TÁN
3.1.6. Vai trò của hê phân tản trong đừỉ sổng
Trong đời sống, sự hiểu biết hệ phân tán giúp ta, giải thích các hiện tượng, điều chỉnh các quá trình xảy ra trong cuộc sống theo hương tích cực và chủ động. Biễt cách vận dụng các kiến thức và áp dụng các nguyên tắc hòa lý vào việc sử dụng tài nguyên hiệu quả và kinh tê.
Trong các ngành Y - Dược, hoá học về các hả, phân tán nói chung hay hoá keo nói riêng đã cung cấp nhiều kiến thức cơ bản về các quá trình hoá lý học cua hệ phân tán để nghiên cứu thuốc và tác dung, của thuốc trong cothe,
Bất kỳ một dạng chế phẩm nào dùng để dự phòng và điều trị đều ỉà những dạng
cụ thể của các hệ phận tán, ‘
- Các dạng thuốc tiêm, thuốc nưởc phần lớn lậ tie phân tán phân tử hoặc ion củạ
dung dich that _ ...
- Các dạng nhũ tựong, hỗn dịch, cieam... lả những hệ phân tW k e o adLdi thể hoặc hệ phân tán thô.
- Các dạng viên nén, viên nang, viên bao đều lậ các hệ phân tán ran
Quy luật tương tác của các hạt, với môi trường phân tán và của cac hạt tương tác với nhau đã quyết định tới sư. khũếch tán, sư, hấp thu và có tác dụng ngấn-dài hay nhanh-chầm cua một dạng thuốc,
Các dạng thuốc Jihun mù, thuốc xitdưới dạng khí dung có tác dụng điều tri nhanh và hiệu quả tại chô là đo câu true của các thuôc iiàỵ I I ku>
Trong nhóm thuốc tác dụng kéo dài thường là những hệ phân tán dị thế gồm những hạt tiểu phân hoạt chất phân tán trong các tá dược cacyjhan Jử, nhàm giải phóng từ từ dươc chất. Hệ phân tán này đã góp phần quan trọng trong việc kéo dài hiệu guả đíễu trị của thuôc.
CÂU Hỏi LƯỢNG GIÁ
1. Định nghĩa hệ phân tán và phân loại.
2. Viết biểu thức xác định độ phân tán và bề mặt riêng.
3. Phân loại hệ phân tán và tên của từng loại hệ phân tán tương ứng. Mỗi hệ phân tán cho ví dụ cụ thể.
4. Trình bày quá trình tự xảy ra trong hệ keo có độ phân tán cao.
5. Nêu vai trò của hệ phân tán trong đời sống.
CÂU HỎI T R Ắ C N G H IỆ M
1. Hệ phân tán keo là hệ di, thể gồm môi trường phân tán và các hạt nhỏ kích thước trong khỏang:
a. Từ 10' 7 đến 10‘5mm b. Từ 10' 7 đến 10‘5m c. Từ 10~7 đến 10‘5mỊi d. Từ 10' 7 đến 10‘5dm
2. Một tiếu phân dạng khối vuông có kích thước cạnh là lcm2 thì diện tích bề mặt là 6cm2. Nếu chia tiểu phân trên thành các khối vuông nhỏ hơn với cạnh 0,0!cm thì
tổng diện tích bề mặt là:
3. Khi phân tán một chất lỏng thành những hạt lỏng nhỏ phan tail vào không Hú
b. Hệ keo khí trong lỏng c. Nhũ dịch
d. Khói bụi
^Tị Khí dung /
4. Khi nghiền một chất rắn thành những hạt nhỏ thật mịn và phân tán vào không a. 60 m2 b. 600 m2 c. 60 dm2 d. 60 cm2
ta được:
a. Hệ keo lỏng
khí ta được:
a. Hệ keo rắn trong khí / b. Sol khí /
JOp'
77
c. Khí dung d. Bụi
'X j Tất cả đều đúng ^
5. Theo khái niệm về hệ phân tán keo thì nước phù sa phần mờ đục không sa lắng của nước trong các dòng sông là:
a. Dung dịch thật b. Hệ thô c. Nhũ dịch
đ, (a,b,c) đêu sai y^,Hệ phân tán keo
6. Dựa theo trạng thái tập hợp các pha, người ta xếp khói là hệ phân tán:
a. Rắn/Rắn b. Rắn/L c. L/R d. L/khí R/khí /s ? '
7. Dựa theo trạng thái tập họp các pha, người ta xếp hong ngọc là hệ phân tán:
^ R ắ n /R |n / b. Rắn/L c. L/R d. L/khí e. R/khí
8. Theo tính chất của hệ phân tán keo thì/gelatiĩỹcó tính chất nào trong những tính
chất sau đây: ~
a. Hệ keo thân nước " ' ’’
b. Hệ keo sơ nước c. Hệ keo thuận nghịch
d. Hệ keo sơ nước và thuận nghịch )^H ệ keo thân nước .và thuận nghịch /
9. Hãy cho biết thuốc tiêm vitamin c thuộc hệ phân tán nào?
a. Hỗn dịch b. Nhũ dịch ^)D u n g dịch(phântử) d. Hỗn nhũ dịch e. Dung dịch cao phân tử
10. Phosphalugel là chế phẩm lỏng dùng chữa trị đau dạ dày tá tràng gồm AIPO4, tá dược ngọt, thom vả nước, hãy gọi tên của chế phẩm trên:
ỹ V
a. Hồn dung dịch cằĩứ-ị.
b. Nhũ dịch > •'k.cuịtệỉP
ỵ i Hỗn nhũ dich S ỵ s ' d. Dung dịch
e. Hỗn dung dịch
11. Những keo nào sau đây không phải là keo thuận nghịch
^ : a. Keo Fe(OH)3 X
^ Keo gelatin trong nước c. Keo lưu huỳnh
78
d. Keo AS2S3
^ Keo Ạgl,
12. Độ phân tán được bii.1 I theo công thức sau:
a. D d. D =
b. a
2D 4 r e. Tất cả đều sai
D = 1 1
a 2r “ 2D 4r ỵ' ^ d. 2r
_ L - _ L
4<3 - 8r
13. Bề mặt riêng của một hệ phân tán có đường kính hạt là d được tính theo công thức sau:
a. s = —
k
c?
T\S = k — = k.D d
-J I (K
'<1 ' 1 í í
b. Nhũ dịch c. Dung dịch thật
d. Hỗn nhũ dịch a (W/ĨĨ ^ ÍAi ^ M ,
e. Dung dịch cao phân tử ^ c tầ tỉo d ỉT , f ■; ^
)hân tán nào?
/d / íỉà T k ỡ ĩ1
15. Khi hòa chế phẩm efferalgan sủi bọt vào nước ta được hệ phân tán nào? „K a. Hỗn dịch có sủi bọt
b. Nhũ dịch ry f ^ ĩ ìkxj\_, \
^ODung dịch thật d. Hỗn nhũ dịch e. Hệ phân tán keo
X
( L *
79
C h ư ơ n g 3
/, Trình :ứ y đưực phươm> pháp (íỉều chê keo bưng cách ngưng lụ.
2. Trình bảy được phươnẹ pháp diều chẽ keo bẳnq cách phân tán.
3. Nêu và íỊÍaì ỉ hích được phương pháp điều chế. keo bằng cách pepíỉ huả.
-í . y í - n ■ ị i r ọ r C i i i ' h r í i i ::: (■/;:■ !■■:'■.> /V /ỉ" p i u f t i H ' i Ị í h Ớ Ị ì i u x ị ! u > ‘ - ì: Ìi! :';ì;ị^
5. Trinh bày được nguyên tắc của các phương pháp linh chế keo.
/3.1. ĐIỀU CHÉ KEO ’
'"3.1.1 j Định nghĩa
Hệ keo là hệ di thể gồm các hạt có kích thước từ ậ 0 '7-10'5 cm phân tán trong môi trường phân tán va ổn định trong thời gian sử dụng. —
Có hai phương pháp tổng quát để điều chế keo: phương pháp ngưng tụ và phương pháp nhân lán.
v Phương pháp ngưng tụ: là quá trình (kết hợp các phận tử hoặc ịon.có kích thước nhỏ trở thành kích thước hạt .keo.
’ Phương pháp phân tản: là quá trình chia nhỏ;các hi* pỉ ân tán thô đạt tđi kích thưđc của hạt keo.
Nhìn chung có thể điều chế keo bằng hai phương pháp cơ bản:
pp ngưng tụ pp phân tán
— --- — - - -> . ■ < ---
DD thật Hệ keo Hệ thô
10"7cm 10‘5cm
--- --- --- Ị--- --- —---—---Ị ■ ^
Hình 3t3. Phương pháp điều chế keo !
'X \
P h ư ơ n g pháp ngưng tụ
Nguyen tac: Ngưng tụ là quá trình điều chế keo bằng cách kết họp nWeu phân tử, nguyên tử h u d c ì u i i , để tạo thành tiểu phân hê keo.
80
■', J ' ■■ t ' i " ' ' ■' ■' ' I I . ': ■+ s -5 - i u I I - / fhí; ?ĩ 7J ~)
Một s ố phương pháp ngưng tụ cụ th ể a. Ngưng tụ đơn giản ị ngưng hơi kim loại)
Ví dụ: Đun nóng natri đến bốc hơi, cho hơi na tri ngưng tụ trong hơi benzen (làm Ịạnh). Natri sẽ ngưng tụ thành các hạt keo phân tán trong môi trường benzen.
Tuy nhiên nếu cho hơi natri ngưng tụ trong môi trường nước ta có dung dịch NaOH là dung dịch thật không phải hệ keo theo phản ứng sau:
2Na + 2H2Q * 2NaOH + H2f
r b. N ^ ^ _ tụ jd o j^ h ả n ứ ĩg hoá học
- Ngưng tụ do phản ứng traojioi c~}
A g N 03 + KI — —TŨU.---► ■ A g!keo ---- ôft= . _...
/ | ) ị Mixenjkeo có dạng: [m (Agl).n r (n-x)_K ]x~. (X K+ ; [ớ
^ V---/ , ' I ■■
- Ngưng tụ do phản ứng oxi hoá khử:
H 2S + O 2 ---► S k e o
Mixen keo có dạng: [ n(S) mHS".(m-x) H+]x\ X H+ '
5 + K N O3
’ ju% /% H
H t-ỈÃ
+ H ,0
- Ngưng tụ do phản ứng jchử muốLyàng bang formoi:
2KAuOa + 3HCHO + K2CO3 --- ► 2AUkeo + 3HCOOK + KHCO3 + H20 Mixen keo có dạng: [n(Au).mAu02^.(m-x) K+] x\ X K+
- Ngưng tu do phản ứng tfauy phâiỊL
FeCl3 + 3HaO ---— --- ► Fe(OH)3keo + 3HC1 Cấu tạo của Mixen keo: { n[Fe(OH)3] mFe+3 (3 m -x )c r}x+. X c r c. Ngưng tụ bằng phương pháp thay th ế dung môi
Lưu huỳnh (hoặc nhựa thông colophan) tan nhiều trong cồn tuyệt đối, không tan trong nước. Khi hoà tan lưu huỳnh vào cồn cao độ đến bão hoà ta được dung dịch s/cồn (dung dịch thực). ,
Thêm một lượng nước vào dung dịch s bão hoà trong cồn, độ cồn tuyệt đối giảm, lúc này độ tan của s trong dung dịch cũng giảm. Các phân tử lưu huỳnh tập hợp thành các tiểu phân nhỏ phân tán trong cồn thấp độ, tạo hệ keo mờ đục. Tuỳ theo nồng độ của s bão hoà trong cồn, tỷ lệ thể tích của nước và thể tích của dung dịch s /cồn ta thu được keo lưu huỳnh với những nồng độ và tính chất khác nhau.
HLD - T6 81
ệ.1.1.2' Phương pháp phân tán Nguyên tắc
Phân tán là qúa trình dùng năng lượng để phá vỡ lực liên kết bên trong của các hạt thô để tạo ra các hạt mới có kích thước của hệ keo.
Như thế, khi điều chế hệ keo bằng phương pháp phân tán, trong hệ keo đã hình thành nhiều hạt mịn có độ phân tán cao tức là bề mặt tiếp xúc pha của hệ phân tán keo tăng do đó phải tốn nhiều công để phân tán các hạt thô thành tiểu phân hệ keo. Vì vậy công sử dụng trong phương pháp phân tán chính là công gia tăng bề mặt. Ta có:
A = Ơ.AS + q (3.6)
A: công cần thiết cho sự phân tán, AS: độ tăng diện tích bề mặt, ơ : sức căng bề mặt,
q.: nhiệt tổn thất trong quá trình phân tán.
Để làm giảm công A, trong thực tế ta thường thấm ướt vật rắn cần phân tán bằng dung dịch các chất có hoạt tính bề mặt.
Khi đó, tại những trung tâm hấp phụ trên bề mặt vật cần phân tán sẽ hấp phụ chất hoạt động bề mặt, làm yếu lực liên kết phân tử pha rắn, giúp cho việc phá vỡ khối rắn dễ dàng hơn.
’ ■ M ột sốphương pháp phân tán cụ thí{
a. Phân tán cơ học
Để điều chế keo bằng phương pháp phân tán cơ học, có thể tiến hành theo các cách sau:
- Thủ công: Nghiền tán các hạt thô trong dụng cụ cối chày.
- Máy móc: Dùng máy nghiền bi, máy gồm một thùng hình trụ bên trong có chứa nhiều viên bi rắn. Khi thùng quay, các viên bi quay theo ma sát va chạm vào thùng và sau đó rơi đập lên nhau, quá trình đó nghiền các hạt rắn thành hạt có kích thước tiểu phân keo. Các viên bi thường chiếm 40-50% thể tích, còn hạt phân tán chiếm khoảng 20% thể tích bên trong máy nghiền bi.
- Ngày nay, để tăng nhanh quá trình phân tán và cải thiện tốt chất lượng của hệ keo người ta thường sử dụng máy xay keo.
Hiện trên thị trường có nhiều loại máy xay keo với cấu trúc, công suất, kích thước khác nhau thích hợp cho việc điều chế nhiều loại hệ keo.
82
b. Phân tán bằng sịêụâm,
Là phương pháp điều chế hệ keo bàng lực phân tán siêu âm. Tần số dao động V của siêu âm rất cao (khoảng 10-30 nghìn lần/ giây), do đó năng lượng phá vỡ của siêu âm khá lớn, được tính theo công thức (E = h.v ).
Phương pháp này có khả năng phân tán được một số’ vật rắn có độ bền không lổn lắm như: lưu huỳnh, nhựa, graphic.
Đặc biệt rất thuận lợi để phân tán các khôi dẻo ưa nước, thành dung dịch loãng trong nước hoặc các mô mềm như các tổ chức gan, não, thận tạo thành dịch đồng thể động vật.
c. Phân tán bằng hồ quang
Phương pháp này dùng để điều chế keo kim loại trong dung môi hữu cơ. Pha phân tán là hai thanh kim loại dùng làm hai điện cực dùng tạo hồ quang. Đặt vào hai thanh kim loại một điện áp khoảng 110 volt. Đưa hai đầu điện cực lại gần sẽ có hiện tượng phóng điện tạo hồ quang, tại tâm hồ quang có nhiệt độ rất cao, khi đó kim loại bị nóng chảỵ và thangjioa trong môi trường phân tán. Khi môi trường được làm lạnh, pha phân tán sẽ ngưngJ.U., thành các hat keo. Đe giảm nhiệt thoát ra tránh cho dung môi khỏi bay hơi mạnh hoặc tránh quá trình điện phân, người ta dùng dòng xoay
chiều để thực hiện quá trình này. „ _ carM
; t o . r p r - T - ^
d. F h fut g pháp pepti hoá y Á ' ' vli'ứr
Là phương pháp chuyển một kếLiủâ trở lại trang thái keo do các tác nhân pepti hóa thường ỉà tác nhân hóa học. Tùy theo nguyên nhân gây ra kết tủa mà sự pepti hoá sẽ tiến hành theo cách thích hợp:
Nếu kết tủa là do hạt keo hấp thụ các ion điện ly tạo sự kẹo tụ thì chất pepti hoá phải tách được những ion đó khỏi kết tủa.
Nếu kết tủa là do các hạt của các chất phân tán không có những yếu tố bảo vệ (thiếu ion tạo thế, thiếu chất tạo vỏ solvat) thì phải bổ sung thêm những yếu tố đó vào hệ-
* Giai đoạn rửa kết tủa bằng nước:
Nếu kết tủa đã hấp thụ ion hoá trị cao hoặc có bán kính lớn thì lực liên kết hấp phụ khá mạnh; do đó phải rửa tủa nhiều lần cho đến sạch.
* Giai đoạn pepti hóa tủa keo bằng chất điện ly: I , ( ự/é/,
FeCl3 + K4[Fe(CN)6] --- > KFe[Fe(CN)6)] + 3KC1 ' , Ví dụ: khi nhỏ từ từ acid oxalic vậOktủa keo xanh phỏ KFẽ[Fe(CN)6)] thì ta sẽ thu được dung dịch keo xanh phổ..
83
Chính các điện tích cùng dấu này đã làm các tiểu phân xanh phổ đẩy nhau, giúp các hạt keo lại tách ra khỏi tủa và di chuyển qua giấy lọc hình thành hệ keo trở lại như lúc ban đầu.
Vì ion oxalat C 2 O 4 ’ 2 sẽ hấp thụ lên bề mặt hạt keo, các hạt keo trở nên tích điện bởi các ion C2O4 ' 2 và sẽ đẩy nhau.
o C hất p e p ti h ó a
Như vậy, chính acid oxalic là chất
pepti hóa và lượng kết tủa được phân tán Hình 3-4. Sự phụ thuộc lượng tủa keo vào nồng độ chất pepti hoá
thành hệ keo phụ thuộc vào nồng độ chất pepti hóa
Đường biểu diễn sự phụ thuộc này có dạng giống đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với chất hấp phụ rắn.
3.2. TINH CHÉ KEO
Nguyên tắc
Trong quá trình điều chế hệ keo có chứa nhiều hợp chất khác nhau, phổ biến là các ion, các hợp chất phân tử thấp. Những chất này làm cho hệ keo không tinh khiết và các việc nghiên cứu hệ keo phức tạp. Vì vậy, người ta tìm cách loại bỏ những cấu tử phụ này ra khỏi hệ keo trước khi nghiên cứu, đó là quá trình tinh chế keo.
Phương pháp thông thường để tinh chế hệ keo là sự thẩm tích. Trong phương pháp thẩm tích người ta dùng một màng có những lỗ nhỏ, đường kính lớn hơn kích thước phân tử và ion, nhưng bé hơn kích thước hạt keo.
Do tính chất khuếch tán, các ion điện ly và các hạt keo đều có xu hướng qua màng nhưng vì kích thước lỗ màng bé, chỉ có phân tử nhỏ và ion đi qua màng còn hạt keo bị ngăn chặn lại.
Những màng này gọi là màng bán thấm. Màng bán thấm có thể là các màng tự nhiên: màng da ếch, bong bóng trâu bò, màng chế tạo từ động vật và hoá chất:
xelophan, colodion...
3.2.1. Phương pháp thầm tích thư ờ ng.
3.2.1.1. Thẩm tích gián đoạn
Dùng một túi thẩm tích đựng dung dịch keo cần tinh chế và ngâm vào một chậu nước. Sau một thời gian, các ion chất điện ly khuếch tán qua màng ra ngăn ngoài thì cần thay nước mới. Tiếp tục thẩm tích như thế nhiều lần ta thu được keo tinh khiết.
3,2.1.2, Thẩm tích liên tục
Nước vào Nước ra---—
Hình 3-5. Thẩm tích thường
Là phương pháp thẩm tích liên tục trong một thời gian không gián đọan, trường hợp này dung môi nước tinh khiết di chuyển qua màng bán thấm, kéo theo các tạp chất là ion chất điện ly và các chất đơn phân tử cho đến khi hệ keo được tinh khiêt. Nước vào ống dẫn và thoát ra ngoài ở ống thoát liên tục trong thời gian dài kéo theo tạp chất cần loại.
Nguyên tắc thẩm tích liên tục được ứng dụng trong chạy thận nhân tạo, thẩm tích phúc mạc, để loại các tiểu phân có kích thước nhỏ như (urê, H+) ra khỏi huyết thanh người bị suy thận hoặc ngộ độc do toan huyết.
3.2.2. Điện thầm tích
Để tăng tốc độ thẩm tích, ngoài nguyên tắc cho dòng dung môi nguyên chất chảy liên tục, người ta đưa thêm hai điện cực với điện áp một chiều vào bình thẩm tích.
Khi đó ion chất điện ly di chuyển qua màng bán thấm nhanh hơn dưới tác dụng của điện trường và được loại ra ngoài.
+
N ước và tạp chât
J
N ttỏc vả tạp chất
Điệỉi cự c Hệ keo tinh chế ► Mảng bán thãm
-5*- !
! Míróc tinh kliìêt
1 r
H ệ k eo tinh khiết
Hình 3-6. Điện thẩm tích
85
3.2.3. Lọc gel
Gel là thể đông đặc của các hợp chất cao phân tử khi được tiếp xúc với nước, các gel dùng để tinh chế hệ keo có dạng hạt nhỏ hình cầu.
Một số loại gel như: Geỉ sephadex đó là các Polydextran, trong đó mạch cacbon thay đổi từ hợp chất có mạch cacbon thấp đến các hợp chất cao phân tử có phân tử lượng cao, ví dụ các Gel từ Gio, G]5, G50 đến G200.
Đe tinh chế keo người ta thường dùng các loại Gel từ Gio - G25
V Tiến hành tinh chếkeo ỊO
Ngâm gẹl trong nước cho trương nở, sau đó nạp gel vào cột, cho dung dịch keo chảy từ trên xuống dưới với tốc độ nhất định.
Khi hệ keo chảy qua hệ thống gel, các tiểu phân keo hay các hợp chất cao phân tử có kích thước lớn, không chui vào các hạt gel đã trương nở chỉ theo các khe giữa các hạt gel chảy nhanh xuống dưới.
Các ion và phân tử nhỏ chui được vào trong khối gel nên chuyển động chậm.
Như vậy khi di chuyển ra khỏi cột gel sephadex, các hạt keo hoặc các cao phân tử xuống trước cùng với dung môi nước, còn các ion và phân tử nhỏ chảy xuống sau.
Kỹ thuật này cho phép tách riêng hạt keo ra khỏi ion và chất đơn phân tử.
Phương pháp lọc gel có thể giúp tách riêng từng loại hệ phân tán với. các kích thước hạt khác nhau khi ta sử dụng nhiều loại gel khác nhau.
3.2.4. P hư ơng pháp siêu ỉoc
Phương pháp này sử dụng màng siêu lọc dày hơn màng thẩm tích. Màng siêu lọc được chế tạo từ dẫn xuất của cellulose như acetat cellulose dầy từ 1-2 mm, chịu được áp suất cao chỉ cho phân tử dung môi, ion và phân tử nhỏ đi qua còn hệ keo bị giữ lại.
Hệ keo hay dung dịch cao phân tử cần tinh chế được đưa vào máy lọc, dung dịch được khuấy nhẹ liên tục nhờ que khuấy. Bình siêu lọc được nối với máy nén khí để tăng áp suất hoặc hút chân không.
Dưới áp lực cao, hệ keo được nén qua màng siêu lọc để loại bớt dung môi, ion và hợp chất có phân tử nhỏ, tiểu phân hệ keo sẽ được giữ lại không qua màng siêu lọc.
Phương pháp siêu lọc cũng còn được dùng để cô đặc hệ keo và dung dịch cao phân tử.
Ngòai ra, phương pháp này được dùng trong tinh chế các chế phẩm ít bền với nhiệt như enzyme (men) và nội tiết tố...
86