IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ДИАЛИЗ, ЕГО ВИДЫ И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НЕГО
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В современном мире здоровье человека зависит от множества факторов. Мы пользуемся последними новейшими достижениями техники и химической промышленности, жителям городов волей-неволей приходится дышать загрязненным воздухом, да и питание человека не отличается полезностью. Все это оказывает негативное влияние на здоровье человека. В связи с этим самым популярным направлением в медицине считается «чистка» организма.
Вещества, из которых состоит организм, представляют собой коллоидные системы. Из коллоидов, богатых белками соединительной ткани, состоят кожа, мышцы, ногти, волосы, кровеносные сосуды, легкие, весь желудочно-кишечный тракт и многое другое, без чего немыслима сама жизнь. Можно сказать, 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.
Почки являются фильтрами и выводят из нашего организма непотребные излишества, в виде лишней воды и солей. Разумеется, в почках непрерывно образуются солевые кристаллы, это абсолютно нормально, если почки справляются со своей задачей по выведению продуктов жизнедеятельности организма. Соли естественным образом выводятся из организма и не доставляют никакого беспокойства. Но если почки не справляются со своей функцией, то рекомендуют проводить диализ.
Диализ – очистка коллоидных растворов, в том числе и искусственное очищение крови и других жидкостей человеческого организма от скопившихся шлаков. Без диализа все пациенты с неработающими почками умерли бы от скопления токсинов в организме. Эту проблему решила такая наука как коллоидная химия.
Коллоидная химия помимо этого играет большую роль в разработке эффективных методов охраны окружающей среды, как, например, очистка воды от различных загрязнений.
Ученые только проникают в тайны строения и работы клеток живых организмов, пытаются понять законы очищения организма.
Как протекает диализ, какие параметры на него влияют? На чем основан данный метод? Почему природа отдает предпочтение именно коллоидному состоянию?
Эти вопросы очень заинтересовали нас, так как в будущем мы планируем стать врачами. С учётом этого разработали проект: «Диализ, его виды и факторы, влияющие на него», определили цель и задачи:
Цель:Исследование диализа и факторов, влияющих на данный метод.
Задачи- изучить литературу о диализе и его видах,
- выявить, на чем основан данный метод,
- исследовать экспериментально влияние различных факторов (температуры, площади мембраны, «питательной среды») на диализ.
Объект исследования: коллоидные системы
Предмет исследования: факторы, влияющие на диализ в коллоидных системах.Гипотеза исследования
На скорость диализа влияет температура, площадь мембраны, «питательная среда».
Методы исследования
• наблюдение
• описание
• эксперимент
• анализ
Проведенный эксперимент не требует большого вложения, так как все необходимые реактивы имеются в наличии в школьной лаборатории. Эксперименты можно повторять многократно, так как их проведение не требует больших временных рамок.
Практическая значимость исследования заключается в возможности использования методов очистки коллоидных систем для решения экологических проблем: блокирования растекания нефти (если произошло загрязнение поверхности воды нефтью при аварии) или очистки водоемов от белковых веществ, содержащихся в сточных водах предприятий пищевой промышленности.
Считаем, люди должны знать все о коллоидных системах, способах их очистки. Уметь применять эти знания, так как от этого зависит жизнь будущих поколений.
1. Коллоидные системы, способы их очистки.
1.1. Коллоидная система.
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.
Для получения молекулярных коллоидов достаточно привести сухое вещество в контакт с растворителем. Растворение макромолекулярных коллоидов проходит через стадию набухания. При набухании молекулы растворителя проникают в твердый полимер и раздвигают макромолекулы. Набухания полимера является важной стадией в производстве многих материалов (дубление сыромятной кожи, вулканизация каучука).
Способы очистки коллоидов.
Существуют три основных способа очистки коллоидов.
1.2. Диализ.
Диализ - очистка коллоидных растворов и субстанций высокомолекулярных веществ от растворённых в них низкомолекулярных соединений при помощи полупроницаемой мембраны. При диализе молекулы растворенного низкомолекулярного вещества проходят через мембрану, а неспособные диализировать (проходить через мембрану) коллоидные частицы остаются за ней.
Простейший диализатор представляет собой мешочек из коллодия (полупроницаемого материала), в котором находится диализируемая жидкость. Мешочек погружают в растворитель (например, в воду). Постепенно концентрация диализирующего вещества в диализируемой жидкости и в растворителе становится одинаковой. Меняя растворитель, можно добиться практически полной очистки от нежелательных примесей. Скорость диализа обычно крайне низка (недели). Ускоряют процесс диализа увеличивая площадь мембраны и температуру, непрерывно меняя растворитель. Процесс диализа основан на процессах осмоса и диффузии, что объясняет способы его ускорения. Диализ применяют для очистки коллоидных растворов от примесей электролитов и низкомолекулярных неэлектролитов. Материал, прошедший через мембрану, называется диализат.
1.3.Электродиализ Электродиализ - процесс диализа, ускоряемый действием электрического тока. Электродиализ применяют для очистки коллоидных растворов, загрязненных электролитами. В принципе, процесс электродиализа мало отличается от обычного диализа. Существенное отличие заключается в том, что с помощью внешнего электрического поля удается более быстро и полно отделить катионы и анионы электролитов от коллоидного раствора.Простейший электродиализатор представляет собой сосуд, разделенный на 3 камеры. В среднюю камеру, снабженную мешалкой, наливают подлежащий очистке коллоидный раствор. В боковые камеры помещены электроды, подключенные к источнику постоянного тока и трубки для подвода и отвода растворителя (воды). Под действием электрического поля происходит перенос катионов из средней камеры в катодную камеру, а анионов - в анодную.Преимуществом электродиализа перед обычным диализом является малое количество времени, необходимое для очистки (минуты, часы).Следует отметить, что электродиализ особенно эффективен только после предварительной очистки с помощью обычного диализа, когда скорость диффузии из-за падения градиента концентрации электролитов между золем и водой мала и можно применять электрическое поле большого напряжения, не боясь сильного разогревания золя.1.4.Ультрафильтрация. 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. То есть, ультрафильтрация есть ничто иное, как диализ, проводимый под давлением.Ультрафильрация позволяет скорее отделить от коллоидного раствора электролиты и другие примеси (низкомолекулярные неэлектролиты), чем это происходит при диализе.При ультрафильтрации достигают высокой степени очистки золя, периодически разбавляя последний водой. При разбавлении водой золь будет содержать меньше низкомолекулярных примесей, но одновременно и стабилизаторов.На конечной стадии путем отсасывания дисперсионной среды можно сконцентрировать коллоидный раствор. При этом важно, что повышается концентрация только дисперсной фазы, состав же дисперсионной среды остается практически постоянным.Ультрафильтрация может применяться в сочетании с электродиализом (электроультрафильтрация), благодаря чему значительно ускоряется удаление электролитов из коллоидного раствора.Применение мембран с определенным размером пор позволяет разделить коллоидные частицы на фракции по размерам и ориентировочно определить эти размеры.Предложено много приборов для проведения ультрафильтрации. Так как ультрафильтрация всегда проходит под давлением, то во всех приборах для ультрафильтрации мембрана либо накладывается на пластинку с мелкими отверстиями, служащую для нее опорой, либо непосредственно получается на стенках неглазурованного фарфорового сосуда. Например, ультрафильтры Бехгольда получают путем нанесения на стенки пористого фарфорового сосуда разбавленного коллодия и последующего его высушивания.Все это говорит о том, что ультрафильтрация является не только методом очистки коллоидных систем, но и может быть использована для дисперсионного анализа и препаративного разделения дисперсных систем.Принцип метода компенсационного диализа состоит в том, что в диализаторе вместо чистого растворителя используют растворы определяемых низкомолекулярных веществ различной концентрации. Например, для определения свободного, не связанного с белками, сахара крови проводят ее диализ против изотонического солевого раствора, содержащего различные концентрации сахара. В том растворе, где концентрация сахара равна концентрации свободного сахара в сыворотке крови, в ходе диализа концентрация сахара не изменяется. Этот метод позволил выявить присутствие в крови глюкозы и мочевины в свободном состоянии. 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 и т.п.
2. Применение коллоидных систем.
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 для медицины.
Впервые немецкий врач Вильям Кольф применил аппарат «искусственная почка». С тех пор он применяется для неотложной хронической помощи при острой интоксикации, для подготовки больных с хронической почечной недостаточностью к трансплантации почек, для длительного (10-15 лет) жизнеобеспечения больных с хроническим заболеванием почек.
Аппарат представляет собой систему из плоских каналов, разделенных тонкими целлофановыми мембранами, по которым встречными потоками медленно движутся кровь и диализат – солевой раствор, обогащенный газовой смесью CO2 + О2. Аппарат подключается к кровеносной системе больного с помощью катетеров, введенных в полую (вход крови в диализат) и локтевую (выход) вены. Диализ продолжается 4-6 ч. Этим достигается очистка крови от азотистых шлаков при недостаточной функции почек, т.е. осуществляется регулирование химического состава крови.
3. Исследование.
При получении коллоидных систем с помощью химических реакций могут образоваться побочные продукты.
Все виды нежелательных примесей представлены в основном низкомолекулярными веществами, а поэтому очистка коллоидных систем преследует своей целью освобождение коллоидных систем от низкомолекулярных примесей. Диализ является простейшим методом очистки коллоидных систем.
Метод диализа основан на неодинаковой способности компонентов раствора к диффузии через тонкие пленки – мембраны, обладающие избирательной проницаемостью. Мембрана представляет собой пористую пленку, через поры которой могут проникать небольшие молекулы. Метод диализа используется для очистки высокомолекулярных соединений от низкомолекулярных, а также концентрирования растворов полимеров.
Если в качестве питательной среды взятьколлоидный раствор и поместить в него несколько кристалликов соли, то можно наблюдать рост «сада». «Сад» развивается в результате явления «диализ». Кристаллики соли покроются пленкой, а на ней появятся почки, из которых станут развиваться разноцветные прямые и извилистые причудливой формы стебли. Получаются очень красивые ветвящиеся «деревья». В коллоидном растворе каждый кристаллик покрывается полупроницаемой пленкой. Через эту пленку вода проходит только в одну сторону – из коллоидного раствора к кристаллу. При этом пленка растягивается и лопается, часть кристалла вытекает и тотчас покрывается опять такой же пленкой. Этот процесс повторяется несколько раз, и минералогические «деревья» могут расти и ветвиться.
Опыт №1
Изучение зависимости «питательной среды» на диализ.
В качестве питательной среды взяли жидкое стекло и концентрированный раствор желтой кровяной соли.
В стеклянный цилиндр №1 влили примерно до половины раствор желтой кровяной соли и в цилиндр №2 концентрированный раствор жидкого стекла.
Бросили в каждый цилиндр по несколько кристалликов соли хлористого железа. Кристаллики соли покрылись пленкой, а на ней появились почки, из которых стали развиваться разноцветные прямые и извилистые причудливой формы стебли. В жидком стекле и в концентрированном растворе желтой кровяной соли каждый кристаллик покрылся полупроницаемой пленкой, состоящей из кремневокислых и железоциановых соединений. Через эту пленку вода проходила только в одну сторону – из стекла и раствора желтой кровяной соли к кристаллу. При этом пленка растягивалась и лопалась, часть кристалла вытекала и тотчас покрывалась опять такой же пленкой. Этот процесс повторялся несколько раз. Выявили: скорость процесса, проходящего в цилиндре №1, была выше. (Приложение №1).
Вывод: на скорость диализа влияет природа коллоидного раствора .
Опыт №2
Изучение зависимости низкомолекулярных примесейна диализ.
В качестве питательной среды взяли концентрированный раствор желтой кровяной соли.
В пять стеклянных цилиндров влили примерно до половины концентрированный раствор желтой кровяной соли. Бросили по несколько кристалликов в цилиндр№1- хлористого железа (желтые), в цилиндр№2 - марганцовокислого калия (малиновые), в цилиндр№3 - медного купороса (синие), в цилиндр№4 – сернокислого никеля (зеленые), в цилиндр№5 – дихромата калия (оранжевые).
Цвет химических «растений» и их форма была различной. В цилиндре №1 растительность похожа на деревья, а в остальных цилиндрах появились минералогические деревья больше похожие на водоросли. Цвет «растительности» совпадал с цветом солей. (Приложение №2).
Вывод: на скорость диализа влияет природа низкомолекулярного вещества, введенного в коллоидный раствор.
Опыт №3
Изучение влияния температуры на диализ.
В качестве питательной среды взяли концентрированный раствор желтой кровяной соли.
В два стеклянных цилиндра влили примерно до половины растворы соли разной температуры. Раствор №1 – температура 37 градусов по Цельсию, раствор №2- комнатная температура (22 градуса по Цельсию).
Бросили в каждый цилиндр по несколько кристалликов соли хлористого железа. Начался диализ. В цилиндре №1 диализ протекал с большей скоростью. (Приложение №3).
Вывод: на скорость диализа влияет температура. Скорость процесса увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее.
Опыт №4
Изучение влияния площади мембраны на диализ.
В качестве питательной среды взяли концентрированный раствор желтой кровяной соли.
Взяли два стеклянных цилиндра. В данные цилиндры влили примерно до половины концентрированные растворы желтой кровяной соли. Бросили в цилиндр №1 небольшие кристаллики соли хлористого железа, а в цилиндр №2 поместили тонкую пластину кристалла хлористого железа (масса пластины хлористого железа равна массе кристаллов, помещенных в цилиндр №1). В цилиндре № 2 диализ протекал с большей скоростью.
(Приложение №4).
Вывод: на скорость диализа влияет площадь мембраны. При увеличении площади мембраны диализ протекает быстрее.
Заключение
В результате изучения литературы и проведения исследования мы, как нам кажется, сумели найти ответ на поставленные вопросы. Природа отдает предпочтение именно коллоидному состоянию потому, что вещество в коллоидном состоянии имеет большую поверхность раздела между фазами. А это способствует лучшему протеканию обмена веществ. Сам человек это и есть коллоидная система. Множество процессов и реакций происходят за счет коллоидной химии.
Проведя исследования выявили, что температура, площадь мембраны, «питательная среда» влияют на диализ, (чем выше температура, площадь мембраны, тем быстрее диализ), то есть гипотеза, выдвинутая в начале исследования, подтвердилась, поставленная цель достигнута.
Диализ является одним из способов очистки коллоидных растворов и субстанций высокомолекулярных веществ от растворённых в них низкомолекулярных соединений. Данный метод можно использовать для решения экологических проблем: блокирования растекания нефти, если произошло загрязнение поверхности воды нефтью при аварии (законы коллоидной химии и поверхностных явлений позволяют рекомендовать возможные приёмы блокирования растекания и сбора нефти). Так же, характерным примером использования очистки коллоидных систем является восстановление загрязненных водоемов от белковых веществ, содержащихся в сточных водах предприятий пищевой промышленности.
Особенно эффективная очистка достигается с помощью пен, обладающих определёнными коллоидно-химическими характеристиками.
Мы думаем, люди должны знать все о коллоидных системах, способах их очистки 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.Евстратова К.И. Физическая и коллоидная химия. М., Высшая школа1990г.
5.Зайцев О.С. Неорганическая химия. Учебник для профильных школ. М., Дрофа, 2006 г.
6.Ребиндер П.А. О термодинамических равновесных двухфазных дисперсионных системах. Коллоидная химия, 1970, т.32, стр. 480
7.Физколлоидная химия. Учебник для высшей школы. М., Просвещение,
1988 г.
8.Шевчук В.Г. Занимательные опыты по химии, Ярославское книжное издательство,1960г.
Приложение №1
Опыт №1
Приложение № 2
Опыт №2
Опыт №3
Приложение № 4
Опыт №4