Thomas Graham
(18051869)

A folyadékok diffúziójának alkalmazása az elemzésre
Részletek

Philosophical Transactions, 151: 183224, (1861)
in: Henry Marshall Leicester and Herbert S. Klickstein, A Source Book in Chemistry 1400-1900 (Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, 1963)


Az illékonyság, amely különbözõ mértékben oly sok anyag tulajdonsága, a szétválasztás értékes eszköze, amint a bepárlás és  a diffúzió gyakran alkalmazott eljárása mutatja. Annyira hasonlít az illékonysághoz a diffúziós képesség, amellyel minden folyékony anyag rendelkezik, hogy tulajdonságaik alapján az anyagok analóg osztályokba sorolhatók. A különbözõ anyagok által mutatott diffúziós mozgékonyság nagyságának tartománya is olyan széles, mint a gõznyomás skálája. A kálium-hidroxid diffúziós sebessége, mondhatni, kétszerese a kálium-szulfáténak, a kálium-szulfáté pedig kétszerese a cukorénak, az alkoholénak és a magnézium-szulfáténak. A megnevezett anyagok, a diffúzió tekintetében, az "illékonyabb" osztályba tartoznak. A diffúzió szempontjából viszonylag "kötöttebb" osztályt a kémiai anyagok különbözõ rendje képviseli. Ezek az anyagok nem képesek kristályosodni és végsõ esetben lassúak. Ez utóbbiak közé tartozik a kristályvíz-tartalmú kovasav, a kristályvíz-tartalmú alumínium-oxid és más alumíniumtartalmú fémes peroxidok, ha oldhatók, továbbá a keményítõ, a dextrin és a mézgák, a karamell, a tannin, az albumin, a zselatin, a növényi és állati kivonatok. Az utoljára felsorolt testek esetében nem a kis diffuzivitás az egyetlen közös tulajdonság. Azzal is kitûnnek, hogy kristályvíz-tartalmú változataik zselatinszerûek. Bár többnyire elég jól oldódnak a vízben, igen gyenge erõ tartja õket oldatban. Figyelemre méltóan ellenállnak a savaknak és a bázisoknak, és nem vesznek részt a szokásos kémiai reakciókban. Másrészt azonban az általuk felmutatott sajátos fizikai aggregáció, amely az említett kémiai semlegességel párosul, feltehetõen követelmény az élet szerves folyamataiban szerepet játszó anyagoknál. Az állati test képlékeny elemei ebbe az osztályba tartoznak. Az osztály anyagait, típusuknak megfelelõen jelölhetné a kolloid szó*, és sajátos aggregációikat nevezhetnénk az anyag kolloid állapotának. A kolloid ellentéte a kristályos állapot. Azokat az anyagokat, amelyek az utóbbi alakot öltik, a krisztalliodok. Ez a különbség kétségtelenül a belsõ molekuláris állapotból fakad.

Bár a kolloidok kémiai szempontból rendszerint közömbösek, fizikai tulajdonságaik révén kompenzáló hatással bírnak. Míg a kristályszerkezet merevsége kizárja a külsõ hatásokat, a zselatinszerû kolloid a puhasága miatt a fluiditásból is részesül, s így a kolloid ugyanúgy a folyadékdiffúzió közege lehet, mint a víz. Ez az áthatolhatóság szilárdsággá alakul át a magas hõmérsékleten is fennmaradó kolloidok esetében. Ezzel magyarázható a kolloidok sokféle külsõ hatással szembeni érzékenysége. A kolloidok másik, igen jellegzetes tulajdonsága a változékonyság. A kolloidok mindig metasztázisban vannak. E tekintetben a kolloid a túltelített sóoldathoz vagy ahhoz a vízhez hasonlítható, amely fagyáspontja alatti hõmérsékleten még folyadékként jelenik meg. A folyékony kolloidoknak feltehetõen mindig van alvadt módosulatuk; már a legkisebb behatásra is átmennek az elsõbõl a második állapotba. A kristályvíz-tartalmú kovasavból például könnyen elõállítható tiszta oldat, de nem tartható el. Zárt csõben napokig vagy hetekig folyékony marad, de végül biztosan zseltinszerûvé és oldhatatlanná válik. A kolloid változása ennél a pontnál, a jelek szerint, meg sem szûnik. A kovasav ásványi formái, amelyek a vízbõl rakódtak le, mint például a kova, a geológiai öregedés folyamán az üvegszerû vagy kolloid állapotból gyakran kristályos állapotba mentek át (H. Rose). A kolloid dinamikus, a kristály statikus anyagi állapot. A kolloidnak ENERGIÁJA van. A kolloid valószínûleg annak az erõnek a elsõdleges forrása, amely az életjelenségekben megnyilvánul. A kémiai-szerves változások jellegzetes elhúzódása szintén összefüggésbe hozható a kolloid változások fokozatos módjával (mert ezekhez mindig idõ szükséges). ...

A kolloid anyagok egyik tulajdonsága igen nagy segítséget nyújt a diffúziós szétválasztáshoz. A keményítõbõl, az állati nyálkából, a pektinbõl és más szilárd, kristályvíz-tartalmú kolloidokból képzett zselék lényegében oldhatatlanok hideg vízben, és nagy tömegükön ugyanúgy áthatolnak a legdiffuzívabb anyagok, mint a vízen. De ezek a zselék igencsak akadályozzák a kevésbé diffuzív anyagok áthaladását. E tekintetben hasonlítanak az állati membránokhoz. Már a vékony zseléréteg is szétválasztja az anyagokat. Nézzük meg illusztrációként a következõ egyszerû kísérletet.

Egy nagyon vékony, enyvezett, nem porózus, francia gyártmányú levélpapírt elõször gondosan megnedvesítettünk, és víz felszínére helyeztük. A vizet tartalmazó kis kád átmérõje kisebb volt a papír szélességénél. A papír közepe lesüllyedt, s olyan tálcát vagy mélyedést alkotott, amely megtartott egy kis folyadékot. A papírra töltött folyadék nádcukor és gumiarábikum oldata volt, amely mindkét anyagból 5 százalékot tartalmazott. A tiszta vizet és az oldatot tehát csak a nedves, egyvezett papírlap választotta el egymástól. Huszonnégy óra múltán a fölsõ folyadéknak észrevehetõen megnõtt a térfogata az ozmózisnyomás hatására. Az alul lévõ vízbe átkerült az összes cukor háromnegyede, mégpedig olyan tiszta állapotban, hogy kikristályosodott, amikor a folyadékot vízfürdõn bepároltuk. A kádban levõ víz alig zavarosodott meg az ólomecettõl, ami azt mutatja, hogy a gumi legfeljebb nyomokban juthatott át. A leírásban szereplõ papírt keményítõvel enyvezték. A nedves papír zselatinos keményítõrétege nem akadályozta a krisztalloid cukor áthaladását, de feltartóztatta a kolloid gumit. A jelenség magyarázatát azonnal kifejtem.

Az enyvezett papír nem viselkedhet szûrõként. Mechanikailag áthatolhatatlan, és nem engedi a kevert folyadék egészének áthaladását. Csak molekulák léphetnek át a válaszfalon, anyagtömegek nem. A molekulákat a diffúziós erõ mozgatja. De a zselatinszerû keményítõhöz tartozó víz nem lehet közvetlenül sem a cukor, sem a gumi diffúziós közege, mert valódi bár gyenge kémiai kötésben van. A kristályvíz-tartalmú vegyület szilárd és oldhatatlan. A cukor azonban, s a többi krisztalloid, molekulánként leválaszthatja a vizet bármely hidratált kolloidról, például a keményítõrõl. A cukor tehát hozzájut a diffúzióhoz szükséges folyékony közeghez, és áthalad a zselatinszerû válaszfalon. A guminak mint kolloidnak azonban nagyon kicsi a vízzel szembeni affinitása, s képtelen a vizet leválasztani a zselatinos keményítõrõl, tehát nem tudja kinyitni az ajtót önnön diffúziója elõtt.

Az itt vázolt szétválasztás némiképp analóg ahhoz, amit a szén-dioxid és a hidrogén gázkeverékével töltött szappanbuborékban figyelhetünk meg. Egyik gáz sem képes áthaladni a vízrétegen. De szén-dioxid, amely oldható a vízben, lecsapódik és feloldódik a vízrétegben, elindulhat kifelé, s elérheti a légkört, míg a vízben oldhatatlan vagy csaknem oldhatatlan hidrogén a hólyagban marad.

Engedtessék meg nekem, hogy a zselatinszerû válaszfalon lejátszódó diffúziós szétválasztásra a dialízis kifejezést használjam. A legalkalmasabb dialízis-válaszfalnak a kereskedelemben kapható pergamenpapír tûnik, amelyet elõször Gaine úr állított elõ, s jelenleg De la Rue urak gyártják sikerrel. Ezt a papírt nem enyvezik, hanem rövid idõre kénsavba vagy cink-kloridba merítik, ahogy T. Taylor úr javasolta. ...

Hadd hívjam fel ismét a figyelmet arra az éles különbségre, amelyet a kolloidok és a krisztalloidok belsõ molekuláris szervezõdésében feltételeztünk a dolgozatban. Mindkét osztályban minden fizikai és kémiai tulajdonság jellegzetesen módosul. Ezek az osztályok különbözõ anyagi világokként jelennek meg, és módot adnak a kémiai tudomány megfelelõ rendszerezésére. Ezek között az anyagfajták között olyan különbség van, mint az ásvány és a szervezett tömeg anyaga között.

A kolloid jelleg nem törlõdik el a cseppfolyósítás hatására, ezért nem csupán a szilárd anyag fizikai állapotának módosulása. Egyes kolloidok, például a zselatin és a gumiarábikum, oldódnak a vízben, mások, például a tragantgumi, nem. Egyes kolloidok, például a zselatin és a tragantgumi, szilárd vegyületet képeznek a vízzel, mások, például a tannin, nem. Ebbõl a szempontból a kolloidok olyan sokféle tulajdonságot mutatnak, mint a krisztalloidok. A két osztály között, a különbségek ellenére, bizonyos párhuzam van.

A só vagy a krisztalloid oldódásának jelenségei a kolloid oldatban is valószínûleg megjelennek, de csökkent mértékban. A folyamat lelassul; úgy tûnik, az idõ minden kolloid változásban fontos tényezó. Az oldódást kísérõ, szokásos hõmérséklet-változás alig észlelhetõ. A tömény oldat mindig észlelhetõen gumiszerû vagy viszkózus. A kolloidot, bár oldószere gyakran jól oldja, rendkívül gyenge erõ tartja oldatban. Ezért ha a kolloidok oldatához más osztályba tartozó anyagot adnak, a kolloidok rendszerint kicsapódnak. A folyékony kolloidokat a krisztalloidoktól elsõsorban az különbzöteti meg, hogy vízben lassan diffundálnak és a kolloid válaszfalon nem hatolnak át. A kolloidok kémiai reakciói gyengék, de a kolloid anyagok nagyon érzékenyek a folyékony reagensek többségére, amint mondottuk.



* kolla: enyv, eidosz: forma

Vissza http://www.kfki.hu/chemonet/
http://www.ch.bme.hu/chemonet/