Дисперсные системы. Коллоидные растворы

Дисперсные системы. Коллоидные растворы.

Дисперсное состояние вещества. Получение дисперсных систем. Классификация дисперсных систем. Коллоидные частицы и мицеллы. Свойства коллоидных растворов. Устойчивость коллоидных систем. Коагуляция и седиментация. Образование и свойства гелей.

При растворении любого вещества в воде можно получить частицы разного размера. Если вещества присутствуют в растворе в виде молекул атомов или ионов, то такие системы называются истинными растворами.

Если же мы разобьем нерастворимое  в воде вещество на мельчайшие, но не молекулярные или ионные частицы, то можем получить дисперсную систему с различными размерами частиц. Дисперсные системы не могут быть получены самопроизвольно. Для этого нужно совершить определенные действия, связанные с затратой энергии. Дисперсные частицы можно получить либо дроблением крупных частиц, либо объединением мелких частиц (молекул, атомов или ионов) в более крупные агрегаты. Первый метод называется диспергированием, а второй конденсацией.

Для получения дисперсных систем первым способом используются шаровые мельницы – полые вращающиеся цилиндры, содержащие некоторое количество стальных или керамических шаров. При вращении цилиндра эти шары перекатываются, дробя и истирая измельчаемый материал. В шаровых мельницах получают порошки, цемент, густотертые краски и пр. Для более тонкого измельчения вещества используют так называемые коллоидные мельницы, а также ультразвуковые методы.

К методам получения дисперсных систем методом конденсации относятся конденсация паров в газовой фазе; конденсация паров при пропускании их через холодную жидкость; замена растворителя; а также химические методы, когда дисперсные системы образуются при получении малорастворимых соединений в результате химических реакций, проведенных в определенных условиях, когда вместо осадка получается дисперсная система.

Дисперсные системы являются гетерогенными системами. Они состоят из сплошной непрерывной фазы – дисперсионной среды и находящихся в этой среде раздробленных частиц различного размера и формы – дисперсной фазы.

Дисперсные системы классифицируют по дисперсности (степенью дисперсности называется величина, обратная размеру частицы) на грубодисперсные системы (с размерами частиц от 1 до 10^-2 см) и коллоидные растворы  (с размерами частиц от 10^-2 до 10^-7 см). Частицы грубодисперсных систем различимы в обычный микроскоп, задерживаются бумажным фильтром и расслаиваются при стоянии. Частицы коллоидных растворов проходят через бумажный фильтр, невидимы в обычный микроскоп и не изменяются при стоянии.

Классификация систем по дисперсности не дает полного представления о свойствах систем, поэтому их дополнительно классифицируют по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды.  Существует восемь вариантов сочетания агрегатных состояний (см. таблицу):

Рекомендуемые материалы

К системам с жидкой дисперсионной средой относятся лиозоли, или коллоидные растворы металлов (золота и серебра), взвеси, суспензии; эмульсии (молоко, майонез, маргарин, эмульсолы); пены.

К системам с твердой дисперсной средой относятся твердые золи (цветное стекло, сплавы, драгоценные камни); твердые эмульсии, или гели, представляющие собой вкрапления капелек жидкости в твердое тело  (жемчуг, опал, алюмогель, силикогель); твердые пены (пемза, туф, пенобетон, пенопласт и др.) К системам с газообразной дисперсной средой относятся пыль, дым, туман.

 Таблица 1.

Коллоидные системы широко распространены в природе, а также играют важную роль во многих производственных процессах (водоподготовка, очистка сточных вод).  Коллоидные системы, в которых дисперсионной средой является жидкость, называются золями, или коллоидными растворами.

Частицы дисперсной фазы коллоидных  растворов называются коллоидными частицами. Коллоидная частица состоит из ядра, адсорбирующего из окружающей среды ионы одного вида. Эти ионы называются зарядообразующими или потенциалопределяющими, их химическая природа близка природе ядра коллоидной частицы. Ядро коллоидной частицы с адсорбированными зарядообразующими ионами притягивает к себе из окружающей среды (раствора) ионы противоположного знака (противоионы), образующие вокруг ядра диффузный слой и частично входящие в состав адсорбционного слоя. В состав коллоидной частицы входит только часть имеющихся в системе противоионов, их называют связанными.  Другая часть противоионов остается в дисперсионной среде, в жидкой фазе. Эти противоионы называются свободными.

Ядро совместно с адсорбционным слоем связанных противоионов называется коллоидной частицей. Электрический заряд коллоидной частицы равен сумме зарядов потенциалопределяющих  ионов и ионов адсорбционного слоя. Заряд, возникающий на коллоидной частице, приводит к возникновению потенциала, который называется ξ (дзета)- потенциалом.

Коллоидная частица ведет себя в растворе как единое целое. Эта частица вместе со свободными противоионами диффузного слоя, которые сообщают заряд дисперсионной среде, образуют мицеллу – структурную единицу коллоидного раствора. Суммарный заряд мицеллы в силу электронейтральности равен нулю.

Знак ξ – потенциала коллоидной частицы зависит от состава дисперсионной среды в момент образования дисперсной фазы системы. Например, если система получены при медленном вливании разбавленного раствора нитрата серебра в разбавленный раствор йодида калия, то на ядре, состоящем из кристаллов йодистого серебра, адсорбируются йодид-ионы, входящие в состав образующихся кристаллов йодистого серебра и присутствующие в системе в момент образования этих кристаллов в избытке. Йодид-ионы будут в данном случае потенциалопределяющими (зарядообразующими) и ξ – потенциал будет отрицательным.  Если же порядок смешения растворов сменить на противоположный, то  в момент образования кристаллов йодистого серебра в растворе в избытке будут находиться ионы серебра, входящие в состав кристаллов. Они и будут  потенциалопределяющими, и в этом случае ξ–потенциал окажется положительным.
Следовательно, химический состав мицеллы зависит от многих факторов и записывается полуколичественно, что позволяет составить общее представление о свойствах коллоидной системы. В формуле указывают качественный химический состав ядра, состав коллоидной частицы с потенциалопределяющими ионами и адсорбционным слоем противоионов и состав диффузного слоя мицеллы.

Например, отрицательный золь йодида серебра имеет мицеллу следующего состава:

            {[(AgJ)_m∙nAg⁺∙xNO₃^-]∙(n-x)NO₃^-}

Отрицательный золь йодида серебра имеет мицеллу вида:

            {[(AgJ)_m∙nJ^-∙xK⁺]∙(n-x)K⁺}

где m – число молекул йодида серебра в ядре; n и x -  количество потенциалопределяющих ионов и противоионов в адсорбционном слое частицы; (n-x) – число противоионов в диффузном слое мицеллы.

Задача 1.

При пропускании избытка сероводорода в раствор соли мышьяка (III) AsCl₃ получили золь сульфида мышьяка. Учитывая условия образования, напишите формулу мицеллы золя и определите знак его заряда (ξ–потенциала).

Задача 2.

Золь кремниевой кислоты H₂SiO₃ был получен при взаимодействии растворов K₂SiO₃ и HCl. Напишите формулу мицеллы золя и определите, какой из электролитов был в избытке, если противоионы движутся в электрическом поле к катоду.

К важнейшим свойствам коллоидных растворов относится их опалесценция (свечение, или эффект Тиндаля), вызванный дифракцией световых лучей на коллоидных частицах. Это свойство коллоидных растворов позволяет идентифицировать их.

Если поместить дисперсную систему в электрическое поле, наблюдается явление, известное под названием электрофореза.  Частицы дисперсной фазы (глина) и дисперсионной среды (вода) при наличии разности потенциалов движутся в противоположных направлениях. Электрофорезом называется перемещение в электрическом поле частиц дисперсной фазы; перемещение дисперсионной среды называется электроосмосом.

Электрофорез используют для обезвоживания нефти, в производственных процессах (воздушные электрофильтры, покрытия), в медицинской практике для введения в организм коллоидных лекарственных препаратов и т.д.

Электроосмос используется при опреснении воды (обратный осмос), при электроосушении и очистке лекарственных препаратов, для дубления кожи и пр.

Дисперсные системы потому и рассматриваются особо, отлично от обычных гетерогенных систем, что по внешнему виду они напоминают растворы. В то же время само существование коллоидных систем противоречит законам термодинамики, так как они обладают огромным запасом поверхностной энергии, но, несмотря на это, освобождаются от нее «нехотя». Устойчивость коллоидных систем объясняется наличием у коллоидных частиц электрического заряда (ξ–потенциала). Частицы дисперсной фазы имеют одноименный заряд, вызывающий их взаимное отталкивание. Наличие электрического заряда у коллоидных частиц приводит к их гидратации  (полярные молекулы воды вступают во взаимодействие в коллоидными частицами). Ядра коллоидных частиц многих золей имеют собственную гидратную оболочку. Такие золи называются гидрофильными. Гидратная оболочка снижает поверхностную энергию дисперсной фазы и приводит к разобщению частиц в коллоидном растворе.

Это явление называется коллоидной устойчивостью. Коллоидная устойчивость определяется способностью коллоидных систем сохранять неизменными такие свойства как окраска, прозрачность, однородность. При длительном хранении гидрофильные золи переходят в особое «студнеобразное» коллоидное состояние. В таком виде их называют гелями. Структура геля такова, что мицеллы не разрушаются, а связываются друг с другом, образуя ячейки, внутри которых сохраняется водная среда. Гель можно высушить, превратив его в твердый коллоид. Примером такого геля является желатина.

            Устойчивость золя можно нарушить, устранив одноименный заряд и защитную гидратную оболочку.  Коллоидные частицы в этом случае укрупняются, слипаются. Процесс укрупнения частиц, потеря агрегативной устойчивости золя называется его коагуляцией. Коагуляция золя приводит к потере его кинетической устойчивости, которая выражается в образовании осадка. Этот процесс называется седиментацией.

Одним из методов разрушения коллоидной системы – введение в нее твердого электролита или его концентрированного раствора. Ионы электролита проникают внутрь коллоидной частицы, снижая ее заряд. Это приводит к коагуляции и седиментации коллоидного раствора.

Коагуляцию золя вызывает тот из ионов прибавленного электролита, заряд которого противоположен заряду коллоидной частицы. Коагулирующая способность иона определяется его зарядом. Чем больше заряд иона, тем больше его коагулирующая способность.  Минимальное количество электролита, прибавленного к золю, которое может вызвать его коагуляцию, называется порогом коагуляции электролита. Он измеряется в ммоль/л и вычисляется по формуле:

                        ПК = NV₁1000/(V₁ + V₂),  где

N - нормальная концентрация  электролита;

V₁ – объем электролита, л;

V₂ – объем золя, л

"Место России в мировой экономике" - тут тоже много полезного для Вас.

Значение порогов коагуляции электролитов с одно-, двух- и трехзарядными ионами относятся как числа 29:11:1.

Задача 3.

Как расположатся пороги коагуляции в ряду CrCl3, Ba(NO3)2, K2SO4  Для золя кремниевой кислоты, частицы которого заряжены отрицательно?

Задача 4.

В каждую из трех колбу налито по 0,01 л золя хлорида серебра. Для коагуляции в 1-ю колбу добавлено 0,002л 0,1н раствора нитрата натрия, во 2-ю – 0,012л 0,01н раствора нитрата кальция, а в 3-ю – 0,007л 0,001н раствора нитрата алюминия. Вычислите пороги коагуляции электролитов, определите знак заряда золя.

(Ответ: 1- 166,7 ммоль/л; 2 – 5,45 ммоль/л; 3 – 0,41 ммол/л)