Курс общей химии. Мингулина, Масленникова, Коровин_1990 -446с (996867), страница 43
Текст из файла (страница 43)
$ Ч'ьв. УСТОЛЧИВОСТЬ И КОДГУЛЯЦИЯ КОЛЛОИДИЫХ СИСТЕМ Кинетическая и агрегативная устойчивость коллоидных систем. Следствием кинетических свойств коллоидных растворов является их кинетическая устойчивость, которая состоит в том, что концентрация коллоидных растворов одинакова по всему объему системы и при правильном хранении не изменяется во времени. Электрические свойства коллоидных растворов объясняют их агрегативную устойчивость, которая проявляется в том, что частицы дцсперсной фазы в коллоидном растворе не укрупняются, не слипаются. Сохранение коллоидной степени дисперсности во времени обусловлено прежде всего наличием одноименного электрического заряда частиц дисперсной фазы, вызываюгцего их взаимное отталкивание.
С увеличением значения электрокииетического потенциала растет устойчивость коллоидных систем. Наличие электрического заряда у частиц дисперсной фазы приводит к их значительной гидратации (полярные молекулы воды определенным образом ориентируются относительно заряженных частиц и вступают с ними во взаимодействие). Гидратная оболочка заметно снижает поверхностную энергию дисперсной фазы и тем самым уменьшает Стремление частиц к укрупнению. Гидратная оболочка приводит также к разобщению частиц в коллоидном растворе, что повышает агрегативную устойчивость, а иногда даже обеспечивает сохранение коллоидиой степени дисперсности. Частицы дисперсной фазы некоторых веществ, склонных к образованию волей, проявляют большое сродство к молекулам срй.'ды НгО, адсорбируя их в первую очередь. Ядро коллоидной частицы таких волей имеет собственную гидратную оболочку гпМ ° (НТО.
Формула мицеллы золя (Ктм ° ГНгО]адгга — х)В уНгО)*'+хп ° хНгО)' Такие коллоидные растворы называют гидрофильными. Гидрофильные коллоидные растворы приближаются по свойствам к истинным растворам. Это, как правило, воли органического происхождения. Коллоидные растворы большинства неорганических веществ имеют гидрофобный характер*. Агрегативная устойчивость гидрофильных волей особенно велика, так как при наличии защитного действия одиоименного ' Некоторые кстлоидные системы являются переходными от гидрофильных к гидрофойным, нипример коль кремниеиай кислотм: (((т5Юг"!НгО) лзЮгг '2(л — х) Н ~ уНгО)г" "+2хН" хНгОгг 176 заряда коллоидных частиц и общей гидратной оболочки добавляется еще защитное действие гидратной оболочки ядра 1НзО.
Гели и твердые коллоиды. При длительном хранении гидрофильные воли переходят в особое «студнеобразное» коллоидное состояние. В таком виде их называют гелями. Структура геля такова, что мицеллы не разрушаются, а просто связываются друг с другом, образуя своеобразные ячейки, внутри которых сохраняется среда НзО. Гель можно высушить, превратив его в твердый коллоид (рис.
Ч1.7). Примером гидрофильного золя может служить воль желатина. В продаже имеется твердый коллоид желатина. При набухании в воде образуется гель. При нагревании геля («студня») образуется золь. Все процессы обратимы: воль = гель = твердый коллонд Сохранение во всех состояниях мицеллярной структуры связано с высокой устойчивостью гидрофильной коллоидной системы. Коагуляция и седиментация. Устойчивость золя можно нарушить, устранив одноименный заряд коллоидных частиц и защитную гидратную оболочку. На границе раздела коллоидная частица — среда устанавливаются два равновесия: противоионы в коллоидной частице противоионы в среде о) 12) вода в коллоидной частице вода в среде ,е Ео ОЕ О О ей Оо6 е о )ро о Оооо Ог О во ОО ОЕе~з 0 ООее оеод о ой) оо Зиле Тг)где)а|й клллпиг) арль Рис, И.7.
Обратимые процессы перехода золя в гель и геля в твердый коллонд 'г77 Если сместить равновесие (! ) влево, то возрастет число противоионов в коллоидной частице и уменьшится ее заряд. Уменьшение заряда частицы приведет, в свою очередь, к уменьшению числа молекул воды в гидратной оболочке коллоидной частицы, т. е. к смещению равновесия (2) в правую сторону. Устойчивость коллоидной системы нарушится. При некоторых условиях число противоионов в коллоидной частице может стать таким, что их заряд полностью нейтрализует заряд зарядообразующих ионов, т. е. коллоидная частица станет незаряженной. При этом с-потенциал становится равным нулю.
Такое состояние коллоидной частицы называется изоэлектрнческим состоянием. Гидратная оболочка частицы в изоэлектрическом состоянии в значительной мере разрушена. Коллоидные частицы не защищены и при столкновениях слипаются, укрупняются. Процесс укрупнения частиц, потеря агрегативной устойчивости золя называется копзцлдцддй. Коагуляция золя приводит к потере его кинетической устойчивости, которая выражается в образовании осадка. Этот процесс называют седименгацией. Рассмотрим схему нарушения устойчивости коллоидного раствора на примере золя Ре(ОН)е. [[(тле(ОН)к)леер "З(л — к)С! уНрО)ь++ЗкС( хНеО)' На границе раздела дисперсная фаза — дисперсионная среда устанавливаются равновесия согласно (1) и (2): З(л — х)С( .
ЗхС( (1а) уНеО*=хНеО (2а) Коагуляция золя связана со смещением равновесия (1а) в левую сторону, а равновесия (2а) в правую. Состав частиц при этом изменяется: они теряют заряд и защитную гидратную оболочку: [(тее(ОН)е)лрееезлС( 1' Нейтральные частицы укрупняются (коагулируют) и образуют осадок (седиментируют). Состав осадка [(тле(ОН) я лее'+ЗлС( ) р, где р — число слипшихся частиц в коагуляте. Один из методов разрушения коллоидной системы — пропускание постоянного электрического тока через коллоидный раствор. При этом происходит электрохимическое снятие заряда с коллоидной частицы на одном из электродов н последующая потеря частицей гидратной оболочки. Другой метод разрушения коллоидной системы — введение в коллоидную систему твердого электролита или его концентрированного раствора. При этом происходит гидратация ионов электролита за счет молекул НеО из дисперсионной среды.
Равновесие дНеО=гНеО нарушается и смещается в сторону пополнения воды в среде: уНеΠ— гНеО, что приводит к ослаблению защитной гидратной оболочки частицы. Одновременно смещается противоионное равновесие в сторону увеличения числа связанных противоионов. Это происходит потому, что введение электролита в систему резко повышает концентрацию ионов в дисперсионной среде и они проникают внутрь коллоидной частицы, снижая ее заряд. Результатом смещения указанных равновесий является нарушение устойчивости золя, сопровождающееся его коагуляцией и седиментацией. 178 Коагуляцня в процессе водоподготовки.
В природных водах, служащих источником водоснабжения различных промышленных предприятий, всегда содержится некоторое количество органических примесей. Органические примеси, находящиеся в природных водах, создают в основном коллоидные системы, Как правило, их частицы несут отрицательный заряд.
Наличие органических коллоидов в воде затрудняет некоторые процессы подготовки воды для паросиловых установок, а также и процессы самой генерации (получения) пара. В связи с этим водоподготовка предусматривает удаление коллоидных примесей из природных вод. Удаление их фильтрированием воды через какие-либо механические фильтры невозможно, так как размеры коллоидных частип слишком малы.
Поэтому удаление проводят коагуляцией. Коагуляция осуществляется с помощью специальных реагентов — коагуляитов, обычно сульфатов алюминия или железа*. Эти соли, вводимые в определенных количествах в очищаемую воду, подвергаются гидролизу с образованием соответствующих труднорастворимых гидроксидов ге(ОН)з и А! (ОН)з Последние в процессе образования дают коллоидные растворы, частицы которых несут заряд, обратный по знаку заряду органических коллоидных частиц, т. е.
положительный. В результате осуществляется процесс взаимной коагуляции: при взаимодействии двух коллоидных систем происходит уменьшение заряда, дегидратация и, наконец, укрупнение частиц. Образующиеся при этом крупные хлопья могут быть легко удалены с помощью фильтрования или отстаивания. Электрогазоочистка. Дымовые газы несут с собой много пыле- видных частиц коллоидной степени дисперсности. Особенно много коллоидных примесей выносится при сжигании низкосортного топлива (например, на ТЭЦ). Дымовые газы представляют собой аэрозоли (дисперсионная среда -- газ).
При развитом теплоэнергетическом хозяйстве, при большом количестве ТЭЦ окружающее пространство загрязняется дымом. Вследствие высокой дисперсности твердой фазы в дымах очистка их обычными методами (механическими) не может быть обеспечена. Поэтому используются электрические свойства дыма как коллоидной системы. Частицы дымов обладают зарядом, который легко образуется при адсорбции ионов, но заряд этих частиц невелик и может быть разного знака в связи с различным химическим составом частиц. Для очистки дымовых газов используется электрофорез, который проводится при очень больших напряжениях (порядка десятков тысяч вольт).
При этом катод, который расположен обычно в середине специальных газовых камер, служит источником сильного потока электронов, ионизирующих газ, благодаря чему частицы дыма получают больший и всегда ' Коагулнрующее действие конов резко возрастает с увелнченнем нх заряда; так, коагулнрующее действие нона Ге ~ значнтельно выше, чем нона Гег+.
179 отрицательный заряд и быстро переносятся к аноду, которым служат стенки камеры. Со стенок камеры масса пыли оседает на дно. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Пример 1. а] Определите эквивалент НзРО» и МЕ(ОНЦ» в реакциях нейтрализации НЗРО» + 3 КОН К»РО» + ЗН»0 Мк(ОН) з+ 2НС1= МЕСЬ+ 2Н»0 б) Определите эквивалент А1»(50»)з в обменной реакции АЬ (50») з+ ЗВаС1, = 2А1С1»+ ЗВа 50, в) Определите эквивалент Ре'з в реакции Резт -1-е Рез" Р е ш е н и е. а) В приведенных кислотно-основных реакциях в молекуле Н»РО» замещаются трн иона водорода, а молекула Мк(ОН)з взаимодедствует с двумя ионами водорода.