Материал: 1838

перемещаться относительно дисперсионной среды, а только совершают колебательные движения.

Коллоидными растворами, или золями, называют тонкодисперсную систему, в которой твердые частицы размером от 10−7 до 10−5см равномерно распределены в жидкой дисперсионной среде.

Взависимости от образующих их веществ золи подразделяются на три вида: суспензоиды, ассоциативно-мицеллярные и молекулярные коллоидные растворы.

Суспензоиды – это лиофобные (т.е. плохо взаимодействующие с растворителем) необратимые коллоидные растворы, образованные металлами, оксидами, гидроксидами и солями, нерастворимыми в дисперсионной среде. Они похожи на суспензии, только размер частиц дисперсной фазы меньше.

Примерами могут служить золь гидроксида железа и золь иодида серебра.

Ассоциативно-мицеллярные коллоидные Ирастворы образованы моле-

кулами поверхностно-активных веществ (ПАВ). Молекулы ПАВ образуют в дисперсионной среде ассоциаты, или мицеллыД. Такие золи лиофильные (хорошо взаимодействуют с растворителем) и обратимые, т.е. могут быть полу-

чены вновь после разделения дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Молекулярные коллоидные растворыАполучают растворением молекул высокомолекулярных веществ (ВМС). По своей сути это истинный раствор, но по размерам частиц дисперснойбфазы его можно отнести к золям.

Получение дисперсных систем. Дисперсные системы можно получать диспергационными и конденсационными методами.

Диспергационные методы заключаются в измельчении крупных частиц. Измельчать можноСмехан ческим методом – в шаровых и коллоидных мельницах, с помощью ультразвука, а также электрическим методом (распыление металла в вольтовой дуге).

Конденсационные методы заключаются в создании условий для укрупнения ионов и молекул до коллоидных размеров. К конденсационным методам относятся прямая конденсация (конденсация из паров), метод замены растворителя и химическая конденсация.

Входе реакций гидролиза, ионного обмена и окисления– восстановления образуются частицы коллоидных размеров. Чтобы полученные золи (коллоидные растворы) были устойчивы, добавляют стабилизаторы – поверхностно-активные вещества или электролиты.

Примером реакций, в которых получают коллоидные растворы, явля-

ются:

1. Окислительно-восстановительная реакция

2H2S + SO2 = 3S (золь) + Н2О.

31

2. Реакция гидролиза

FeCl3 + 3H2O = (100 оC) Fe(OH)3 (золь) + 3HCl. 3. Реакция ионного обмена

AgNO3 + KI = AgI (золь) + KNO3.

Некоторые коллоидные растворы можно получать методом пептизации – осадок, состоящий из частиц коллоидного размера, промывают небольшим количеством раствора, содержащего специальное вещество – пептизатор. При пептизации происходит нарушение связей между слипшимися частицами. Получать коллоидные растворы методом пептизации можно только из рыхлых, студенистых осадков. Плотные, тяжелые осадки пептизации не поддаются.

Строение мицелл коллоидных растворов. Мицеллой называется кол-

лоидная частица с прилегающим к ней слоем противоионов диффузного слоя. Мицелла в целом электронейтральна, а коллоиднаяИ частица заряжена. Формироваться мицелла может по одному из двух механизмов.

ных ионов.

1. Образование мицеллы за счет избирательнойД адсорбции избыточ-

При получении золей с помощью химических реакций один из электро-

гией. На такой поверхности удет Алегко проходить адсорбция, причем в первую очередь адсорбироватьсяи(пр тягиваться из раствора и удерживаться на поверхности) будут избыточные оны, одноименные с ионами, входящими в состав ядра. ТакимСобразом, мельчайшие нерастворимые частицы оказываются окруженными слоем онов. Эти ионы называются потенциалопределяющими (ПОИ). К слою потенциалопределяющих ионов будут притягиваться ионы противоположного заряда – противоионы (ПИ). На поверхности нерастворимой частицы формируется двойной электрический слой (ДЭС). Но из-за теплового движения ионов в растворе под действием диффузии часть противоионов переходит в раствор. Заряд потенциалопределяющих ионов оказывается не полностью скомпенсирован зарядом противоионов, коллоидная частица приобретает заряд. Этот заряд коллоидной частицы называется электрокинетическим потенциалом. Противоионы, ушедшие в раствор под действием диффузионных сил, образуют вокруг коллоидной частицы диффузный слой. Суммарный заряд ионов диффузного слоя равен по величине и противоположен по знаку заряду коллоидной частицы.

литов обязательно должен быть в избытке (ионы этого электролита будут

стабилизаторами). Нерастворимые частицы, образующиеся в ходе реакции, обладают большой поверхностьюб, следовательно, большой избыточной энер-

Рассмотрим строение мицеллы золя AgI. Золь образуется в ходе реакции

AgNO3 + KI = AgI + KNO3 .

32

Если в избытке взять раствор KI, то на поверхности ядра мицеллы AgI будут адсорбироваться одноименные с ионами, входящими в состав ядра, избыточные ионы I−. К образовавшемуся слою отрицательно заряженных ионов будут притягиваться противоположно заряженные ионы К+. Диффузный слой будет состоять тоже из ионов К+, а заряд коллоидной частицы будет определяться зарядом потенциалопределяющих ионов и равен (–x).

[m(AgI) nI− (n–x) K+]−x xK+.

Если в избытке взять раствор AgNO3, то на поверхности ядра будут адсорбироваться ионы серебра, а слой противоионов образуют нитрат-ионы.

[m(AgI) nAg+ (n–x) NO3−]+x – гранула мицеллы (коллоидная частица); xNO3− – противоионы диффузного слоя.

реакция получения золя гидроксидаАжелеза. В кипящую воду добавляют немного 2%-ного раствора хлорида железа. Под действием температуры равновесие в реакции гидролиза смещается полностью вправо, т.е. гидролиз идет до конца, до образован я г дроксида железа. Несмотря на избыток молекул воды, ионов Н+ ОН─ удет очень мало, так как вода является слабым

2. Примером образования мицеллы в ходе реакции гидролиза является

оборот, является сильным электролитом, в воде практически все молекулы распадаются на ионы. Поэтому даже небольшое количество хлорида железа в растворе обеспечит избыток ионов железа и хлора по сравнению с ионами водорода и гидроксид-ионами.

FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 + 3HCl (t = 100 C).

Ядром мицеллы будет нерастворимый Fe(OH)3, а потенциалопреде-

ляющими ионами – ионы трехвалентного железа.

FeCl3 ↔ Fe3+ + 3Cl-.

Противоионами будут ионы хлора, причем на каждый ион железа при-

ходится три иона хлора. Мицелла золя гидроксида железа имеет строение

[m(Fe(OH)3∙nFe+3∙3(n-x)Cl─]+3x 3xCl─. 3. Образование мицеллы за счет ионизации.

В тех случаях, когда между молекулами малорастворимого вещества и растворителем существует хорошее взаимодействие, коллоидные частицы

33

могут образовываться за счет ионизации этих молекул. Так, при образовании коллоидного раствора кремниевой кислоты молекулы воды взаимодействуют с молекулами кремниевой кислоты, при этом один ион водорода пе-

реходит от кремниевой кислоты к молекуле воды:

H2SiO3 + H2O = HSiO3─ + H3O+,

или в упрощенном виде

H2SiO3 ↔ H+ + HSiO3─.

Ядром мицеллы будут нерастворимые молекулы кремниевой кислоты, потенциалопределяющими ионами – гидросиликат-ионы, оставшиеся после того, как ионы водорода переместились к молекулам воды. Противоионами будут ионы водорода.

[mH2SiO3∙nHSiO3─∙(n-x)H+]─x xH+.

а) размер коллоидных частиц составляет 10─5…10─7см, т.е. частицы соизмеримы с длиной волны видимого света (400…700 нм). Это является причиной дифракционного рассеивания света. Если через коллоидный рас-

проходящем свете бесцветный коллоидный раствор кажется желтым, а в отраженном свете –Сголубым. Явление изменения окраски коллоидного раствора в зависимости от угла зрен я называется опалесценцией.

Электрические свойства коллоидных растворов. Коллоидные час-

тицы заряжены, поэтому в электрическом поле наблюдаются особые электрокинетические явления: электрофорез и электроосмос.

Если в коллоидный раствор погрузить два электрода и подключить их к источнику постоянного тока, то коллоидные частицы начнут перемещаться к электроду, имеющему заряд, противоположный заряду коллоидной частицы. Явление перемещения коллоидных частиц в электрическом поле к одному из электродов называется электрофорезом.

Если частицы не могут свободно перемещаться, например в связнодисперсной системе или при наличии в системе полупроницаемой мембраны, то под действием электрического поля начинают перемещаться противоионы диффузного слоя. Явление переноса дисперсионной среды через ка-

34

пиллярно-пористую мембрану под действием постоянного электрического тока называется электроосмосом.

Явления электрофореза и электроосмоса достаточно широко применяются человеком. Электрофорез широко используется в медицине, в биологии. Электроосмос применяют для осушения грунтов, для ускорения процесса твердения бетона.

Устойчивость коллоидных растворов. В коллоидных системах час-

тицы дисперсной фазы сильно измельчены, поэтому эти системы характеризуются большой свободной энергией. Любая система стремится к минимуму энергии, поэтому коллоидные растворы термодинамически неустойчивы. Речь может идти только об относительной устойчивости – способности системы сохранять в течение определенного времени свою структуру и свойства.

системы в течение некоторого времени сохранять свою первоначальную степень дисперсности. Проще говоря, это способность частиц не слипаться в более крупные агрегаты. В коллоидных растворах все частицы одинаково заряжены, поэтому отталкиваются друг от друга. Чем больше заряд коллоидных частиц, тем выше агрегативная устойчивость коллоидного раствора.

Кинетическая, или седиментационная, устойчивость дисперсных

Очень часто на практике требуется разрушить коллоидный раствор, например, удалить из воды коллоидные загрязнения. Для этого надо создать условия для снижения заряда коллоидных частиц. В этом случае частицы начнут слипаться, увеличатся в размерах и под действием силы тяжести образуют осадок. Слипание коллоидных частиц в более крупные агрегаты на-

зывается коагуляцией.

Существует несколько причин коагуляции:

1. Изменение температуры. При сильном нагревании или, наоборот, замораживании коллоидных растворов толщина диффузного слоя становится тоньше, величина электрокинетического потенциала – меньше, частицы начинают слипаться – происходит коагуляция.

35