Методы получения лиофобных золей
Общие условия получения лиофобных золей – нерастворимость или очень малая растворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде и наличие в среде веществ, которые способны стабилизировать частицы дисперсной фазы – стабилизаторов.
Если вспомнить график зависимости удельной поверхности Sуд частиц дисперсной фазы от их размеров d (см. рис. 1.2), станет ясно, что лиофобные золи занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами. Следовательно, получить коллоидные растворы можно измельчением крупных частиц до коллоидных размеров (диспергационные методы) и укрупнением молекул и ионов (конденсационные методы).
ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
Диспергационные методы – это способы получения лиофобных золей путем дробления крупных кусков до агрегатов коллоидных размеров.
Существенные черты диспергационных методов:
1. Измельчение производится в инертной среде.
2. Диспергирование является несамопроизвольным процессом. Образование дополнительной межфазной поверхности связано с накоплением дополнительной свободной поверхностной энергии и происходит за счет совершения внешней работы.
В зависимости от вида внешней работы, которая совершается над грубодисперсной системой, диспергационные методы можно подразделить на механическое, ультразвуковое и электрическое диспергирование.
Механическое дробление грубодисперсных систем осуществляется путем: раздробления, удара, истирания, расщепления.
Измельчение частиц до размеров в несколько десятков микрон осуществляется с помощью шаровых мельниц.
Шаровая мельница – это полый цилиндрический сосуд, частично заполненный шарами из того же материала, что и сам цилиндр (сталь, агат, фарфор и др.), занимающими 30–40% от общего объема сосуда. При медленном вращении цилиндра шары перекатываются, истирая и дробя материал.
Очень тонкое раздробление (до 0,1–1 микрона) достигается на специальных коллоидных мельницах с узким зазором между быстро вращающимся ротором (10–20 тыс.об/мин) и неподвижным корпусом, причем частицы разрываются или истираются в зазоре.
Работами П. А. Ребиндера установлено явление понижения сопротивления твердых тел упругим и пластическим деформациям, а также механическому разрушению под влиянием адсорбции поверхностно–активных веществ. Эти явления обусловлены облегчением развития микрощелей в поверхностных слоях деформируемого и разрушаемого тела. Поверхностно-активные вещества облегчают диспергирование и способствуют значительному повышению степени дисперсности.
Следует иметь в виду, что механическое диспергирование является очень энергоемким процессом. Достаточно отметить, что энергия, расходуемая в стране на размол цемента, превышает энергию, вырабатываемую Волжской ГЭС.
Диспергирование ультразвуком происходит за счет разрывающих усилий. Они возникают в жидкости или твердом теле при прохождении через них ультразвуковых колебаний с частотой более 20 000 Гц в секунду (эти колебания не улавливаются человеческим ухом). При прохождении звуковой волны в системе возникают местные, быстро чередующиеся сжатия и расширения вещества, которые приводят к его разрушению. Этот метод применим и является эффективным только при диспергировании малопрочных веществ (сера, графит, крахмал, краски и т. д.).
Электрическое диспергирование. Этим методом получают коллоидные растворы металлов путем распыления в вольтовой дуге электродов из металла, погруженных в воду. Метод был изобретен Г. Бредигом в 1898 г. Для получения более стойких гидрофобных золей в воду вводят следы стабилизирующих электролитов. Таким образом, получают гидрозоли щелочных металлов.
Сведберг усовершенствовал этот метод, сделав его пригодным для получения органозолей. Для этого он применил переменный ток высокой частоты, а сами электроды помещал в металлический порошок, лежащий на дне сосуда в дисперсионной среде. Таким образом получены органозоли железа, никеля, алюминия, хрома и других; металлов.
Таким образом, сущность метода заключается в распылении металла электрода в вольтовой дуге, а также в конденсации паров металла, образующихся при высокой температуре. Поэтому электрический способ соединяет в себе черты диспергационных и конденсационных методов.
КОНДЕНСАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
Конденсационные методы – это способы получения коллоидных растворов путем объединения (конденсации) молекул и ионов в агрегаты коллоидных размеров. Система из гомогенной превращается в гетерогенную, т. е. возникает новая фаза (дисперсная фаза). Обязательным условием является пересыщенность исходной системы.
Конденсационные методы классифицируют по природе сил, вызывающих конденсацию, на физическую конденсацию и химическую конденсацию.
Физическая конденсация. Первоначально вещество находится в виде молекул или ионов. Необходимо создать условия, при которых оно будет конденсироваться, образуя дисперсную фазу, причем конденсация должна прекратиться, когда частицы достигнут коллоидных размеров. Физическая конденсация может осуществляться из паров или путем замены растворителя.
Конденсация из паров. Исходное вещество находится в паре. При понижении температуры пар становится пересыщенным и частично конденсируется, образуя дисперсную фазу.
Таким путем получают гидрозоли ртути и некоторых других металлов.
Метод замены растворителя. Метод основан на изменении состава и свойств дисперсионной среды. Если, например, спиртовой раствор серы, фосфора или канифоли влить в воду, вследствие понижения растворимости вещества в новом растворителе раствор становится пересыщенным и часть вещества конденсируется, образуя частицы дисперсной фазы.
Химическая конденсация. В этих случаях вещество, образующее дисперсную фазу, получается в результате химической реакции. Чтобы в ходе реакции образовался коллоидный раствор, а не истинный раствор или осадок, необходимо соблюдение, по крайней мере, трех условий:
1) чтобы вещество дисперсной фазы было нерастворимо в дисперсионной среде;
2) чтобы скорость образования зародышей кристаллов дисперсной фазы была гораздо больше, чем скорость роста кристаллов; это условие выполняется обычно тогда, когда концентрированный раствор одного компонента вливается в сильно разбавленный раствор другого компонента при интенсивном перемешивании;
3) чтобы одно из исходных веществ было взято в избытке, именно оно является стабилизатором.
Методы химической конденсации разнообразны – практически любая химическая реакция, приводящая к образованию новой фазы, может служить способом получения коллоидного раствора. Приведем несколько примеров:
1. Реакция восстановления:
Ag2O + Н2 
2Ag + Н2О.
золь
Эту реакцию проводят в присутствии стабилизатора (танин, крахмал, желатин).
2. Реакция окисления:
2H2S + SO2 3S + 2H2O.
золь
3. Реакция гидролиза:
FeCl3+3H2O 100 Fe(OH)3 +3HCl.
золь
4. Реакция обмена:
K4[Fe(CN)6] + 2CuCl2 Cu2[Fe(CN)6] +4KCl
золь
ПЕПТИЗАЦИЯ
Особняком стоит метод пептизации, который состоит в следующем. Измельченный материал (сажа, графит, глина) или промытый осадок вещества, полученный в результате химической реакции осаждения, промывают небольшим количеством раствора пептизатора, в результате образуется высокодисперсная система. Пептизировать можно далеко не все осадки; плотные, тяжелые осадки не поддаются пептизации, наоборот, рыхлые, студенистые осадки, особенно свежеприготовленные, легко пептизируются.
Формально пептизацию можно отнести к методам диспергирования, но это неправильно. Пептизируемый осадок – это уже диспергированный материал, доведенный до коллоидной степени измельчения, в котором частицы в результате слипания образовали крупные агрегаты. Пептизация – это нарушение связей между слипшимися частицами. Чем слабее эти связи, тем легче происходит пептизация.