Раздел 2: «Основы химии дисперсных систем»

Раздел 2: «Основы химии дисперсных систем»

Тема 3:«Коллоиды. Дисперсные системы».

1 Коллоидные частицы.

2 Строение коллоидной мицеллы.

3 Классификация дисперсных систем.
4 Основные свойства дисперсных систем

Самостоятельно (1 глава)

1 Воюцкий, С.С. Курс коллоидной химии: учебное издание - М.: Химия, 1975. - 512 с.

2 Захарченко, В. Н. Коллоидная химия: учебник - М.: Высшая школа, 1989. - 238 с.

Коллоидные частицы

Частицы коллоидных размеров могут иметь различную внутреннюю структуру, что существенно сказывается как на методах получения коллоидных растворов, так и на их свойствах.

Существуют следующие три типа внутренней структуры первичных частиц коллоидных размеров.

1. Суспензоиды (или необратимые коллоиды),

2. Мицеллярные коллоиды (или ассоциативные коллоиды),

3. Молекулярные коллоиды (обратимые коллоиды).

Суспензоиды

Так называют коллоидные растворы металлов, их оксидов, гидроксидов, сульфидов и других солей.

Мельчайшие частицы перечисленных веществ, имеющих молекулярную или ионную кристалические решётки, составляют дисперсную фазу суспензоидов.

От суспензий они отличаются более высокой дисперсностью.

Суспензоидами их назвали потому, что, как и суспензии, они не могут длительно существовать в отсутствие стабилизатора дисперсности.

Необратимыми их назвали потому, что осадки, остающиеся при выпаривании таких коллоидных растворов, не образуют вновь золя при контакте с дисперсионной средой.

Суспензоиды называют лиофобными коллоидами. Название происходит от греческих слов: лиос – жидкость, фобио – ненавижу. Такое название они получили из-за предположения, что дисперсная фаза в них очень слабо взаимодействует с дисперсионной средой.

Суспензоиды, как и вообще дисперсные системы, могут быть получены двумя путями:

· Методом диспергирования, т.е. измельчения крупных тел, и

· Методами конденсации молекулярно- или ионнорастворённых веществ.

Метод диспергирования

Измельчение путём дробления, помола, истирания даёт сравнительно крупнодисперсионные прошки (> 60 мкм). Более тонкого измельчения достигают с помощью специальных аппаратов, получивших название коллоидных мельниц, или применением ультразвука.

Метод конденсации

Метод конденсации состоит в получении нерастворимых соединений путём реакций обмена, гидролиза, восстановления, окисления.

Проводя эти реакции в сильно разбавленных растворах и в присутствии небольшого избытка одного из компонентов, получают не осадки, а коллоидные растворы.

К конденсационным методам относится также получение лизолей путём замены растворителя. Например, коллоидный раствор канифоли можно получить, выливая её спиртовой раствор в воду, в которой канифоль не растворима.

Мицелярные коллоиды

Их называют также полуколлоидами. Коллоидные частицы этого типа возникают при достаточной концентрации дифильных* молекул низкомолекулярных веществ путём их ассоциации в агрегаты молекул – мицеллы – сферической или пластинчатой формы.

Дифильными называют молекулы, которые состоят из углеводородного радикала, имеющего сходство с неполярными растворителями, и гидрофильной (полярной) группы, имеющей сродство к воде.

Мицеллы представляют собой скопления правильно расположенных молекул, удерживаемых преимущественно дисперсионными силами.

Образование мицелл характерно для водных растворов моющих веществ (например, мыл – щелочных солей высших жирных кислот).

Минимальную концентрацию поверхностно-активных веществ в растворе, при которой в системе образуются устойчивые мицеллы, находящиеся в равновесии с неассоциированными молекулами поверхностно-активного вещества, называют критической концентрацией мицеллоообразования.

Строение коллоидной мицеллы

Строение коллоидных частиц удобнее рассматривать, если проследить процессы их образования. Сделаем это на примере частиц AgI.

Образование коллоидной частицы AgI происходит в результате реакции:

AgNO3 + KI → AgI↓ + KNO3.

Молекулы AgI объединяются в практически нерастворимые частицы, в которых ионы Ag⁺ и I^- образуют кристаллическую решётку.

Новообразованные частицы сначала имеют аморфное строение, затем в них постепенно происходит кристаллизация.

Если AgNO₃ и KI взяты в эквивалентных количествах, то частицы-кристаллы растут, достигая значительной величины, превосходящей размеры коллоидных частиц, и быстро выпадают в осадок.

Если же одно из исходных веществ взято в небольшом избытке, то оно служит стабилизатором, сообщающим устойчивость коллоидным частицам AgI. Так, при избытке AgNO₃ в растворе будет находится большое количество ионов Ag⁺ и NO₃^- . Однако построение кристаллической решетки AgI согласно правилу Панета – Фаянса может идти только за счёт ионов, входящих в её состав; в данном случае за счёт ионовAg⁺.

Ионы Ag⁺ будут продолжать достраивать кристаллическую решётку ядра, прочно входя в её структуру и сообщая ему электрический потенциал.

1 - электронейтральное ядро
2 - зона достройки ядра потенциалопределяющими ионами
3 - адсорбционный слой
4 - противоионы адсорбционного слоя

В связи с этим ионы, достроившие кристаллическую решётку ядра, называются потенциалопределяющими ионами.

Величина электродинамического потенциала, или Е-потенциала, у многих коллоидных частиц достигает 1 В. Частицы с таким относительно высоким зарядом будут притягивать оставшиеся в растворе противоположно заряженные ионы NO₃ (называемые поэтому противоионами). Начнётся процесс адсорбции противоионов, в результате которого установится динамическое равновесие между адсорбированными и свободными ионами.

Основная часть всех противоионов, адсорбированная на ядре коллоидной частицы, образует вместе с потенциалопределяющими ионами адсорбционный слой (позиция 3 на рисунке выше).

Ядро и адсорбционный слой вместе составляют гранулу. Гранула имеет электрический потенциал того же знака, что и Е-потенциал, но величина его меньше и зависит от количества противоионов в адсорбционном слое.

Так, если 90% их адсорбировано, то и потенциал гранулы составит 10% от
Е-потенциала.

Потенциал гранулы называется электрокинетическим или дзета-потенциалом
(ζ-потенциал). Кинетическим его называют потому, что он может быть обнаружен и измерен при движении частиц в электрическом поле. Его можно определить также, как потенциал на границе между адсорбционным (неподвижным относительно частицы) и диффузным (подвижным) слоями. (о диффузном слое см. ниже)

Остаток противоионов удерживается электростатическими силами притяжения вблизизи гранулы, образуя диффузный слой (позиция 5 на рисунке ниже).

5 - диффузный слой, состоящий из противоионов, не вошедших в адсорбционный слой гранулы

Гранула вместе с диффузным слоем образует мицеллу.

Толщина диффузного слоя различна, так как зависит от ионной силы раствора: чем ионная сила выше, тем толщина слоя меньше.

Концентрация противоионов в диффузном слое убывает по направлению к переферии. Соответственно этому убывает и потенциал частицы, падая на границе дифузного слоя до нуля. Таким образом, мицелла всегда электронейтральна.

Если переместить в адсорбционный слой большое количество противоионов, например 95%, электрокинетический (ζ-потенциал), измеряемый на поверхности гранулы, уменьшится до 5% от величины Е-потенциала. Величина Е-потенциала, зависящая от потенциал-определяющих ионов меняться не будет.

Устойчивость коллоидных растворов обусловлена присутствием стабилизатора, т.е. электролита и зависит от величины заряда гранулы (ζ-потенциала). Чем выше этот потенциал, тем сильнее оказываются силы взаимного отталкивания частиц, препятствующие их объединению при столкновениях, наблюдающихся в результате броуновского движения.

Грубодисперсные системы.

Эти системы содержат в качестве дисперсной фазы наиболее крупные частицы диаметром от 0,1 мк и выше. К этим системам относятся суспензии и эмульсии.

Суспензиями называют системы, в которых твёрдое вещество находится в жидкой дисперсионной среде, например, взвесь крахмала, глины и др. в воде.

Эмульсиями называют дисперсионные системы двух несмешивающихся жидкостей, где капельки одной жидкости во взвешенном состоянии распределены в объёме другой жидкости. Например, масло, бензол, толуол в воде или капельки жира (диаметром от 0,1 до 22 мк) в молоке и др.

Коллоидные системы.

Они имеют размеры частиц дисперсной фазы от 0,1 мк до 1 ммк (или от 10^-5 до 10^-7 см). Такие частицы могут проходить через поры фильтровальной бумаги, но не проникают через поры животных и растительных мембран.

Коллоидные частицы при наличии у них электрического заряда и сольватно-ионных оболочек остаются во взвешенном состоянии и без изменения условий очень долго могут не выпадать в осадок.

Примерами коллоидных систем могут служить растворы альбумина, желатина, гуммиарабика, коллоидные растворы золота, серебра, сернистого мышьяка и др.

Ионно-дисперсные системы.

Это растворы различных электролитов, как, например, солей, оснований и т.д., распадающихся на соответствующие ионы, размеры которых весьма малы и выходят далеко за пределы 10^-8 см.

Раздел 2: «Основы химии дисперсных систем»

Тема 3:«Коллоиды. Дисперсные системы».

1 Коллоидные частицы.

2 Строение коллоидной мицеллы.

3 Классификация дисперсных систем.
4 Основные свойства дисперсных систем

Самостоятельно (1 глава)

1 Воюцкий, С.С. Курс коллоидной химии: учебное издание - М.: Химия, 1975. - 512 с.

2 Захарченко, В. Н. Коллоидная химия: учебник - М.: Высшая школа, 1989. - 238 с.

Коллоидные частицы

Частицы коллоидных размеров могут иметь различную внутреннюю структуру, что существенно сказывается как на методах получения коллоидных растворов, так и на их свойствах.

Существуют следующие три типа внутренней структуры первичных частиц коллоидных размеров.

1. Суспензоиды (или необратимые коллоиды),

2. Мицеллярные коллоиды (или ассоциативные коллоиды),

3. Молекулярные коллоиды (обратимые коллоиды).

Суспензоиды

Так называют коллоидные растворы металлов, их оксидов, гидроксидов, сульфидов и других солей.

Мельчайшие частицы перечисленных веществ, имеющих молекулярную или ионную кристалические решётки, составляют дисперсную фазу суспензоидов.

От суспензий они отличаются более высокой дисперсностью.

Суспензоидами их назвали потому, что, как и суспензии, они не могут длительно существовать в отсутствие стабилизатора дисперсности.

Необратимыми их назвали потому, что осадки, остающиеся при выпаривании таких коллоидных растворов, не образуют вновь золя при контакте с дисперсионной средой.

Суспензоиды называют лиофобными коллоидами. Название происходит от греческих слов: лиос – жидкость, фобио – ненавижу. Такое название они получили из-за предположения, что дисперсная фаза в них очень слабо взаимодействует с дисперсионной средой.

Суспензоиды, как и вообще дисперсные системы, могут быть получены двумя путями:

· Методом диспергирования, т.е. измельчения крупных тел, и

· Методами конденсации молекулярно- или ионнорастворённых веществ.

Метод диспергирования

Измельчение путём дробления, помола, истирания даёт сравнительно крупнодисперсионные прошки (> 60 мкм). Более тонкого измельчения достигают с помощью специальных аппаратов, получивших название коллоидных мельниц, или применением ультразвука.

Метод конденсации

Метод конденсации состоит в получении нерастворимых соединений путём реакций обмена, гидролиза, восстановления, окисления.

Проводя эти реакции в сильно разбавленных растворах и в присутствии небольшого избытка одного из компонентов, получают не осадки, а коллоидные растворы.

К конденсационным методам относится также получение лизолей путём замены растворителя. Например, коллоидный раствор канифоли можно получить, выливая её спиртовой раствор в воду, в которой канифоль не растворима.

Мицелярные коллоиды

Их называют также полуколлоидами. Коллоидные частицы этого типа возникают при достаточной концентрации дифильных* молекул низкомолекулярных веществ путём их ассоциации в агрегаты молекул – мицеллы – сферической или пластинчатой формы.

Дифильными называют молекулы, которые состоят из углеводородного радикала, имеющего сходство с неполярными растворителями, и гидрофильной (полярной) группы, имеющей сродство к воде.

Мицеллы представляют собой скопления правильно расположенных молекул, удерживаемых преимущественно дисперсионными силами.

Образование мицелл характерно для водных растворов моющих веществ (например, мыл – щелочных солей высших жирных кислот).

Минимальную концентрацию поверхностно-активных веществ в растворе, при которой в системе образуются устойчивые мицеллы, находящиеся в равновесии с неассоциированными молекулами поверхностно-активного вещества, называют критической концентрацией мицеллоообразования.