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 ионыAg⁺ 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 избыткеAgNO₃ 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, называютсяпотенциалопределяющими 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 3на 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) идиффузным (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.

Коагуляция коллоидных растворов.

Коагуляция

Коллоидные системы обладают различной устойчивостью. Все они стремятся к уменьшению свободной поверхностной энергии за счёт сокращения удельной поверхности коллоидных частиц, что происходит при их стремлении к объединению.

Удельная поверхность этих частиц очень велика, поэтому они и обладают большим избытком поверхностной энергии, что, в свою очередь, ведёт к термодинамической неустойчивости коллоидных систем.

Процесс объединения коллоидных частиц в более крупные агрегаты называется коагуляцией.

Расклинивающее давление

По теории коагуляции Б.В. Дерягина и Л.Д. Ландау, при Броуновском движении коллоидные частицы свободно сближаются на расстояние до примерно 10^-5 см, однако дальнейшему их сближению препятствует, так называемое, расклинивающее давление, возникающее в тонких слоях воды, находящихся между двумя поверхностями.

Расклинивающим давлением называют избыточное (по сравнению с гидростатическим) давление, действующее со стороны тонкого слоя жидкости на ограничивающие поверхности.

В золях оно обусловлено в основном взаимным отталкиванием противоионов диффузного слоя сблизившихся частиц и, кроме того, силами молекулярного взаимодействия между поверхностями этих частиц и молекулами воды.