Тема 3. Получение и устойчивость коллоидных систем

Краткие теоретические основы

Получение коллоидных систем. Строение мицеллы

Коллоидные системы можно получить двумя способами:

1. Диспергацией, т.е. дроблением крупных частиц до размеров коллоидных.

2. Конденсацией, т.е. укрупнением частиц молекулярной дисперсности до коллоидных частиц.

Диспергирование осуществляется в коллоидных мельницах, с помощью ультразвука, эмульгированием и требует затраты энергии.

В основе метода конденсации лежит процесс образования новой фазы коллоидной дисперсности в гомогенной среде. Различают физическую и химическую конденсации.

При физической конденсации дисперсная фаза возникает путём создания пересыщения резким охлаждением паров веществ или замены лучшего растворителя на худший. При химической - новая фаза появляется в результате реакции, идущей с образованием нерастворимого вещества. Для этого используют реакции обмена, гидролиза, окислительно - восстановительные реакции.

Для получения из пересыщеного раствора коллоидной системы, а не осадка твёрдой фазы, необходимо, чтобы скорость образования зародышей была намного больше, чем скорость их роста. (Теория Веймарна). Соотношение скоростей образования и роста зародышей подбирается экспериментально.

Рассмотрим реакцию обмена с образованием золя AgI:

AgNO₃ +KI ® AgI ¯ + KNO₃

Основу мицеллы составляет агрегат кристаллического строения m AgI .В зависимости от того, какое вещество находится в избытке: AgNO₃ или KI, на поверхности ядра, согласно правилу Пескова – Фаянса, могут сорбироваться ионы Ag⁺ или I^- (потенциалопределяющие ионы), достраивая кристаллическую решетку. Это монолитное твердое ядро. Далее на поверхности ядра будет сорбироваться часть противоионов, образуя адсорбционный слой, прочно связанный с агрегатом. Это гранула или частица. Остальные противоионы расположатся в диффузном слое, довершая строение нейтрально заряженной мицеллы (рис. 3.1). Пусть в избытке находится KI, тогда строение мицеллы можно записать так:

{[m Ag I] n I^- (n – x) K⁺} ^–x x K⁺ Заряд гранулы соответствует заряду потенциалопределяющих иодид-анионов.

При избытке AgNO₃ заряд гранулы будет противоположным:

{[m Ag I] n Ag⁺ (n – x) I^-}^+x x I^-

Если поместить мицеллу в электрическое поле, то слабо удерживаемые противоионы диффузного слоя будут перемещаться к одному электроду, а гранула – к другому. Мицелла как бы разрывается по границе между адсорбционным и диффузным слоями с возникновением электрического или z потенциала.

Устойчивость золей

Устойчивость дисперсной системы определяется способностью дисперсной фазы сохранять исходную степень дисперсности частиц и их равномерное распределение в дисперсионной среде. Различают кинетическую (седиментационную) и агрегативную устойчивости. Первая обусловлена наличием броуновского движения, препятствующего оседанию частиц под влиянием силы тяжести. Вторая характеризует способность систем сохранять высокую дисперсность и равномерное распределение в среде. Потеря агрегативной устойчивости ведет к коагуляции – укрупнению частиц за счет слипания и последующей седиментации. Коагуляция может быть вызвана разными факторами: изменением температуры, механическим воздействием, действием облучений и т.д. Важное значение имеет коагуляция под действием электролитов. При этом коагулирующим действием обладает ион, имеющий заряд, противоположный заряду гранулы. ( Установлено Гарди в 1900 г.)

Это связано со сжатием диффузного слоя до z= 0 (изоэлектрическое состояние). Начало коагуляции золя определяется по его помутнению, выпадению осадка, изменению окраски. Коагуляция начинается при достижении некоторого достаточно малого значения z -потенциала, называемого критическим (z_крит). Для многих золей z» 30 – 50 мВ.

Наименьшее количество электролита, вызывающего начало коагуляции, называется порогом коагуляции (g):

где: с – концентрация электролита, моль/л;

V₃ – объём золя, мл;

V – объём раствора электролита, достаточный для начала коагуляции, мл.

Величина, обратная порогу коагуляции, называется коагулирующей способностью иона:

Согласно эмпирическому правилу Шульце – Гарди, коагулирующее действие иона тем больше, чем выше его валентность. Коагулирующие способности одно, двух и трехзарядных ионов находятся в соотношении:

Р₁ : Р₂ : Р₃ = 1 : 50 : 1000

g₁ : g₂ : g₃ =1 : 0,02 : 0,001

Современная теория устойчивости и коагуляции коллоидных систем, созданная Дерягиным, Ландау, Фервеем, Овербеком (теория ДЛФО) предполагает, что

порог коагуляции связан с зарядом коагулирующего иона соотношением

,

где К – коэффициент, характеризующий дисперсную фазу, среду и структуру двойного электрического слоя. Теория обосновывает и подтверждает эмпирически полученное правило Шульце – Гарди