Особые свойства коллоидных растворов

Коллоидные растворы представляют собой дисперсные системы, частицы которых, как правило, невозможно наблюдать с помощью обыкновенного микроскопа - они видны через световой микроскоп в виде точек, находящихся в беспрерывном движении (броуновское движение). Коллоидные растворы легко проходят через обычные фильтры и почти полностью усваиваются организмом. К коллоидным растворам относятся все внутренние среды организма (кровь, лимфа, внутри- и внеклеточная жидкости).

Для коллоидных и грубодисперсных систем характерны два основных признака: гетерогенность (неоднородность) и раздробленность дисперсной фазы. Гетерогенность в коллоидных и грубодисперсных системах характеризуется наличием поверхности раздела между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды. Как видно, коллоидные растворы по размерам частиц являются промежуточными между истинными растворами и суспензиями и эмульсиями. Коллоидные частицы обычно состоят из большого числа молекул или ионов. Золи в зависимости от размеров частиц могут иметь различную окраску, а у истинных растворов она одинаковая. Например, золи золота могут быть синими, фиолетовыми, вишневыми, рубиново-красными.

В отличие от истинных растворов для золей характерен эффект Тиндаля, т. е. дифракционное рассеяние света коллоидными частицами. При пропускании через золь пучка света появляется светлый конус, видимый в затемненном помещении. Так можно распознать, является данный раствор коллоидным или истинным.

Одним из важных свойств золей является то, что их частицы имеют электрические заряды одного знака. Благодаря этому они не соединяются в более крупные частицы и не осаждаются. При этом частицы одних золей, например металлов, сульфидов, кремниевой и оловянной кислот, имеют отрицательный заряд, других, например гидроксидов, оксидов металлов, — положительный заряд. Возникновение заряда объясняется адсорбцией коллоидными частицами ионов из раствора.

Коллоидные частицы настолько малы, что направление их движения непрерывно изменяется в результате случайных столкновений с молекулами дисперсионной среды, в которой они находятся.

В результате частицы движутся по непредсказуемой зигзагообразной траектории. Это явление в 1827 г. впервые наблюдал британский учёный Роберт Броун в воде с частицами цветочной пыльцы. Его имя и легло в основу названия «броуновское движение», а затем основные положения теории этого явления и его макроскопического проявления - диффузии - были разработаны Альбертом Эйнштейном и экспериментально подтверждены французским физиком Жаном Перреном.

Коллоидные системы являются основными компонентами живых организмов, в том числе человека. В науке существует отдельное направление – коллоидно-химическая физиология человека, - изучающее функционирование систем организма, образующих коллоидные соединения. Нарушение коллоидных свойств биологических жидкостей приводит к возникновению различных заболеваний. Например, в крови образуются тромбы, и, как следствие, может произойти инсульт или инфаркт. В желчи и моче образуются камни, в суставной ткани - выпадение солей мочевой кислоты (подагра).

Методы получения лиофобных коллоидов

Условия образования коллоидных растворов:

1. Наличие лиофобного растворителя.

2.  Малая концентрация частиц ДФ (1-2%).

3. Наличие в системе стабилизаторов – веществ, препятствующих процессу самопроизвольного укрупнения коллоидных частиц и поддерживающих устойчивость системы. Роль стабилизаторов выполняют электролиты, ПАВ, ВМС.

Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между истинными растворами (молекулярно- или ионно-дисперсными системами) и грубодисперсными системами. Поэтому коллоидные растворы могут быть получены либо путем ассоциации (конденсации) молекул и ионов истинных растворов, либо дальнейшим раздроблением частиц дисперсной фазы грубодисперсных систем.

Методы получения коллоидных растворов также можно разделить на две группы: методы конденсации и диспер-гирования.

Дисперсионные методы

Дисперсионные методы основаны на раздроблении твердых тел до частиц коллоидного размера и образовании, таким образом, коллоидных растворов. Процесс диспергирования осуществляется различными методами. В зависимости от способа измельчения различают:

1. Физическое диспергирование

1.1. Механическое диспергирование - механическое размалывание твердого вещества в т.н. коллоидных мельницах;

1.2. Электрическое диспергирование - электродуговое распыление металлов;

1.3. Ультразвуковое диспергирование - дробление вещества при помощи ультразвука.

2. Химическое диспергирование (пептизация) - химическое разъединение частиц ДФ путем неполного растворения осадка.

Конденсационные методы

Конденсационные методы основаны на объединении молекул (ионов) в более крупные коллоидные частицы. Различают физическую и химическую конденсацию.

1. Физическая конденсация

1.1. Пары вещества конденсируются при охлаждении в более крупные частицы жидкого или твердого вещества

1.2. Вещество, находящееся в молекулярно-дисперсном состоянии, можно перевести в коллоидное состояние при замене одного растворителя другим – т.н. методом замены растворителя. Молекулы растворенного вещества, находящегося в состоянии молекулярной дисперсности в одном растворителе, попадая в условия плохой растворимости при замене растворителя, начинают конденсироваться в более крупные коллоидные частицы. В качестве примера можно привести получение золя канифоли (или йода), которая не растворяется в воде, но хорошо растворима в этаноле. При постепенном добавлении спиртового раствора канифоли (или йода) к воде происходит резкое понижение растворимости канифоли, в результате чего образуется коллоидный раствор канифоли в воде. Аналогичным образом может быть получен гидрозоль серы.

2. Химическая конденсация

Коллоидные растворы можно получать методом химической конденсации, основанном на проведении химических реакций, сопровождающихся образованием нерастворимых или малорастворимых веществ. Для этой цели используются различные типы реакций.

1.1.Рекции ионного обмена, когда два сложных вещества обмениваются составными частями. При этом берется избыток одного из реагирующих веществ, которое выполняет роль стабилизатора

1.2. Реакции гидролиза – взаимодействия соли с водой с образованием слабого электролита. При этом роль стабилизатора выступает соль, подвергающаяся гидролизу

1.3.Окислительно-восстановительные реакции.

Строение коллоидной мицеллы

                                                      

Строение структурной единицы лиофобных коллоидов – мицеллы – может быть показано лишь схематически, поскольку мицелла не имеет определенного состава. Рассмотрим строение коллоидной мицеллы на примере гидрозоля иодида серебра, получаемого взаимодействием разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия (метод химической конденсации по реакции обмена):

AgNO₃+ KI → AgI + KNO₃

Если исходные вещества взяты в эквивалентных отношениях и концентрация их велика, коллоидного раствора не получится. Образуется осадок AgI. Если взять одно из исходных веществ в избытке, оно будет выполнять роль стабилизатора. При этом видимого глазу осадка не образуется, а получается ультрагетерогенная коллоидная система, состоящая из микрокристаллов AgI.

Если образование коллоидной частицы происходит в результате реакции обмена, то

1. Чтобы не выпал осадок одно из исходных веществ берется в избытке.

2. То вещество, которое взято в избытке является стабилизатором.

3. То вещество, которое должно выпасть в осадок входит в состав ядра коллоидной частицы.

Например, возьмем в избытке нитрат серебра

AgNO_{3(избыток)} + KI → AgI_{(микрокристаллы)} + KNO₃

Запишем уравнение диссоциации стабилизатора. Учтем, что в растворе присутствует n моль AgNO₃. 

nAgNO₃→ nAg⁺ + nNO₃^-

Ионы стабилизатора избирательно адсорбируются на поверхности микрокристаллов согласно правилам Панета-Фаянса. Коллоидная мицелла золя иодида серебра (см. рис. 1) образована микрокристаллом иодида серебра, который способен к избирательной адсорбции из окружающей среды катионов Ag⁺ или йодид-ионов. По первому правилу Панета-Фаянса на поверхности полярного сорбента в первую очередь адсорбируются ионы, входящие в состав кристаллической решетки сорбента. Поскольку реакция проводится в избытке нитрата серебра на поверхности микрокристалла,   в первую очередь адсорбируются ионы Ag+.
В результате этого микрокристалл приобретает положительный заряд; ионы, сообщающие ему этот заряд, называются потенциалопределяющими (ПОИ). Они придают поверхности ядра заряд. Далее по второму правилу Панета-Фаянса на заряженной поверхности из раствора адсорбируются ионы с противоположным зарядом – противоионы; на поверхности раздела фаз образуется двойной электрический слой. Некоторая часть противоионов адсорбируется на заряженной поверхности ядра, образуя вместе с потенциалопределяющими ионами т.н. адсорбционный слой; ядро вместе с адсорбционным слоем называют коллоидной частицей или гранулой. Остальные противоионы, число которых определяется, исходя из правила электронейтральности мицеллы, составляют диффузный слой противоионов; противоионы адсорбционного и диффузного слоев находятся в состоянии динамического равновесия адсорбции – десорбции.

Обозначения, применяемые при схематической записи мицеллы

mAgI – ядро мицеллы(микрокристалл), нерастворимый в воде агрегат

n – число потенциалопределяющих ионов Ag⁺ стабилизатора AgNO₃

nAg ⁺ - слой потенциалопределяющих ионов, определяют знак заряда гранулы

(n-х) – число противоионов NO₃^-стабилизатора AgNO₃

(n-х) NO₃^- - слой противоионов

х –количество ионов NO₃^-, которое на ядре не адсорбируется, а располагается в ДС в качестве диффузионного слоя.

хNO₃^- - диффузный слой. Ионы Ag ⁺  и часть ионов NO₃^- адсорбируется на ядре, сообщая грануле заряд «х+», что обуславливает агрегативную устойчивость. Заряд гранулы противоположен заряду диффузионной части мицеллы. В целом мицелла электронейтральна.

уН₂О - гидратная оболочка

Схематически мицелла золя иодида серебра, полученного в избытке нитрата серебра может быть изображена следующим образом, При этом коллоидные частицы (гранулы) будут иметь положительный заряд:

{[mAgI] ∙ nAg⁺ (n-x)NO₃^-   } ^x+∙ xNO₃^- ∙ yH₂O

ядро  диф.слой гидрат.оболочка

  гранула

                         мицелла

 

Рис. 1. Строение коллоидной мицеллы йодида серебра,
стабилизатор нитрат серебра

 

При получении золя иодида серебра с отрицательно заряженной гранулой в реакции образования йодида серебра в избытке должен быть взят иодид калия

AgNO₃+ KI_{(избыток)} → AgI_{(микрокристаллы)} + KNO₃

Запишем уравнение диссоциации стабилизатора. Учтем, что в растворе присутствует n моль KI. 

n KI → n K ⁺ + nI ^-

 В данном случае потенциалопределяющие ионы – анионы I^–, противоионы – ионы К⁺. Мицелла золя йодида серебра, полученного в избытке йодида калия может быть изображена следующим образом:

{[mAgI] ∙ n I^– (n-x) K⁺       } ^x-∙ x K^+- ∙ yH₂O

 ядро     диф.слой гидрат.оболочка

гранула

                       мицелла

9.4. Двойной электрический слой
и электрокинетические явления

Ядро и адсорбционный слой вместе составляют гранулу. Гранула имеет электрический заряд того же знака, что ПОИ. Потенциал гранулы называют электрокинетическим потенциалом. Электрокинетический потенциал обычно обозначают греческой буквой ζ (дзета) и называют поэтому дзета-потенциалом. Кинетическим его называют потому, что он может быть обнаружен и измерен при движении частиц в электрическом поле. Его можно определить так же, как потенциал на границе между адсорбционным (неподвижным относительно частицы) и диффузным (подвижным) слоями.

Остаток противоионов удерживается электростатическими силами притяжения вблизи гранулы, образуя диффузный слой. Гранула вместе с диффузным слоем образует мицеллу.

Наличие электрического заряда у коллоидных частиц (гранул) обуславливает возможность движения их впостоянном электическом поле. В момент движения коллоидной частички разрывается двойной электрический слой, гранула движется впереди, а диффузный слой остается сзади.

Если поместить золь в постоянное электрическое поле, то, как и в растворах электролитов, заряженные частицы будут двигаться к противоположно заряженным электродам: коллоидная частица с адсорбированными на ней противоионами – в одну сторону, противоионы диффузного слоя – в другую. Сила, с которой электрическое поле действует на частицы и, следовательно, скорость движения частиц, очевидно, будет пропорциональна ζ -потенциалу. Движение частиц дисперсной фазы в электрическом поле называется электрофорезом. Явление электрофореза можно наблюдать, поместив в U-образную трубку какой-либо окрашенный золь, поверх которого налит не смешивающийся с золем бесцветный электролит. Если опустить в электролит электроды и наложить разность потенциалов, то граница окрашенного золя в одном из колен трубки будет подниматься, в другом – опускаться (рис. 2). Если поместить в U-образную трубку пористую перегородку (например, мелкий кварцевый песок) и заполнить её водой, то при наложении разности потенциалов в одном колене будет наблюдаться подъем уровня жидкости, в другом – его опускание (рис. 3). Движение дисперсной среды в электрическом поле относительно неподвижной дисперсной фазы (в рассмотренном случае – относительно поверхности пористых тел) называется электроосмосом. Явления электрофореза и электроосмоса получили общее название электрокинетических явлений.

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться: