Тема: Дисперсные системы. Коллоидные растворы.

Все дисперсные системы состоят из сплошной фазы, называемой дисперсионной средой, и прерывистой фазы (частиц), называемой дисперсной фазой.

От линейных размеров частиц дисперсной фазы зависит гомогенность или гетерогенность дисперсной системы. Гомогенные дисперсные системы называются истинными растворами, или просто растворами. Истинные растворы содержат молекулы или атомы, размеры которых не превышают 5 нм (5˙10^{-9 м).}

Гетерогенные дисперсные системы подразделяют на: а) грубодисперсные системы, у которых частицы имеют размер 1000 нм (10^{-6 м) и более; б) коллоидные системы, размер частиц которых лежит в пределах от 1 до 500 нм (10-9} до 5˙10^{-7 м).}

К грубодисперсным системам относятся суспензии, эмульсии, пены.

Суспензии представляют собой системы, состоящие из раздробленного твердого вещества и жидкости, в которой распределена дисперсная фаза. Например, крахмал в холодной воде, шоколад (какао в масле), мутная вода. Примеры концентрированных суспензий – пасты, взвесь глины в воде.

Эмульсии – образуются двумя несмешивающимися жидкостями; обычно одной из фаз является вода. Примеры эмульсий: молоко, майонез, маргарин, бензол в воде.

Пены – грубодисперсные системы, состоящие из ячеек, заполненных газом, и отделенных друг от друга пленками очень малой толщины. К пенам относятся: мыльная пена, мусс, пелус, пенопласты.

Характерным признаком грубодисперсных систем является то, что частицы дисперсной фазы видны в обычный микроскоп или даже невооруженным глазом.

Частицы в коллоидных системах уже невозможно различить в обычный микроскоп, так как их размеры меньше длины волны видимого света.

Дисперсные системы с частицами коллоидных размеров называют золями. По характеру дисперсионной среды различают: гидрозоли (растворитель – вода), аэрозоли (мельчайшие капельки жидкости, тонкораспыленные в газе, например, туман), мелкие твердые частицы в газе (дым).

Помимо классификации дисперсных систем по размерам частиц, существует и другая классификация – по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Коллоидные системы

Коллоидные растворы отличаются от истинных рядом свойств:

1. Малой скоростью перемещения ввиду малой скорости диффузии;

2. Повышенной вязкостью;

3. Гетерогенностью.

От грубодисперсных систем они отличаются относительной устойчивостью. Для коллоидов характерна очень развитая поверхность, в связи с чем в коллоидных растворах исключительно важную роль играет адсорбция.

Существует два основных пути получения коллоидных растворов.

1. Дисперсионный – измельчение частиц грубодисперсных систем до размеров, соответствующих коллоидам. При этом используются обычно физические методы с применением различных диспергаторов и коллоидных мельниц.

2. Конденсационный – укрупнение частиц истинных растворов (ионов, молекул) путем их ассоциации до размеров, соответствующих коллоидам. Применяются обычно химические методы: осаждение, гидролиз, окисления-восстановления, нейтрализации.

Например, в результате гидролиза солей железа (III) получают его гидроксид: Fe³⁺ + 3H₂O = Fe(OH)₃ + 3H⁺.

Для повышения устойчивости коллоидов в раствор вводят стабилизаторы (ПАВ).

Строение и заряд коллоидной частицы. Мицелла

Коллоидная частица состоит из ядра, адсорбирующего из окружающей среды ионы одного вида. Эти ионы называют зарядообразующими, их химическая природа близка химической природе ядра коллоидной частицы.

Например,

Ядро коллоидной частицы с адсорбированными зарядообразующими ионами притягивает к себе из среды ионы противоположного знака (заряда). Зарядообразующие ионы и противоионы гидратированы. Весь этот комплекс и называют коллоидной частицей. В состав коллоидной частицы входит только часть имеющихся в системе противоионов – их называют связанными. Другая часть противоионов остается в дисперсной среде (жидкой фазе). Эти противоионы называют свободными. Они определяют заряд дисперсионной среды. Все сочетание, состоящее из коллоидной частицы и дисперсионной среды (гидратированных свободных противоионов) называют мицеллой. Мицелла – это структурная единица коллоидного раствора.

Примерный состав коллоидных частиц и мицелл золей иодида серебра и гидроксида железа (III)

Мицелла имеет сложное строение. Пример строения мицеллы Fe(OH)₃ приведен ниже.

[mFe(OH)₃nFe³⁺3(n-x)Cl^-yH₂O]^3x+ + 3xCl^-

Ядро связанные противоионы свободные противоионы

Адсорбционный слой диффузионный слой

Коллоидная частица

Мицелла

Суммарно заряд частицы равен разности зарядов адсорбированных ионов и противоионов. Вокруг частицы находится диффузионный слой ионов, заряд которых равен заряду коллоидной частицы. Коллоидная частица и диффузионный слой образуют электронейтральную мицеллу.

Оптические свойства коллоидных растворов

При прохождении через дисперсную систему свет может поглощаться, отражаться или рассеиваться частицами. Поглощение света – явление избирательное. Одни вещества полностью поглощают свет, другие поглощают только лучи определенной части спектра. Отражение света поверхностью частиц возможно только в грубодисперсных системах. Отражение света проявляется в мутности таких дисперсных систем как в проходящем свете, так и при боковом их освещении.

Для типичных коллоидных систем наиболее характерным оптическим свойством является рассеивание света по всем направлениям. Размеры коллоидных частиц меньше длины световой волны, и поэтому рассеивание света обусловлено не отражением его от поверхности частиц, а дифракцией. Рассеивание света при освещении коллоидного раствора было исследовано Тиндалем. Путь света виден при наблюдении сбоку в виде светящейся полосы (конус Тиндаля). Это свечение было названо опалесценцией.

Электрические свойства коллоидных растворов

В 1909 г профессор Московского университета Р. Рейсе наблюдал воздействие постоянного электрического тока на диспергированную в воде глину, и на этом основании описал электрические свойства коллоидных растворов. Частицы дисперсной фазы (глины) перемещались к аноду, где наблюдалось помутнение раствора, а частицы дисперсионной среды (воды) перемещались к катоду, где наблюдалось повышение уровня прозрачной жидкости. Направленное движение частиц к электродам говорило об их заряде. дисперсная фаза несет на себе заряд, противоположный по знаку заряду среды. Движение частиц дисперсной фазы к одному из электродов при пропускании через золь постоянного электрического тока получило название электрофореза, а движение частиц дисперсионной среды – электроосмоса. На границе раздела фаз возникает двойной электрический слой. Между фазами возникает разность потенциалов, называемая электродинамическим потенциалом Ψ. Часть скачка потенциала, обусловленная диффузным слоем, называется электрокинетическим или дзета – потенциалом ξ.

Дзета-потенциал определяется толщиной и зарядом диффузионного слоя, которые зависят от концентрации и заряда противоионов и температуры.

Чем меньше толщина диффузионного слоя, тем больше противоионов этого слоя перейдет за границу скольжения и тем меньше будет значение дзета-потенциала. Чем больше значение ξ, тем больше агрегатная устойчивость коллоидных систем.

Электрические свойства коллоидных растворов объясняют их агрегатную устойчивость, которая проявляется в том, что частицы дисперсной фазы в коллоидном растворе не укрупняются и не слипаются.

Коагуляция коллоидных растворов

Коагуляцией называют процесс соединения коллоидных частиц в крупные агрегаты с последующей потерей коллоидной системой кинетической устойчивости.

Коагуляцию коллоидных растворов можно вызвать нагреванием, охлаждением, интенсивным перемешиванием, а также добавлением различных электролитов. Добавление к коллоидному раствору электролитов приводит к снижению электрокинетического потенциала. Этот процесс характеризуется следующими закономерностями:

· Минимальная концентрация электролита, вызывающая коагуляцию коллоидного раствора, называется порогом коагуляции;

· Коагулирующим действием обладает не весь электролит в целом, а только тот его ион, который имеет заряд, одноименный с зарядом противоионов мицеллы;

· Коагулирующая способность иона зависит от его заряда. Ионы с большим зарядом (например, Fe³⁺) вызывают коагуляцию при гораздо меньших концентрациях, чем ионы с более низким зарядом (Fe²⁺);

· Коагулирующая способность ионов с одинаковым зарядом возрастает с увеличением радиуса иона. Ионы органических соединений всегда обладают более высокой коагулирующей способностью, чем неорганических;

· При увеличении концентрации электролита в растворе уменьшается электрокинетический потенциал, и коагуляция наступает при его определенном значении – критическом потенциале.

Коллоидные растворы в природе и технике

В природной воде содержится часть примесей в коллоидном состоянии. Поэтому воду, используемую для коммунальных нужд, электростанций, строительства, подвергают обработке, вызывающей коагуляцию коллоидных частиц.

Коагуляцию широко используют при очистке воды для удаления взвешенных веществ. В качестве коагулянтов используют сульфаты алюминия или железа.

Дымовые газы электростанций, металлургических заводов представляют собой аэрозоли. Для их коагуляции применяется электрогазоочистка методом электрофореза при очень высоких напряжениях. В коллоидном состоянии находятся многие составные части живых организмов: кровь, лимфа, внутриклеточная жидкость.

Наибольшее практическое применение имеют твердые системы с газовой дисперсной фазой, называемые твердыми пенами. На ж/д транспорте применяются такие газонаполненные пластмассы, как минора – для теплоизоляции изотермических, пассажирских и рефрижераторных вагонов, поролон – для изготовления мягких сидений в пассажирских вагонах, стипор - тепло- и звукоизоляционный материал в рефрижераторных вагонах, трубопроводах, стеновых панелях.