Дисперсные и коллоидные системы. Коллоидные растворы.

Коллоидная химия — химия реальных тел. Вся природа - гидросфера и атмосфера, земная кора, ее недра, организмы растений и животных — сложная совокупность грубо дисперсных и коллоидно-дисперсных систем. Диспергирование - это дробление одного вещества в другом, в результате получается дисперсная система, состоящая из частиц этого вещества, распределенных в однородной среде другого вещества, т.е. гетерогенная система.

Под коллоидной системой понимают такие дисперсные системы, кинетической единицей которых является не ион и не молекула, а крупные агрегаты, состоящие из большого (до сотни и тысячи) числа молекул. Крупные частицы — агрегаты — называют дисперсной фазой, а среду, в которой они находятся, - дисперсионной средой

Нет коллоидных веществ, существует лишь калоидиое стояние, возможное для любого вещества: все зависит от условий его получения. Коллоидный раствор, в отличие от истинного, гомогенного раствора, называют золем. Дисперсионная среда и дисперсная фаза могут быть по агрегатному состоянию и жидкими, и газообразными, и твердыми. Размер коллоидных частиц от 1 до 100 нм (10-7 – 10-5) в поперечнике, т.е. это ультрамикрогетерогенные системы. Уменьшение поверхностной энергии идёт за счёт укрупнения, агрегирования частиц. Следовательно, термодинамическая неустойчивость приводит к агрегативной неустойчивости.

Для сохранения агрегативной устойчивости коллоидных систем вводят третий компонент — стабилизатор. В качестве стабилизатора могут быть использованы растворимые в дисперсионной среде электролиты, мыла и моющие вещества, высокомолекулярные соединения. Помимо этих основных признаков коллоидной системе присущи такие особенности: рассеяние (опалесценция) падающего па них света, малая скорость диффузии, малая величинa осмотического давления, неспособность проходить через поллупроницаемую перегородку, движение коллоидных частиц в постоянном электрическом поле (электрофорез).

Основу дисперсной фазы составляет нерастворимый агрегат, состоящий из сотен и тысяч молекул нерастворимого в воде вещества и стабилизатора. Объединение агрегата и стабилизатора получило название мицеллы. Строение мицеллы рассмотрим па примере получения иодида серебра в ходе реакции обмена; исходные растворы должны быть сильно разбавленными, чтобы иодид серебра не выпадал в осадок, а образовывался в виде золя: Если иодид калия взят в избытке, то он служит стабилизатором.

Па образующихся ультрамикроскопических кристалликах иодида серебра, являющихся агрегатом коллоидной системы, будут адсорбироваться, по правилу Фаянса, тс ионы стабилизатора, которые имеют сродство с агрегатом или могут образовывать с ним трудно растворимое соединение. В нашем примере будут адсорбироваться ионы Г - потенциалопределяющис ионы. Эквивалентное количество противоионов калия будет располагаться в адсорбционном и в диффузном слоях. Мицелла золя иодида серебра, стабилизированного иодидом калия, может быть представлена формулой Мицелла:

[m[AgI]nI-(n-x)K+ }xK

где m - число молекул Agl, входящих в агрегат; n - число потенциалопределяющих ионов I-. Общее число противоионов К+ также равно n, но часть из них (n - х) входит в адсорбционный слой и прочно связана с ядром мицеллы, другая часть х - противоионы диффузного слоя.

Мицелла в целом электронейтральна, заряжена только частица, се заряд определяют потенциалопределяющие ионы, в данном примере заряд частицы отрицательный.

Если бы при получении иодида серебра взяли избыток AgNО3, формула мицеллы была бы записана в таком виде:

{ m [Agl] nAg- (n -x) NO3- }xNO3 -

Величины m, n, x в зависимости от условии могут изменяться, но, как правило, m > n. В изоэлектрическом состоянии формулу рассмотренных мицелл записывают таким образом:

{ m [Agl] nI- nK+ } {m[Agl]nAg+ nNO3- }

Так как коллоидные системы занимают промежуточное положение между рубодисперсными и истинными растворами, получать их можно конденсационными либо диспергационными методами.

Методы диспергирования осуществляются путем механического, электрического пли ультразвуковою дробления веществ до размеров коллоидных части. Все эти методы требуют затраты энергии извне.

Конденсационные методы делят на физические и химические Общим для них является процесс возникновения повои фазы п\ гем соединения молекул, ионов, атомов,

К физическим относят метол непосредственной конденсации молекул испаряющеюся вещества и метод замены растворителя. При методе замены растворителя растворитель, в котором вещество растворяется, образуя истинный раствор, заменяется дисперсионной средой, в которой это вещество нерастворимо

К химическим относят методы получения трудно растворимых веществ при различных химических реакциях (гидролиз, окисление, двойной обмен и т. д. ).

Особое место при получении коллоидных систем занимает метод пептизации: переход свежеприготовленного осадки (коллоидной степени дисперсности) а раствор. В этом случае не происходит изменения степени дисперсности частиц осадка, а только их разъединение.

Важными условиями при получении коллоидных систем являются:

1) дисперсная фаза не должна взаимодействовать с дисперсионной средой;

2) должна быть достигнута определенная степень дисперсности;

3) концентрации растворов должны быть минимальными;

4) присутствие веществ-стабилизаторов, обусловливающих устойчивость систем. Коагуляция. Коллоидные системы обладают различной устойчивостью, одни из них существуют доли минуты, другие сохраняют устойчивость годами. По самой своей природе коллоидные системы агрегативно неустойчивы. Потеря агрегативной устойчивости выражается в укрупнении частиц путем коагуляции, т.е. слипания их между собой с образованием крупных агрегатов. Далеко зашедшая коагуляция приводит к потере кинетической устойчивости, т.е. неспособности укрупнившихся коллоидных частиц равномерно распределяться по всему объему, эти частицы либо будут всплывать, либо оседать (седиментация). Внешне явление коагуляции выражается в том, что гидрозоль мутнеет, появляются видимые невооруженным глазом хлопья, постепенно система начинает, расслаивается на два слон: жидкость и рыхлый осадок. Оптические свойства коллоидных систем. Свет, проходя через дисперсную систему, может поглощаться, отражаться или рассеиваться частицами. В коллоидных системах, где размеры частиц (1 —100 им) меньше длины полуволны видимого света, наблюдается не отражение света от поверхности частиц, а дифракция — лучи света как бы огибают коллоидные частицы, рассеиваясь во всех направлениях 'За счет такого рассеивания направление .туча в системе будет заметным в виде светящейся полосы, а если на пути луча до вхождения его в коллоидную систему поставить линзу, то можно сбоку наблюдать образование конуса (конус Тиндаля).

Явление светорассеяния называют опалесценцией. Это наиболее общее и характерное свойство коллоидных систем. В истинных системах и чистых жидкостях светорассеяние слабо выражено Интенсивность светорассеяния зависит от размера частиц дисперсной фазы, их концентрации, длины волны падающего света и дисперсионной среды.

1) в качестве эмульгатора должно быть ПАВ, молекулы которого дифильны, адсорбируясь на границе раздела масло - вода, они понижают поверхностное натяжение;

2) эмульгаторами могут быть в основном вещества, образующие на межфазной поверхности прочную и упругую пленку (структурно - механический барьер), не разрушающуюся при соударении капель. Специфическим свойством большинства эмульсий является обращение фаз – изменение типа эмульсии при изменении химической природы эмульгатора. М/В - В/М Так, например, если к эмульсии типа- М/В, стабилизированной натриевым мылом, добавить при взбалтывании раствор хлорида-кальция, то впоследствие образования нового эмульгатора - кальциевого мыла, нерастворимого в воде, эта эмульсия перейдет в эмульсию типа В/М. Обращение фаз происходит не сразу, а постепенно.

Тип метод слияния капли эмульсии с каплей воды или неполярной жидкости. На одно эмульсин можно установить различными методами:

1) предметное стекло наносят рядом каплю эмульсии и каплю воды, на другое - каплю эмульсии и каплю неполярной жидкости. Наклоняя стекло, наблюдают, сольются ли обе капли в одну при соприкосновении. Слияние капель - признак того, что взятая жидкость представляет дисперсионную среду эмульсии;

2) метод окрашивания основан на использовании красителей, растворимых в масле или воде. Масло хорошо окрашивается красителем Судан 3, краситель метиленовый синий хорошо растворим в воде и нерастворим в масле Для определения типа эмульсии берут две пробирки (или колбы), наливают эмульсию, в одну пробирку добавляют Судан 3, в другую - метиленовый синий. После энергичного взбалтывания каплю эмульсии из первой и второй пробирок рассматривают при помощи микроскопа. Если эмульсия М/В - из первой пробирки дисперсионная среда не окрашена, будут видны оранжевые капельки, из второй пробирки на голубом фоне (дисперсионная среда) будут видны капли масла;

3) по электрической проводимости. Если проводимость сравнительно высока, то это эмульсия М/В; вода - хороший проводник электричества. Если электрическая проводимость будет мала, то эта эмульсия В/М.