Устойчивость коллоидных систем
Классификация коллоидных систем
Дисперсные системы – это гетерогенные системы, состоящие из двух фаз. Одна из фаз находится в сильно измельченном (диспергированном) состоянии в виде мельчайших твердых частиц, капелек жидкости, пузырьков газа и называется дисперсной фазой. Вторая фаза – это среда, в которой распределены частицы диспергированного вещества, называется дисперсионной средой. Обязательным условием получения дисперсных систем является взаимная нерастворимость диспергируемого вещества и дисперсионной среды. Существует несколько различных классификаций дисперсных систем: по размеру частиц, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по характеру взаимодействия частиц дисперсной фазы с молекулами дисперсионной среды и др.
В зависимости от размеров частиц дисперсной фазы, дисперсные системы делятся на:
· грубодисперсные системы или взвеси (размер
частиц 10-5 – 10-7 м);
· высокодисперсные (коллоидные) системы (размер
частиц 10-7 – 10-9 м).
Таким образом, коллоидные растворы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами (размер частиц 10-10 м). Типичными коллоидными растворами являются золи, в которых дисперсная фаза – твердое вещество, а дисперсионная среда – жидкость.
Дисперсные системы можно классифицировать по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды (таблица 3).
|
|
|
Таблица 3
Типы дисперсных систем
| Дисперсионная среда | Дисперсная фаза | Тип дисперсной системы | Примеры |
| Газ | Жидкая | Аэрозоль | Туман, облака |
| Твердая | Аэрозоль | Дым, пыль | |
| Жидкая | Газ | Пена | Мыльная пена, пена газированной воды |
| Жидкая | Эмульсия | Молоко, майонез | |
| Твердая | Суспензия, золь | Краски, глина, паста | |
| Твердая | Газ | Твердая пена | Пемза, пенопласт |
| Жидкая | Твердая эмульсия | Жемчуг, опал | |
| Твердая | Твердый золь | Сплавы, рубиновые стекла |
По взаимодействию дисперсной фазы с дисперсионной средой коллоидные системы разделяют на:
· лиофильные - для них характерно сильное межмолекулярное взаимодействие дисперсной фазы со средой. Это взаимодействие приводит к образованию сольватных (гидратных в случае воды) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы, которые делают коллоидную систему устойчивой. К ним относятся растворы белков, высокомолекулярных соединений и др.;
· лиофобные – взаимодействие дисперсной фазы с дисперсионной средой не играет существенной роли. Эти системы термодинамически неустойчивы. К ним относятся золи металлов, труднорастворимых гидроксидов и солей.
|
|
|
По взаимодействию между частицами дисперсной фазы дисперсные системы классифицируют на:
· свободнодисперсные – частицы дисперсной фазы не связаны между собой (суспензии, аэрозоли и др.);
· связнодисперсные (структурированные) – частицы дисперсной фазы связаны между собой и образуют пространственную сетку (пены).
Важнейшей отличительной особенностью коллоидного состояния вещества является большая площадь поверхности раздела фаз. В поверхностном слое частица вещества обладает существенно иными свойствами, отличными от свойств частицы вещества в объёме фазы. Частицы, находящиеся в поверхностном слое, обладают избыточной свободной энергией, что обусловливает термодинамическую неустойчивость коллоидной системы. Уменьшение свободной энергии в растворах может быть достигнуто за счет уменьшения поверхностного натяжения в результате повышения или понижения концентрации растворенного вещества в поверхностном слое. Самопроизвольное изменение концентрации растворенного вещества в поверхностном слое по сравнению с концентрацией в объеме фазы называется адсорбцией. В коллоидных растворах (золях) на границе твердое тело-раствор вещество адсорбируется в виде ионов.
|
|
|
Получение коллоидных систем
Коллоидные растворы могут быть получены двумя принципиально различными способами: диспергационными и конденсационными. Диспергационные методы заключаются в дроблении более крупных частиц вещества до частиц коллоидных размеров. В зависимости от вида внешней работы, затрачиваемой на измельчение частиц, диспергационные методы можно разделить на:
- механическое диспергирование (раздавливание, истирание, удар, расщепление) в коллоидных мельницах;
- ультразвуковое диспергирование. При прохождении ультразвуковой волны высокой частоты возникают быстро чередующиеся сжатия и расширения вещества, что приводит к его разрушению;
- электрическое диспергирование. Этим методом получают золи металлов путем распыления в вольтовой дуге электродов из соответствующего металла, погруженного в дисперсионную среду.
Конденсационные методы заключаются в объединении молекул или ионов в агрегаты коллоидных размеров. К ним относятся:
- конденсация паров при понижении температуры;
- метод замены растворителя: дисперсная фаза возникает вследствие меньшей растворимости вещества в новом растворителе;
|
|
|
- химические методы, в основе которых лежат различные химические реакции (обмена, гидролиза, окисления-восстановления и др.): коллоидные частицы образуются путём агрегации отдельных молекул или ионов.
Строение коллоидных частиц
Рассмотрим процесс образования золя и строение его дисперсных частиц на примере золя хлорида серебра 
, который образуется при медленном приливании раствора хлорида натрия 
к водному раствору нитрата серебра 
, взятому в избытке:
.
При постепенном введении раствора в раствор в системе в первый момент образуются кристаллические агрегаты 
из ионов 
и 
, расположенных в том же порядке, что и в решетке кристалла . Кристаллический агрегат называется ядром дисперсной частицы. Агрегат адсорбирует на своей поверхности те ионы, которые находятся в растворе в избытке и входят в состав кристаллической решетки. Этим условиям отвечают ионы серебра . Ионы в количестве n прочно адсорбируются на поверхности ядра, благодаря чему поверхность приобретает положительный заряд. Эти ионы называются потенциалопределяющими. К заряженному ядру притягиваются оставшиеся в растворе ионы противоположного заряда - 
, которые называются противоионами. Часть противоионов в количестве 
, примыкающая к ядру, образует адсорбционный слой противоионов. Другая часть противоионов в количестве 
остается в жидкой фазе, образуя диффузный слой.
Ядро вместе с потенциалопределяющими ионами и противоионами адсорбционного слоя составляют коллоидную частицу или гранулу. Коллоидная частица всегда заряжена, знак заряда соответствует заряду потенциалопределяющих ионов. Коллоидная частица вместе с противоионами диффузного слоя называется мицеллой. Мицелла в отличие от коллоидной частицы электронейтральна.
Формула мицеллы золя хлорида серебра:
Заряд коллоидной частицы равен сумме зарядов потенциалопределяющих ионов и противоионов адсорбционного слоя.
Устойчивость коллоидных систем
Наличие у коллоидных частиц одноименных электрических зарядов вызывает их взаимное отталкивание и тем самым препятствует объединению коллоидных частиц и росту кристаллов. Способность коллоидной системы сохранять первоначальную дисперсность называется агрегативной устойчивостью.
Агрегативная устойчивость обусловлена наличием в системе ионного стабилизатора – электролита, взятого в избытке при получении коллоидного раствора. Адсорбция ионов стабилизатора приводит к появлению на коллоидных частицах зарядов одного знака, препятствующих слипанию частиц при их столкновении. Наличие гидратных оболочек у частиц дисперсной фазы также повышает агрегативную устойчивость.
Уменьшение абсолютной величины заряда коллоидных частиц приведет к потере агрегативной устойчивости и при столкновениях частицы будут слипаться и укрупняться. Такой процесс называется коагуляцией.
Укрупнение частиц в результате коагуляции приводит к нарушению седиментационной устойчивости – способности системы противостоять силе тяжести. Достигнув определенной величины, коллоидные частицы уже не способны удерживаться во взвешенном состоянии и оседают под действием силы тяжести. Этот процесс называется седиментацией.
Коагуляция, может быть вызвана самыми разнообразными причинами и, прежде всего, добавкой электролита. При этом существует ряд общих правил:
1. Коагулирующим действием обладает не весь электролит, а только тот ион, который имеет заряд, противоположный заряду коллоидной частицы. Он называется ионом-коагулятором.
2. Минимальная концентрация электролита, вызывающая коагуляцию золя, называется порогом коагуляции 
:
,
где 
— молярная концентрация электролита, моль/л;
- объем электролита, л;
- объем золя, л.
3. Величина, обратная порогу коагуляции, называется коагулирующей способностью 
:
.
Коагулирующая способность иона тем больше, чем выше его заряд. Эмпирически установлено, что порог коагуляции обратно пропорционален шестой степени заряда 
иона - коагулятора (правило Шульце-Гарди):
.
Значения порогов коагуляции для одно-, двух- и трехзарядных ионов относятся как числа 729 : 11 : 1.
Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 68; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!