Коллоидная химия

Коллоидная химия


Коллоидные частицы.


Коллоидные растворы


Коллоидными растворами называют микрогетерогенные дисперсные системы с частицами размером от 1 до 100 мкм. Их характеризует не только наличие поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой (т.е. между частицами растворяемого вещества и растворителем), но и малая устойчивость. Коллоидные растворы не образуются самопроизвольно.


Виды коллоидных частиц


Частицы коллоидных размеров могут иметь различную внутреннюю структуру, что существенно сказывается как на методах получения коллоидных растворов, так и на их свойствах.


Существуют следующие три типа внутренней структуры первичных частиц коллоидных размеров.


1. Суспензоиды (или необратимые коллоиды),

2. Мицеллярные коллоиды (или ассоциативные коллоиды),

3. Молекулярные коллоиды (обратимые коллоиды).


Суспензоиды

Так называют коллоидные растворы металлов, их оксидов, гидроксидов, сульфидов и других солей.


Мельчайшие частицы перечисленных веществ, имеющих молекулярную или ионную кристалические решётки, составляют дисперсную фазу суспензоидов.


От суспензий они отличаются более высокой дисперсностью.


Суспензоидами их назвали потому, что, как и суспензии, они не могут длительно существовать в отсутствие стабилизатора дисперсности.


Необратимыми их назвали потому, что осадки, остающиеся при выпаривании таких коллоидных растворов, не образуют вновь золя при контакте с дисперсионной средой.


Суспензоиды называют лиофобными коллоидами. Название происходит от греческих слов: лиос – жидкость, фобио – ненавижу. Такое название они получили из-за предположения, что дисперсная фаза в них очень слабо взаимодействует с дисперсионной средой.


Суспензоиды, как и вообще дисперсные системы, могут быть получены двумя путями:


  • Методом диспергирования, т.е. измельчения крупных тел, и
  • Методами конденсации молекулярно- или ионнорастворённых веществ.

Метод диспергирования

Измельчение путём дробления, помола, истирания даёт сравнительно крупнодисперсионные прошки (> 60 мкм). Более тонкого измельчения достигают с помощью специальных аппаратов, получивших название коллоидных мельниц, или применением ультразвука.


Метод конденсации

Метод конденсации состоит в получении нерастворимых соединений путём реакций обмена, гидролиза, восстановления, окисления.


Проводя эти реакции в сильно разбавленных растворах и в присутствии небольшого избытка одного из компонентов, получают не осадки, а коллоидные растворы.


К конденсационным методам относится также получение лизолей путём замены растворителя. Например, коллоидный раствор канифоли можно получить, выливая её спиртовой раствор в воду, в которой канифоль не растворима.


Мицелярные коллоиды

Их называют также полуколлоидами. Коллоидные частицы этого типа возникают при достаточной концентрации дифильных* молекул низкомолекулярных веществ путём их ассоциации в агрегаты молекул – мицеллы – сферической или пластинчатой формы.


  • Дифильными называют молекулы, которые состоят из углеводородного радикала, имеющего сходство с неполярными растворителями, и гидрофильной (полярной) группы, имеющей сродство к воде.

  • Мицеллы представляют собой скопления правильно расположенных молекул, удерживаемых преимущественно дисперсионными силами.


    Сферическая мицелла


    Образование мицелл характерно для водных растворов моющих веществ (например, мыл – щелочных солей высших жирных кислот).


    Минимальную концентрацию поверхностно-активных веществ в растворе, при которой в системе образуются устойчивые мицеллы, находящиеся в равновесии с неассоциированными молекулами поверхностно-активного вещества, называют критической концентрацией мицеллоообразования.


    Молекулярные коллоиды (обратимые коллоиды)

    К молекулярным коллоидам относятся природные и синтетические высокомолекулярные вещества с молекулярным весом от десяти тысяч до нескольких миллионов. Молекулы этих веществ имеют размеры коллоидных частиц. Из-за огромного размера такие молекулы называют макромолекулами.


    Разбавленные растворы высокомолекулярных соединений – это истинные, гомогенные растворы, которые при предельном разведении подчиняются общим законам разбавленных растворов.


    Для получения растворов молекулярных коллоидов достаточно привести сухое вещество в контакт с подходящим растворителем.


    Неполярные макромолекулы растворяются в углеводородах (например, каучуки в бензоле), а полярные макромолекулы в полярных растворителях (например, некоторые белки - в воде и водных растворах солей).


    Вещества этого типа назвали обратимыми коллоидами потому, что после выпаривания их растворов и добавления новой порции растворителя сухой остаток вновь переходит в раствор.


    Растворение макромолекулярных коллоидов проходит через стадию набухания, являющуюся характерной качественной особенностью веществ этого типа.


    При набухании молекулы растворителя проникают в твёрдый полимер и раздвигают макромолекулы. Последние из-за своего большого размера медленно диффундируют в раствор, что внешне проявляется в увеличеннии объёма полимера.


    Растворы высокомолекулярных соединений имеют значительную вязкость, которая быстро возрастает с увеличением концентрации растворов. Повышение концентрации макромолекулярных растворов, добавки веществ, понижающих растворимость полимера, и, часто, понижение температуры приводят к застудневанию, т.е. к превращению сильно вязкого, но всё же текучего раствора, в сохраняющий форму твёрдообразный студень.


    Растворы полимеров с сильно вытянутыми макромолекулами застудневают при небольшой концентрации раствора. Так, желатин и агар-агар образуют студни и гели в 0,2-1% растворах. Высушенные студни способны вновь набухать (существенное отличие от гелей).


    Строение коллоидной мицеллы


    Строение коллоидных частиц удобнее рассматривать, если проследить процессы их образования. Сделаем это на примере частиц AgI.


    Образование коллоидной частицы AgI происходит в результате реакции:


    AgNO3 + KI → AgI↓ + KNO3.


    Молекулы AgI объединяются в практически нерастворимые частицы, в которых ионы Ag+ и I- образуют кристаллическую решётку.


    Новообразованные частицы сначала имеют аморфное строение, затем в них постепенно происходит кристаллизация.


    Образование Коллоидной мицеллы AgI в избытке AgNO3


    Если AgNO3 и KI взяты в эквивалентных количествах, то частицы-кристаллы растут, достигая значительной величины, превосходящей размеры коллоидных частиц, и быстро выпадают в осадок.


    Если же одно из исходных веществ взято в небольшом избытке, то оно служит стабилизатором, сообщающим устойчивость коллоидным частицам AgI. Так, при избытке AgNO3 в растворе будет находится большое количество ионов Ag+ и NO3- . Однако построение кристаллической решетки AgI согласно правилу Панета – Фаянса может идти только за счёт ионов, входящих в её состав; в данном случае за счёт ионов Ag+.


    Ионы Ag+ будут продолжать достраивать кристаллическую решётку ядра, прочно входя в её структуру и сообщая ему электрический потенциал.



    Образование Коллоидной мицеллы AgI в избытке AgNO3


    1 - электронейтральное ядро
    2 - зона достройки ядра потенциалопределяющими ионами
    3 - адсорбционный слой
    4 - противоионы адсорбционного слоя

    В связи с этим ионы, достроившие кристаллическую решётку ядра, называются потенциалопределяющими ионами.


    Величина электродинамического потенциала, или Е-потенциала, у многих коллоидных частиц достигает 1 В. Частицы с таким относительно высоким зарядом будут притягивать оставшиеся в растворе противоположно заряженные ионы NO3 (называемые поэтому противоионами). Начнётся процесс адсорбции противоионов, в результате которого установится динамическое равновесие между адсорбированными и свободными ионами.


    Основная часть всех противоионов, адсорбированная на ядре коллоидной частицы, образует вместе с потенциалопределяющими ионами адсорбционный слой (позиция 3 на рисунке выше).


    Ядро и адсорбционный слой вместе составляют гранулу. Гранула имеет электрический потенциал того же знака, что и Е-потенциал, но величина его меньше и зависит от количества противоионов в адсорбционном слое.


    Так, если 90% их адсорбировано, то и потенциал гранулы составит 10% от Е-потенциала.


    Потенциал гранулы называется электрокинетическим или дзета-потенциалом (ζ-потенциал). Кинетическим его называют потому, что он может быть обнаружен и измерен при движении частиц в электрическом поле. Его можно определить также, как потенциал на границе между адсорбционным (неподвижным относительно частицы) и диффузным (подвижным) слоями. (о диффузном слое см. ниже)


    Остаток противоионов удерживается электростатическими силами притяжения вблизизи гранулы, образуя диффузный слой (позиция 5 на рисунке ниже).


    Образование Коллоидной мицеллы AgI в избытке AgNO3


    5 - диффузный слой, состоящий из противоионов, не вошедших в адсорбционный слой гранулы

    Гранула вместе с диффузным слоем образует мицеллу.


    Толщина диффузного слоя различна, так как зависит от ионной силы раствора: чем ионная сила выше, тем толщина слоя меньше.


    Концентрация противоионов в диффузном слое убывает по направлению к переферии. Соответственно этому убывает и потенциал частицы, падая на границе дифузного слоя до нуля. Таким образом, мицелла всегда электронейтральна.


    Если переместить в адсорбционный слой большое количество противоионов, например 95%, электрокинетический (ζ-потенциал), измеряемый на поверхности гранулы, уменьшится до 5% от величины Е-потенциала. Величина Е-потенциала, зависящая от потенциал-определяющих ионов меняться не будет.


    Устойчивость коллоидных растворов обусловлена присутствием стабилизатора, т.е. электролита и зависит от величины заряда гранулы (ζ-потенциала). Чем выше этот потенциал, тем сильнее оказываются силы взаимного отталкивания частиц, препятствующие их объединению при столкновениях, наблюдающихся в результате броуновского движения.


    Оглавление


    Органическая химия

    Биохимия

    Косметическая химия


    Коллоидная химия


    • Три агрегатных состояния
       вещества

    • Силы межмолекулярного
       взаимодействия

    Свойства жидкостей.

    • Характеристика жидкого
       состояния вещества.

    • Поверхностное натяжение
       жидкости.

    Растворы.

    • Понятие раствора.

    • Гидраты и сольваты.

    Дисперсные системы. Коллоиды.

    • Дисперсные системы.
       Определение.
       Классификация:

           - Суспензии,
           - Эмульсии,
           - Пены,
           - Золи,
           - Гели.

    • Адсорбция.

    • Коллоидные частицы.
           - Виды коллоидных частиц.
           - Строение коллоидной
             мицеллы.

    • Коагуляция коллоидных
       растворов.

    • Стабилизация
       коллоидных растворов.

    • Эмульсии и эмульгаторы.

    • Взаимодействие
       "воды" и "масла".

    Вещества, понижающие поверхностное натяжение (ПАВы).

    • Что такое ПАВы?
    • Строение ПАВ.
    • Работа ПАВ в дисперсных
       системах.

           - Моющие средства.
           - Эмульгаторы.

    • Классификация ПАВ.
       По типу гидрофильных групп:
           - анионные,
           - катионные,
           - амфотерные,
           - неионные.

       По характеру использования:
           - моющие средства,
           - смачиватели,
           - эмульгаторы,
           - солюблизаторы.

       По длине гидрофобной цепи:
           - Гидрофобные ПАВ,
           - Гидрофильные ПАВ.

    • Использование ПАВ.
    • Воздействие ПАВ
       на человека.

    • Влияние ПАВ на
       окружающую среду.

    • Моющие средства.