1. Грубодисперсные системы

Дисперсные системы, размер частиц в которых более 10^-5 см называются грубодисперсными. К ним относят эмульсии, суспензии, порошки, пены. В таких системах коллоидные частицы можно увидеть невооруженным глазом и их растворы, как правило, не прозрачные. В грубодисперсных системах практически отсутствует броуновское движение, поэтому они кинетически неустойчивы. Частицы дисперсной фазы в них сравнительно быстро оседают или всплывают.

Грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой называют суспензиями. Суспензиями являются многие краски, побелка, строительные растворы (цементный раствор, бетон). Особую группу составляют грубодисперсные системы, в которых концентрация дисперсной фазы относительно велика. Примерами таких систем могут служить пасты (в том числе зубная), кремы, мази.

Грубодисперсную систему можно получить из двух несмешивающихся друг с другом жидкостей. Если несколько капель растительного масла энергично взболтать в пробирке с несколькими миллилитрами воды, образуется мутная дисперсная система - эмульсия. Со временем она расслоится, поскольку представляет собой грубодисперсную систему.

2. Тонкодисперсные системы (коллоидные растворы)

Коллоиды занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами.

Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. В состав любого живого организма входят твердые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в сложнейших взаимоотношениях друг с другом и окружающей средой. Цитоплазма клеток обладает свойствами, характерными как для жидких, так и студнеобразных веществ. С химической точки зрения организм в целом - это сложная совокупность многих коллоидных систем, включающих в себя и жидкие коллоиды, и гели.

Если частицы дисперсной фазы достаточно малы, коллоидная система напоминает истинный раствор, отсюда и происходит название - коллоидный раствор. Такая систем образуется, например, при растворении небольшого количества яичного белка в воде.

Коллоидные системы подразделяются на две группы, резко отличные по характеру взаимодействий между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды – лиофобные коллоидные растворы (золи) и растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), которые ранее называли лиофильными коллоидами. К лиофобным коллоидам относятся системы, в которых частицы дисперсной фазы слабо взаимодействуют с дисперсионной средой; эти системы могут быть получены только с затратой энергии и устойчивы лишь в присутствии стабилизаторов.

Растворы ВМС образуются самопроизвольно благодаря сильному взаимодействию частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой и способны сохранять устойчивость без стабилизаторов. Лиофобные коллоиды и растворы ВМС различаются также и структурой частиц, составляющих дисперсную фазу. Для лиофобных коллоидов единицей структуры является сложный многокомпонентный агрегат переменного состава – мицелла, для растворов ВМС – макромолекула.

Существует несколько основных способов получения коллоидных растворов:

Дисперсионный (дробление вещества на мелкие частицы в дисперсионной среде или вне ее). Осуществляется механически с помощью специальных машин - коллоидных мельниц. Так получают, например, тушь, жидкие акварельные краски. Дробление можно производить при помощи электрического тока (коллоидные растворы серебра, золота, платины) или ультразвука (коллоидные растворы гипса, графита, смол).

Химический (проведение различных реакций, приводящих к образованию нерастворимых в жидкости веществ):

AgNO₃ + NaCl =AgCl + NaNO₃.

Na₂S₂O₃ + 2НС1 = 2NaCl + Н₂О + SO₂ + S

Строение коллоидной мицеллы

Лиофобные коллоиды обладают очень высокой поверхностной энергией и являются поэтому термодинамически неустойчивыми; это делает возможным самопроизвольный процесс уменьшения степени дисперсности дисперсной фазы (т.е. объединение частиц в более крупные агрегаты) – коагуляцию золей. Тем не менее золям присуща способность сохранять степень дисперсности – агрегативная устойчивость, которая обусловлена, во-первых, снижением поверхностной энергии системы благодаря наличию на поверхности частиц дисперсной фазы двойного электрического слоя и, во-вторых, наличием кинетических препятствий для коагуляции в виде электростатического отталкивания частиц дисперсной фазы, имеющих одноименный электрический заряд.

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:

AgNO₃ + KI → AgI↓ + KNO₃

Коллоидная мицелла золя иодида серебра (см. рис. 7.1.) образована микрокристаллом иодида серебра, который способен к избирательной адсорбции из окружающей среды катионов Ag+ или иодид-ионов. Если реакция проводится в избытке иодида калия, то кристалл будет адсорбировать иодид-ионы; при избытке нитрата серебра микрокристалл адсорбирует ионы Ag+. В результате этого микрокристалл приобретает отрицательный либо положительный заряд; ионы, сообщающие ему этот заряд, называются потенциалопределяющими, а сам заряженный кристалл – ядром мицеллы. Заряженное ядро притягивает из раствора ионы с противоположным зарядом – противоионы; на поверхности раздела фаз образуется двойной электрический слой. Некоторая часть противоионов адсорбируется на поверхности ядра, образуя т.н. адсорбционный слой противоионов; ядро вместе с адсорбированными на нем противоионами 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.

Схематически мицелла золя иодида серебра, полученного в избытке иодида калия (потенциалопределяющие ионы – анионы I–, противоионы – ионы К+) может быть изображена следующим образом:

{[AgI]m · nI^– · (n-x)K⁺}^x– · xK⁺

При получении золя иодида серебра в избытке нитрата серебра коллоидные частицы будут иметь положительный заряд:

{[AgI]m · nAg⁺ · (n-x)NO₃^–}^x+ ·xNO₃^–

Рис. 7.1. Строение коллоидной мицеллы AgI

(Материал по разделу представлен на: http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/

С. И. Левченков, конспект лекций по физической и коллоидной химии).