9. Дисперсные системы. Коллоидные растворы

Рекомендуемая литература:

Н.В. Коровин, Общая химия, гл.8, §§8.7; Лекции по теме.

Вопросы для подготовки

Типы дисперсных систем в зависимости от размера частиц дисперсной фазы и от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды. Коллоидные растворы гидрофильные и гидрофобные. Строение коллоидных частиц. Методы получения коллоидных растворов. Оптические и электрические свойства коллоидных растворов. Кинетическая и агрегативная устойчивость коллоидных систем. Гели и твердые коллоиды. Коагуляция коллоидных растворов.

Пример 1.

Что представляют собой гетерогенные дисперсные системы - коллоидные растворы? Каковы факторы их устойчивости и разрушения? Что является мельчайшей структурной единицей коллоидного раствора? Каковы типы структур, образующихся при коагуляции золей?

Решение

Все дисперсные системы состоят из сплошной фазы (дисперсионной среды) и прерывистой фазы (частиц), называемойдисперсной фазой. Коллоидные растворы по размеру частиц дисперсной фазы занимают промежуточное положение между грубодисперными и молекулярнодисперсными системами (истинными растворами), но качественно от них отличаются. В отличие от истинных растворов они относятся кгетерогеннымсистемам, состоящим из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела. В отличие от грубодисперсных систем коллоидные являются ультрамикро­гетерогенными. Несмотря на высокое значение поверхностной энергииG_пов =S^., коллоидные растворы являются наиболее устойчивыми из всех гетерогенных дисперсных систем, их частицы не оседают при любой продолжительности отстаивания.

По агрегатному состоянию коллоидные системы делятся на жидкие, твердые и газообразные. Жидкие коллоидные системы содержат жидкую дисперсионную среду. При наличии твердой дисперсной фазы они называются золями.

Коллоидные растворы (золи) обладают только им присущими оптическими, кинетическими и электрическими свойствами, обусловленными возникновением у коллоидных частиц электрических зарядов за счет адсорбции ионов из раствора. При этом уменьшается поверхностная энергия, что способствует устойчивости золей.

Коллоидные растворы могут быть получены двумя методами: либо измельчением грубодисперсных систем, либо объединением (конденсацией) атомов, ионов, молекул за счет реакций осаждения: гидролиза, нейтрализации, ОВР.

Все особенности свойств коллоидных растворов обусловлены строением частиц дисперсной фазы. Рассмотрим строение частиц золя сульфата бария, полученного при смешивании разбавленных растворов серной кислоты и хлорида бария.

Реакция обмена в этой среде приводит к появлению нерастворимого вещества сульфата бария:

H₂SO₄ +BaCl₂ = BaSO₄ + 2HCl.

Однако, осадок не выпадает вследствие образования золя. При этом мельчайшей структурной единицей коллоидного раствора является мицелла. Рассмотрим ее строение.

Предположим, что в растворе в избытке находится хлорид бария, следовательно, он является стабилизатором образовавшегося коллоидного раствора. После образования множества ультрамикроскопических кристаллов сульфата бария в растворе остается избыток ионов Ва⁺² и Сl^-. В соответствии с правилом Паннета-Фаянса на межфазной поверхности будут адсорбироваться ионы бария, т.к. такие же ионы входят в состав кристаллической решетки сульфата бария, за счет чего поверхность приобретает положительный заряд. Специфически адсорбирующиеся ионы называютсяпотенциалопределяющими: от них зависит знак и величина потенциала поверхности. Нерастворимое вещество являетсяядром мицеллы. В меньшей степени на ядре адсорбируются ионы хлора, называемыепротивоионами адсорбционного слоя. К положительно заряженной поверхности гранулы притягиваются за счет диффузии оставшиеся в растворе ионы Сl^-. Образуется двойной электрический слой. Внутреннюю обкладку двойного слоя образуют ионы Ва⁺². а наружную – непрочно связанные ионы Сl^-. Гранула вместе с диффузным слоем противоионов образует мицеллу. Мицелла всегда электронейтральна.

Строение мицеллы сульфата бария выражается формулой :

{m[BaSO₄]∙n Ва⁺²∙ 2 (n-x)Cl ^-}^+2х ∙ 2x Сl ^-, где

m[BaSO₄] – ядро,

nВа⁺² потенциалопределяющие ионы (стабилизатор) ,

2 (n-x)Cl^-– противоионы адсорбционного слоя,

{m[BaSO₄]∙nВа⁺²∙ 2 (n-x)Cl^-}^+2х– гранула (коллоидная частица),

2xСl^-– противоионы диффузного слоя.

Благодаря заряду гранула притягивает полярные молекулы дисперсионной среды, которые образуют сольватную оболочку.

Несмотря на то, что коллоидные растворы термодинамически неустойчивы за счет большого избытка поверхностной энергии, при определенных условиях они могут долго сохраняться.

Устойчивость дисперсных систем обусловлена:

1. Агрегативнойустойчивостью – способностью коллоидной системы сохранять первоначальную степень дисперсности. Она возможна при наличии в системе стабилизатора, которым является, в частности, электролит, взятый в избытке (в данном случаеBaCl₂). Адсорбция ионов Ва⁺² на частицахBaSO₄приводит к появлению на коллоидных частицах 1) заряда; 2) потенциала на границе раздела фаз, называемого электрокинетическим потенциалом; 3) сольватной оболочки, в результате чего коллоидный раствор становится устойчивым к коагуляции. Коагуляцией называется процесс укрупнения частиц за счет слипания и потери агрегативной устойчивости.

2. Седиментационнойустойчивостью – способностью частиц дисперсной фазы противостоять осаждению (седиментации) под действием силы тяжести. Седиментационная устойчивость коллоидных растворов обусловлена наличием теплового (броуновского) движения частиц.

Если нарушить хотя бы один из факторов устойчивости коллоидных растворов за счет: 1) введения в систему электролита; 2) повышения температуры; 3) пропускания постоянного электрического тока; 4) повышения концентрации исходных растворов; 5) механического воздействия; 6) добавления другого золя с противоположным зарядом гранулы, то произойдет снижение электрокинетического потенциала, потеря частицами сольватной оболочки и коагуляция. В результате укрупнения частиц нарушается седиментационная устойчивость, и дисперсная система разрушается.

Наиболее часто коагуляцию проводят добавлением сильного элек­тролита. Для положительно заряженных золей коагуляцию вызывают анионы, образующиеся при диссоциации добавленного электролита. Чем больше заряд иона-коагулятора, тем меньшей концентрации необходимо брать добавляемый электролит.

В результате коагуляции золей могут образоваться два типа про­странственных структур – коагуляционные (гели) и конденсационные (осадки). В случае образования геля частицы дисперсной фазы связывают дисперсионную среду с образованием ажурной структуры, внутри которой сохраняется дисперсионная среда (H₂O). При этом мицеллы не разруша­ются, золь переходит в полужидкое-полутвердое состояние (студень). Для некоторых гелей характерно явлениетиксотропии- переход геля в золь при механическом воздействии (масляные краски, бетонные растворы). Коагуляционные структуры обратимы. При стоянии такие золи снова застудневают.

Контрольные задания

Задание 9.

Составьте формулу мицеллы золя, образующегося в реакционной смеси, данной в таблице. Изобразите схему строения мицеллы. Определите заряд коллоидной частицы и укажите факторы, с помощью которых можно разрушить коллоидный раствор.

(Тип химической реакции: реакция обмена – 1, ОВР – 2, электролитическая диссоциация–3)

№	Исходные вещества в водном растворе	Тип хим. реакции	Состав продуктов реакции
1	Na2SiO3, HCl (изб)	1	H2SiO3, H+, Cl- , Na+
2	CaCl2 (изб), Рb(NO3)2	1	PbCl2(н), Ca2+, Cl - , NO3-
3	FeCl3(изб), NaOH	1	Fe(OH)3(н), Fe3+, Cl-, Na+, OH-
4	AgNO3(изб), KBr	1	AgBr, Ag+, K+, NO3-
5	KMnO4(изб), Na2SO3	2	MnO2(н), Na+, SO42-, ОН-, K+, MnO4-
6	As2O3, H2S	1	As2 S3(н), H2O, H+, HS-
7	Pb(NO3)2(изб), NaOH	1	Pb(OH)2, Na+, Pb2+, NO3-
8	H2SiO3	3	Н2SiO3, HSiO3-, H2O, H+
9	SbCl3, H2S(изб)	1	Sb2S3(н), H+, HS-, Cl-
10	KMnO4(изб), Na2SO3	2	MnO2(н), К+, Na+, SO42-, ОН-, MnO4-
11	AgNO3, Na2S(изб)	1	Ag2S(н), Na+, S2-, NO3-
12	Pb(NO3)2(изб), NaCl	1	PbCl2(н), Na+, NO3-, Pb2+
13	BaCl2(изб), Na2CO3	1	Ba CO3 (н), Na+, Ba2+, Cl-
14	Ni(NO3)2 , K3PO4(изб)	1	Ni3(PO4)2(н), NO3-, K+, PO4 3-
15	BeCl2, Ba(OH)2(изб)	1	Be(OH)2(н), Cl-, Ba2+, OH-