13. Коллоидные растворы

Системы, в которых одно вещество распределено в мелкораздробленном состоянии в среде другого, называются дисперсными. Распределенное вещество называется дисперсной фазой, а среда, в которой распределена дисперсная фаза – дисперсионной средой. Дисперсные системы с размером частиц дисперсной фазы от 1 до 100 нм называются коллоидными растворами или золями.

Дисперсная фаза в коллоидном растворе представлена коллоидными частицами, в состав которых входит ядро, состоящее из электронейтрального агрегата частиц с адсорбированными на нем зарядообразующими ионами, и противоионы.

В качестве примера рассмотрим строение коллоидной частицы золя хлорида серебра, полученного действием избытка раствора AgNO₃ на раствор NaCl. Реакция протекает по уравнению AgNO₃ + NaCl = AgCl + NaNO₃. При образовании золя хлорида серебра молекулы AgCl соединяются вместе, образуя более крупные частицы: mAgCl → (mAgCl). На них адсорбируются зарядообразующие ионы. В качестве зарядообразующих выступают те ионы, которые находятся в растворе в избытке и принадлежат элементу, входящему в состав ядра. Эти ионы могут быть положительно или отрицательно заряженными, поэтому коллоидные частицы имеют положительный, либо отрицательный заряд. В нашем примере зарядообразующими являются ионы Ag⁺. Заряженные коллоидные частицы притягивают к себе противоионы и молекулы воды из дисперсионной среды. Зарядообразующие ионы и противоионы с растворителем составляют адсорбированный слой. Так образуется коллоидная частица золя AgCl, примерный состав которой можно выразить формулой:

[(mAgCl)nAg⁺ (n-x)NO₃^‾ ∙ yH₂O]^x+

Вокруг коллоидной частицы находится диффузный слой противоионов, заряд которых равен заряду коллоидной частицы. Коллоидная частица и диффузный слой образуют электронейтральную мицеллу. Примерный состав мицеллы хлорида серебра выражается формулой:

{[(mAgCl)nAg⁺ (n-x)NO₃^‾ ∙ yH₂O]^x+ + xNO₃^‾ ∙ zH₂O}⁰

Для получения коллоидных растворов используют дисперсионный и конденсационный методы.

Дисперсионный метод заключается в раздроблении вещества, выступающего в роли дисперсной фазы, до размеров коллоидных частиц. В частности, для получения золей металлов широко используется электрическое распыление металлов: под действием электрической дуги металл испаряется, пары металла в дисперсионной среде конденсируются и образуют микрокристаллы, которые и образуют коллоидные частицы.

Конденсационный метод основан на том, что частицы дисперсной фазы образуются за счет объединения молекул вещества в ассоциаты. Устойчивость коллоидных систем определяется величиной коллоидных частиц и свойствами удельной поверхности. Количественной характеристикой устойчивости является степень дисперсности (D) – величина, обратная среднему диаметру частиц (d): D = 1/d. Коллоидная система будет тем устойчивее, чем больше степень дисперсности. Различают кинетическую (частицы не оседают) и агрегативную (частицы не слипаются друг с другом) устойчивость.

Устойчивость коллоидного раствора можно нарушить, нейтрализуя электрические заряды коллоидных частиц, что приводит к укрупнению частиц в более сложные агрегаты. Этот процесс называется коагуляцией. Вещества, вызывающие коагуляцию, называются коагулянтами; к ним относятся различные электролиты. При добавлении электролита коллоидная частица адсорбирует ионы противоположного знака, что и вызывает нейтрализацию зарядов. Чем меньше заряд коагулирующего иона, тем больше ионов требуется на коагуляцию коллоида.

Коллоидные растворы обладают оптическими и электрическими свойствами.

При пропускании через коллоидный раствор постоянного электрического тока все коллоидные частицы движутся к одному электроду, а противоионы к другому. Перемещение коллоидных частиц под действием электрического тока называется электрофорезом. Процесс электрофореза используется при осаждении коллоидных частиц на поверхности металлов для создания изолирующих или антикоррозионных покрытий.

Оптические свойства коллоидных систем заключаются в том, что растворы рассеивают свет. Это обусловлено тем, что мицеллы больше атомов, поэтому в отраженном свете раствор опалесцирует. Интенсивность светорассеяния возрастает с увеличением размера коллоидных частиц и их концентрации. Явление светорассеяния используется при изучении коллоидных растворов.