10. Приведите примеры практического использования электрофореза. Какое значение имеет для характеристики коллоидно-дисперсных систем дзета-потенциал? Каким образом его можно определить
Электрофорез находит ряд технических применений. Например, при производстве фарфора с его помощью освобождают глину от примесей окислов железа. Метод основан на том, что частицы взболтанной в воде глины заряжаются отрицательно, тогда как частицы окиси железа –положительно. При пропускании сквозь взвесь электрического тока у анода собирается очень чистая глина.
В состав коллоидной частицы, кроме непосредственного образующего ее вещества, могут входить также тесно с ней связанные молекулы жидкой фазы и адсорбированные ионы. Кроме того, в окружающей среде около частицы неизбежно должны находиться ионы противоположного знака. Рассматриваемая в совокупности со всеми этими дополнениями коллоидная частица носит название мицеллы, а часть последней, содержащая только непосредственно связанные с коллоидной частицей молекулы и ионы, – гранулы.
Например, в состав полученного гидролизом FeCl3 гидрозоля окиси железа, кроме Fe2 O3 , входят еще вода, адсорбированные коллоидной частицей ионы Fe3+и окружающие ее в жидкой фазе ионы Сl–. Общая формула мицеллы этого гидрозоля имеет вид xFe2 O3 ·yH2 O·zFe3+ + 3zCl–, а формула гранулы – xFe2 O3 ·yH2 O·zFe3+Подобным же образом общая формула мицеллы гидрофобного золя As2 S3 имеет вид xAs2 S3 ·zSH– + zH, a гранулы – a:As2 S3 ·zSH–. Схематически это часто изображают так:
Подобные схематические формулы мицелл и гранул выражают состав тех и других лишь качественно, т. е. указывают их составные части, но не дают представления об относительных количествах этих частей.
Дзета-потенциал определяет степень и характер взаимодействия между частицами дисперсной системы. Измерение дзета-потенциала обеспечивает понимание механизмов диспергирования и их контроль на уровне электростатических взаимодействий. Определение дзета-потенциала чрезвычайно важно во множестве областей производственной и исследовательской деятельности, в том числе, в пивоварении, фармацевтической промышленности, медицине, при производстве керамики, переработке полезных ископаемых и приложениях водоочистки.
11. Что называют коагуляцией? Каковы внешние признаки коагуляции? Укажите возможные продукты коагуляции золей
В результате проявления сил стяжения наступает коагуляция золя, т. е. слипание его частиц друг с другом и образование из них более сложных агрегатов. Достигнув известной величины, частицы становятся уже неспособными удерживаться во взвешенном состоянии и выделяются из той среды, в которой они были распределены, – происходит седиментация коллоида. Как следует из изложенного, коагуляция представляет собой процесс укрупнения частиц золя, а седиментация – результат этого процесса. Однако термином коагуляции часто охватывают и то и другое вместе.
Важнейшим фактором, противодействующим коагуляции, является наличие на коллоидных частицах электрических зарядов. Вследствие одноименности последних движущимся навстречу друг другу частицам лишь в крайне редких случаях удается сойтись настолько близко, чтобы между ними могли достаточно эффективно проявиться силы стяжения. В результате содержащий сильно заряженные коллоидные частицы золь заметно не коагулирует даже при долгом хранении, т. е. является весьма устойчивым.
Очевидно, что снятие с коллоидных частиц их электрического заряда (хотя бы частичное) должно понижать устойчивость золей и способствовать их коагуляции. Такое разряжение в случае гидрозолей может быть проще всего достигнуто добавлением к коллоидному раствору электролитов. Хотя при этом вводится одинаковое число положительных и отрицательных зарядов, но в непосредственно окружающей коллоидную частицу «ионной атмосфере» всегда несколько преобладают ионы, противоположна ей заряженные, которые частицей преимущественно и адсорбируются. Так как введение электролита сильно повышает общую концентрацию ионов в растворе, условия для их адсорбции становятся весьма благоприятными и первоначальный заряд частиц быстро нейтрализуется, [следствием чего является коагуляция золя. Природный процесс коагуляции электролитами широко осуществляется в устьях рек, где приносимые последними коллоиды и взвеси осаждаются под действием солей морской воды.
В случае гидрофобных коллоидов коагуляция электролитами обычно происходит легко и для достижения седиментации достаточно уже сравнительно небольших концентраций ионов. Напротив, коагуляция гидрофильных коллоидов, частицы которых покрыты слоем адсорбированных молекул воды, часто идет значительно труднее и их седиментация иногда наступает лишь при высоких концентрациях электролита.
Осадки коллоидов (коагуляты) имеют различную структуру. Лиофобные коллоиды при седиментации не увлекают с собой жидкую фазу и выпадают в виде тонких порошков или хлопьев. Напротив, лиофильные коллоиды увлекают более или менее значительные количества жидкой фазы, что и обусловливает студенистый характер их осадков. Золи некоторых лиофильных коллоидов (например, желатины) даже нацело застывают в студнеобразную массу (желе, студень). Подобные коагуляты, содержащие в своем составе увлеченную жидкую фазу, называют обычно гелями (для воды в качестве жидкой фазы – гидрогелями).
2) В зависимости от отношения образующихся при седиментации осадков к воде (или соответственно другой жидкой фазе) коллоиды делятся на обратимые и необратимые. Осадки первых при соприкосновении с чистой водой вновь самопроизвольно переходят в нее с образованием золя. Так ведет себя, например, гуммиарабик. Напротив, осадки необратимых коллоидов при простом соприкосновении с жидкой фазой самопроизвольно в нее не переходят. Примерами необратимых коллоидов могут служить кремневая кислота, окись железа, As2 S3 и т.д.
3) Хотя при простом соприкосновении осадков необратимых коллоидов с чистой водой золи и не образуются, однако иногда они могут быть получены, если к воде добавить ничтожное количество электролита. Ионы последнего, адсорбируясь на частицах осадка, заряжают их одноименно, в результате чего частицы отталкиваются друг от друга и распределяются по всему объему жидкой фазы. Процесс образования золя действием очень небольших концентраций электролитов на осадки необратимых коллоидов носит название пептизации. Последняя является одним из важнейших дисперсионных методов получения золей.
Помимо рассматривавшихся выше гидрозолей, все большее практическое значение приобретают дисперсные системы в газообразной среде – образованные частицами твердых веществ (дымы) или капельками жидкостей (туманы). Если средой является воздух, то такие системы называют аэрозолями. Примером аэрозоля может служить табачный дым (средний диаметр частиц 0,25 мк).
В электрическом поле высокого напряжения частицы аэрозолей подвергаются электрофорезу, причем, достигнув электродов, они теряют свой заряд и осаждаются. Электрофорез аэрозолей находит ряд важнейших практических применений для очистки газов от взвешенных в них твердых и жидких частиц. В одних случаях такая очистка бывает необходима для возможности проведения производственных процессов (например, очистка SO2 при контактном получении H2 SO4), в других – при ее помощи улавливают различные уносимые отходящими газами з в виде пыли ценные продукты. Наконец, электрофорез аэрозолей очень важен с санитарно–гигиенической точки зрения, так как позволяет очищать выпускаемые на воздух газы от вредных отходов производства.