Получение, очистка и коагуляция коллоидных растворов

1. Дисперсные системы. Коллоидное состояние

Коллоидные растворы являются разновидностью дисперсных систем, со­стоя­щих из множества малых частиц, распределенных в жидком, твердом или газообразном веществе. Совокупность этих частиц образует дисперсную фазу, а окружающее их вещество – дисперсионную среду. К дисперсным системам относят также капиллярно-пористые тела.

Огромный интерес к изучению дисперсных систем объясняется их широким распространением в природе и исключительной ролью при производстве весьма ценной пищевой и технической продукции.

Для всех дисперсных систем характерны две самые существенные и неотъемлемые черты, полностью определяющие их свойства и поведение: высокая раздробленность (дисперсность) и гетерогенность. Дисперсность (Д) определяется как величина, обратная величине размера частиц (а) дисперсной фазы:

. (1.1)

Гетерогенность проявляется в том, что эти системы состоят из двух (или более) фаз: дисперсной фазы и дисперсионной среды.

По дисперсности они подразделяются на грубодисперсные (грубые взвеси, суспен­зии, порошки) - а10^-6 м или  1 мкм; системы промежуточной диспер­сности (тон­кие взвеси, дымы, пористые тела) – а = 10^-6-10^-7 м или = 1-0,1 мкм; высокодиспер­сные или коллоидно-дисперсные (ультра­микро­гетерогенные, называемые коллоидны­ми системами либо коллоидными растворами, золями) – а=10^-7-10^-9 м или  0,1мкм; молекулярные или ионные растворы – а  10^-9 м.

Отсюда следует, что в коллоидных растворах достигается высшая степень измельчения вещества, при которой еще сохраняются понятия «фаза» и «гетерогенность». При дальнейшем уменьшении размера частиц на порядок системы переходят в гомогенные молекулярные или ионные растворы.

Согласно многочисленным исследованиям Веймарна, любое вещество можно перевести в коллоидное состояние, создавая соответствующие условия. Поэтому нельзя говорить о существовании каких-то «кристаллоидов» и «коллоидов», как утверждал Грэм.

Дисперсные системы классифицируют также по другим признакам: агре­гатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, характеру взаимодействия частиц дисперсной фазы между собой и со средой.

В зависимости от агрегатного состояния все дисперсные системы можно разделить на 9 типов. Обычно в этой классификации не фигурируют системы Г/Г вследствие неограниченной взаимной растворимости газов. Однако необходимо принять во внимание, что флуктуации плотности в газообразной гомогенной среде, несмотря на короткое время жизни, представляют собой гетерогенные образования со свойствами дисперсной фазы. В соответствии с этой классификацией различают суспензии (взвеси твердых частиц в жидкостях), эмульсии (взвеси капелек одной жидкости в другой), аэрозоли (дисперсионная среда – газ, дисперсная фаза – твердая или жидкая) (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

№ типа сис- темы	Диспер- сионная среда	Дисперс- ная фаза	Обозначе­ния системы	Тип системы	Некоторые примеры
1.	Жидкая	Твердая	Т/Ж	Коллоидные раст- воры (золи), сус- пензии (взвеси)	Взвеси в природных во­­дах, золи металлов в во­­де, флотационная пуль­па
2.	Жидкая	Жидкая	Ж/Ж	Эмульсии	Молоко, смазки, сли- вочное масло, марга- рин, кремы, мази
3.	Жидкая	Газо- образная	Г/Ж	Газовые эмульсии, пены	Мыльная пена
4.	Твердая	Жидкая	Ж/Т	Пористые тела, капиллярные системы, гели, твердые эмульсии	Адсорбенты, почвы, влажные грунты, не- которые минералы (опал, жемчуг), вода в парафине
5.	Твердая	Твердая	Т/Т	Твердые коллоидные растворы	Минералы, некоторые сплавы (самоцветы, ситаллы), цветные стекла, бурые угли (частично)
6.	Твердая	Газо- образная	Г/Т	Пористые и ка- пиллярные сис- темы, ксерогели (твердые пены)	Пемза, силикагель, активированные угли, пеностекло, пено- пласты, хлеб
7.	Газообраз- Ная	Твердая	Т/Г	Аэрозоли (пыли, дымы, распылен- ные О.В.)	Табачный дым, угольная и космичес- кая пыль, порошки
8.	Газообраз- Ная	Жидкая	Ж/Г	Аэрозоли (туманы)	Туман, кучевые облака, тучи
9.	Газообраз- Ная	Газо- образная	Г/Г	Системы с флук- туациями плот- ности	Атмосфера Земли

По степени молекулярного взаимодействия дисперсной фазы и диспер­сионной среды дисперсные системы подразделяются на лиофильные (сильно выражено взаимодействие) и лиофобные (слабое взаимодействие). Примерами лиофильных систем могут служить дисперсии некоторых глин и поверхностно-активных веществ (ПАВ), растворы высокомолекулярных веществ (ВМВ). К лиофобным системам относят типичные коллоидные растворы – золи металлов, галогенидов серебра, сульфида мышьяка и др.

По характеру взаимодействия между частицами дисперсной фазы выделяют свободнодисперсные, в которых частицы дисперсной фазы не связаны между собой и могут свободно перемещаться (диозоли, аэрозоли, суспензии, эмульсии), и связанно-дисперсные системы, в которых одна из фаз структурно закреплена и не может перемещаться свободно (гели и студни, пены, капиллярно-пористые тела – почвы, горные породы, спрессованные порошки и т.п.).

Таким образом, понятие «дисперсная система» значительно шире, чем поня­тие «коллоидная система». Однако коллоидная химия – физико-химия дис­персных систем и поверхностных явлений – изучает дисперсные системы и с более крупными частицами, к которым относятся многие реальные, практически важные системы.

В коллоидных системах кинетической и структурной единицей являются не ион и молекула в общем смысле. По общепринятой мицеллярной теории кол­лоидные растворы состоят из двух частей: мицелл и интермицеллярной жид­кости. Мицелла - структурная коллоидная единица, т.е. частица дисперсной фазы, окруженная двойным электрическим слоем. Интермицеллярная (или межмицеллярная) жидкость - дисперсионная среда, разделяющая мицеллы, в которой растворены электролиты, неэлектролиты и ПАВ, являющиеся стаби­лизаторами коллоидной системы.