§ 25. Получение и очистка коллоидных растворов

 

Коллоидные растворы по степени дисперсности час­тиц занимают промежуточное положение между грубо-дисперсными системами и истинными растворами низко­молекулярных веществ. Поэтому их можно получать двумя принципиально различными путями:

а) дроблением более крупных по размеру частиц до коллоидной степени дисперсности — методы диспергирования;

б) укрупнением частиц в результате объединения атомов и молекул в агрегаты коллоидной степени дисперсности — методы конденсации.

При получении коллоидных растворов необходимым условием является нерастворимость веществ в диспер­сионной среде. Кроме того, как при первом, так и при втором способе получения коллоидных растворов необ­ходимо участие стабилизаторов.

Методы диспергирования. Механическое измельче­ние. Способ заключается в энергичном и продолжитель­ном растирании, размалывании или распылении вещест­ва дисперсной фазы и смешивании его с жидкостью, ко­торая служит дисперсионной сре­дой. Для устойчивости золя до­бавляют стабилизатор. Крупные частицы дробят, пользуясь ступ­ками, вальцами, краскотерками, коллоидными мельницами и т. д.

  Тонкоизмельченные красители приобретают лучшую красящую способность, большую устойчи­вость, более красивые оттенки; пищевые продукты — лучшие  вкусовые качества и усвояемость.

Способом механического измельчения получают смазочные материалы, фармацевтические препа­раты, пищевые продукты (крах­мал, пряности, кофе, какао и т. п.). Электрическое диспергирование. Два электрода из металла, золь которого хотят получить, погружают кон­цами в жидкость (рис. 31), затем сближают их и про­пускают ток силой 5—10 А и напряжением на электро­дах порядка 100 В. В области возникшей дуги отрыва­ются частицы от электродов, они поступают в среду и образуют золь. Так как в зоне вольтовой дуги развива­ется высокая температура, то следует иметь в виду, что это может быть причиной окисления металлов и воспла­менения среды в случае органических жидкостей. По­этому таким способом получают гидрозоли (дисперси­онная среда — вода) благородных металлов: серебра, золота, платины. Коллоидные растворы серебра приме­няют в медицине в качестве антисептических лекарст­венных веществ.

Диспергирование ультразвуком. В последнее время для диспергирования веществ все чаще используется  ультразвук. Диспергирование при помощи ультразвуковых колебаний, т. е. колебаний с частотой выше 20 000 в 1 с, не улавливаемых человеческим ухом, эф­фективно лишь для веществ с небольшой прочностью. К ним следует отнести серу, графит, краски, некоторые металлы (ртуть, свинец и др.), крахмал, каучук, жела­тин и др.

Механизм действия ультразвука сложен и пока еще мало изучен. Предполагают, что диспергирование ве­ществ происходит под влиянием звуковых волн, созда­ющих в среде местные быстро сменяющиеся сжатия и расширения системы, что сопровождается появлением разрывающих сил, ведущих к измельчению веществ.

Пептизация. Пептизацией называют переход в кол­лоидный раствор осадков, образовавшихся при коагуляции. Пептизация протекает под влиянием дисперсионной среды, содержащей тот или иной пептизатор. При про­мывании осадка удаляются ионы, вызвавшие коагуля­цию, а коллоидные частицы осадка адсорбируют ионы пептизатора. На поверхности частиц образуется двой­ной электрический слой, стабилизирующий дисперсную систему, при этом силы отталкивания между частица­ми начинают преобладать над силами притяжения. Образующиеся коллоидные частицы под влиянием теп­лового движения распределяются равномерно по всему объему жидкости, образуя коллоидный раствор.

Однако не все осадки подвергаются пептизации. Рыхлые и свежие осадки легко переходят в золь, а осад­ки, подвергшиеся старению, как правило, не пептизируются. Пептизацию можно наблюдать при «восстановле­нии» сухого молока, где пептизатором является белок. Конденсационные методы. Разнообразны и конден­сационные методы получения коллоидных растворов. Рассмотрим наиболее важные из них.

Метод замены растворителя (физическая конденса­ция). Если истинный раствор поваренной соли в абсо­лютном этиловом спирте по каплям добавлять в эфир, то образуется золь поваренной соли в эфире. В данном случае ионы Na⁺ и Сl^- образуют агрегаты (коллоидные частицы) из-за плохой растворимости хлорида натрия в эфире.

Известно, что эфирные масла хорошо растворимы в спирте, по нерастворимы в воде. Спирт же и вода вза­имно растворяются в любых соотношениях. Так, если в стакан с водой при перемешивании добавлять одеколон или духи, то образуется мутноватый, очень устойчивый золь. При этом молекулы эфирных масел, попадая в воду (или в разбавленный спирт), объединяются в агре­гаты, достигающие размеров коллоидных частиц.

Метод химической конденсации. Получение коллои­дов способом химической конденсации сводится к обра­зованию молекул нерастворимых веществ в результате химической реакции с последующей конденсацией их до размеров коллоидных частиц. Получение коллоидных растворов этим способом зависит от концентрации реак­тивов, порядка смешения и температуры.

Приведем несколько примеров реакций различных типов, в результате которых при соответствующих усло­виях могут образоваться вещества в коллоидном со­стоянии:

NaCl + AgNO₃= AgCl + NaNO₃ (реакция обмена)

2H₂S + O₂= 2H₂O + S (реакция окисления— восстановления)

FeCl₃ + 3H₂O ↔ Fe(OH)₃ + 3HCl (реакция гидролиза)

 

Диализ. После проведения реакций образования коллоидных растворов золи необходимо очищать от со­держащихся в них электролитов, которые в избыточном количестве могут понижать их устойчивость, а иногда мешают изучению их свойств.

Процесс очистки золей от присутствующих в них молекулярно-ионных примесей называется диализом. Диа­лизаторы, в которых он осуществляется, имеют полу­проницаемую перегородку, через которую свободно про­ходят ионы и молекулы низкомолекулярных веществ, но задерживаются более крупные по размеру коллоидные частицы. Диффузия ионов электролитов через полупро­ницаемую мембрану в чистый растворитель (обычно воду) протекает очень медленно. Процесс ускоряется применением электрического поля и проточной воды. Такие приборы называются электродиализаторами. На рис. 32 представлена схема простейшего диализатора, на рис. 33 — схема электродиализатора.

Электродиализатор состоит из трех частей: двух бо­ковых 1 и средней 2. Мембраны 3 отделяют среднюю часть от боковых, они непроницаемы для коллоидных частиц, но пропускают молекулы воды и ионы электро­лита. В боковых частях непрерывно циркулирует чистая вода, здесь же расположены электроды 4 Коллоидный раствор, подлежащий очистке, заливают в среднюю часть прибора, снабженную мешалкой 5. При пропуска­нии постоянного электрического тока ионы электролитов перемещаются к соответствующим электродам и уносятся водой. Очистка в этих условиях требует значительно меньше времени, чем в простейших диализаторах (без применения электрического тока).

Электродиализ применяется для очистки пищевого желатина, клея, красителей, целлюлозы, для удаления солей из молочной сыворотки с целью сохранения в ней лактозы и протеинов. Диализ наблюдается при обработ­ке многих продуктов питания, например при вымачива­нии соленого мяса и рыбы.                                           

Ультрафильтрация. Полупроницаемые перепонки (мембраны) применяются не только для очистки кол­лоидных растворов от ионов и молекул низкомолекулярных примесей, но и для разделения фаз коллоидных систем — фильтрации.

Метод отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды фильтрованием коллоидных растворов через по­лупроницаемые мембраны называется ультрафильтрацией. Мембраны при этом укрепляются на твердой пористой подкладке в специальных ультрафильтрах. (рис. 34). Для ускорения ультрафильтрации или создают разре­жение под фильтром — ультрафильтрация под вакуумом (рис. 35), или производят давление на фильтрующий раствор — ультрафильтрация под давлением. Метод ультрафильтрации   можно   применить и для концентрирования сильно разведенных золей, удаляя дисперсион­ную среду лишь частично.

Для отделения дисперсной фазы в золях широко используются также центрифуги и ультрацентрифуги.

Центрифугирование, например, применяется для сепа­рирования молока, отделения мелкокристаллических осадков и т. п.