7.9.5. Строение двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Электрические свойства коллоидных растворов

На границе раздела фаз между коллоидной частицей и дисперсионной средой возникает двойной электрический слой (ДЭС). Поверхность коллоидной частицы несет ионы определенного знака, которые называют потенциалобразующими (рис. 7.10). К твердой поверхности из жидкой среды притягиваются гидратированные ионы противоположного знака (противоионы).

	AgI золь
	Sb2S3 золь
	Fe(OH)3 золь

Рис. 7.10. Модель строения двойного электрического слоя: ψ – потенциал адсорбционного слоя, ψ₁ – потенциал диффузного слоя; φ – общий скачок потенциала в ДЭС,ξ – электрокинетический потенциал (дзета-потенциал); δ_Г – толщина адсорбционного слоя.

Слой противоионов состоит из плотной и диффузной части. Плотная часть – адсорбционный слой, или слой Гельмгольца. Потенциалобразующий слой и противоионы расположены на молекулярном расстоянии друг от друга. Противоионы диффузного слоя способны перемещаться в результате теплового движения, диффузии и взаимного отталкивания в пределах диффузного слоя вглубь жидкости.

Общий скачок потенциала в ДЭС (φ –динамический потенциал) равен сумме скачков потенциала в адсорбционном слое ψ и диффузионном ψ₁. Из гидродинамики известно, что плоскость скольжения (линия АВ) движущегося твердого тела в жидкости проходит не по границе адсорбционный слой Гельмгольца – диффузный слой, а на некотором расстоянии от нее.

Скачек потенциала на границе неподвижный – подвижный слой жидкости, называется электрокинетическим, или дзета-потенциалом (ξ-потенциал). Он имеет тот же знак, что и заряд коллоидной частицы. Его величина зависит от концентрации противоионов, их заряда и температуры среды.

Наличие электрических свойств у коллоидных частиц объясняет то, что частицы дисперсной фазы в коллоидном растворе не слипаются. Сохранение коллоидной степени дисперсности обусловлено, прежде всего, наличием одноименного электрического заряда частиц дисперсной фазы, вызывающего их взаимное отталкивание. Заряд частиц обуславливает и их гидратацию. Полярные молекулы воды определенным образом ориентируются относительно заряженных частиц и вступают с ними во взаимодействие. Гидратные оболочки коллоидных частиц также способствуют сохранению дисперсности системы, препятствуя их слипанию.

Электрические свойства коллоидных растворов были исследованы в 1909 году профессором Московского университета Ф.Ф. Рейссом. Он наблюдал воздействие постоянного тока на диспергированную в воде глину. Коллоидные частицы глины перемещались к аноду, а вода – к катоду. Что свидетельствовало о наличии заряда у коллоидных частиц глины. Движение частиц дисперсной фазы к одному из электродов получило название электрофореза, это явление используют в борьбе с топочными дымами и производственной пылью, в медицине, а движение частиц дисперсионной среды – электроосмоса (используют для понижения уровня грунтовых вод).

7.9.6. Методы получения коллоидных растворов

Получение коллоидных растворов (золей) требует соблюдения следующих условий: 1) нерастворимость веществ дисперсной фазы в дисперсионной среде; 2) наличие в среде стабилизаторов, веществ, способных стабилизировать дисперсные частицы.

Получить коллоидные растворы можно измельчением вещества до коллоидного состояния (диспергация) и укрупнением молекул и ионов в агрегаты коллоидных размеров (конденсационные методы).

Диспергирование проводят физическими методами: механическим, ультразвуковым, электрическим.

Механическое диспергирование – дробление, истирание проводят в шаровых мельницах при медленном вращении полого цилиндра, заполненного на 30-40% шарами из стали, камня или фарфора. Более тонкое раздробление проводят коллоидными мельницами, где в зазоре между быстро вращающимся ротором и неподвижным кожухом происходит истирание частиц. Использование поверхностно-активных веществ (ПАВ) при получении коллоидных растворов диспергированием определяется их способностью понижать сопротивление твердых тел механическому разрушению (эффект Ребиндера, 1928 г.). ПАВ облегчает развитие микротрещин в поверхностных слоях разрушаемого тела, чем способствует повышению степени дисперсности.

Диспергирование ультразвуком происходит за счет возникновения разрывающих усилий при прохождении через твердое тело колебаний с частотой 20000 Гц в секунду. Этот метод применяют для диспергирования серы, графита, красок.

Коллоидные растворы металлов получают электрическим диспергированием путем распыления в вольтовой дуге металлических электродов, погруженных в воду.

Рыхлые, студенистые, свежеприготовленные осадки можно диспергировать химическим методом пептизации – промыванием небольшим количеством раствора пептизатора с образованием высокодисперсной системы. При этом нарушаются связи между слипшимися частицами, частицы приобретают заряд вследствии диссоциации.

Условием получения коллоидных растворов конденсационными методами является получение пересыщенных систем физическими или химическими методами. Такие системы образуются при конденсации паров, например, ртути при получении гидрозоли ртути и некоторых других металлов.

Пересыщенные растворы можно получить методом замены растворителя, вследствие низкой растворимости вещества в новом растворителе. Так из исходных спиртовых растворов получают коллоидные растворы серы, фосфора, канифоли в воде.

Химической конденсацией получают дисперсную фазу в ходе реакций обмена, окисления-восстановления, гидролиза. Например, в кипящей воде в результате гидролиза солей железа (III) можно получить коллоидные частицы его гидроксида:

Fe³⁺ + 3Н₂О = Fе(ОН)₃ + 3Н⁺.

Для повышения устойчивости коллоидов в раствор вводят стабилизаторы - ионы вещества, из которого состоит частица. Например, если при получении золя иодида серебра по уравнению:

AgNO₃ + KI → AgI↓ + KNO₃

растворы нитрата серебра и йодида калия взяты в эквивалентных количествах, то устойчивой коллоидной системы не образуется. Образующиеся частицы не несут электрических зарядов, то есть ξ = 0. Чтобы получить коллоидный раствор иодида серебра необходимо взять избыток одного из электролитов, который станет потенциалопределяющим, придаст частицам заряд, стабилизирует коллоидную систему. Например, избыток нитрата серебра ведет к образованию положительно заряженных коллоидных частиц в результате адсорбции ионов Ag⁺.