Коллоидная химия. Учебное пособие

сцепления между коллоидными частицами или макромолекулами высокомолекулярных соединений.

Гели – это определенной формы дисперсные структуры, пребывающие в виде пространственных сеток, образованных при помощи вандервальсовых взаимодействий и химических связей. В гелях коллоидные частицы потеряли способность к поступательному движению.

Встуднях такая способность полностью не утеряна, т.к. пространственная сетка их является физической сеткой, образовавшейся только в результате вандервальсовых сил взаимодействия. Поэтому при повышении температуры коллоидные частицы могут начать движение относительно друг друга.

Вобразовавшихся структурных сетках гелей и студней, ячейки из которых состоят сетки, обычно заполнены растворителем.

Взависимости от особенностей физической структуры сеток, все гели условно разделяют на две группы:

1) эластичные гели, структура которых обычно образована эластичными макромолекулами (студни желатина или агар-агара в воде)

2) хрупкие гели – структура которых образована не эластичными твердыми коллоидными частицами (отвержденное «жидкое стекло»).

Эластичные гели в процессах высушивания или набухания в растворителе могут обратимо изменять свой объем, хрупкие гели в таких процессах свой объем не изменяют. Поэтому, хрупкие гели называются ненабухающими, а эластичные набухающими.

Физические свойства гелей и студней в зависимости от природы дисперсной фазы и содержания растворителя могут варьировать в широких пределах.

Например, сухие гранулы желатина в воде набухают, поглощая 10-12 кратные количества растворителя, и намного увеличиваются в объеме. Путем механического перемешивания или при повышении температуры набухшие куски желатина плавятся в поглощенной жидкости, образуя гомогенный раствор. При длительном пребывании в состоянии покоя или при охлаждении вязкость растворов возрастает и он обратно превращается в прочный студень, который можно резать ножом, а куски могут сохранить свою форму.

Сухой гель при набухании увеличивается в объеме, но объем набухшего геля меньше суммы объемов сухого геля и поглощенной им жидкости. Такое уменьшение объема называется контракцией и оно сопровождается увеличением давления набухания. (Случай, когда набухшие при транспортировке в трюме корабля бобы разорвали его корпус и корабль утонул).

Процесс набухания геля сопровождается не только увеличением давления, но и выделением тепла, можно определить скорость набухания.

Огромное значение процессов студнеобразования и самих студней проявляется в производстве клеев, вискозного и ацетатного шелка, искусственной кожи, резин, пластиков. Используются в технологических процессах – производство джемов, простокваш, творога, мармелада, сыра.

41

Все живые организмы состоят из гелей различной степени обводнения: мясо животных и рыб, коллаген, оболочка клетки.

Степень обводнения природных гелей колеблется в пределах от 90% в теле у медуз – до десятых долей процента у роговой ткани.

Даже кости скелета млекопитающих своей эластичностью обязаны студневидному белку – оссеину. С уменьшением этого белка в старости – кости становятся хрупкими, а переломы долго не срастаются.

9.2. Процессы гелеобразования

Процессы гелеобразования связаны с образованием структурной сетки, поэтому гелеобразование называется структурированием.

Гелеобразование сходно с процессом коагуляции коллоидных систем. Факторы: размеры и формы частиц, концентрация, температура, электролиты влияют на процесс образования гелей.

Разница между коагуляцией коллоидов и гелеобразования в том, что коллоидные частицы в процессе коагуляции выпадают в осадок и система разделяется на жидкую дисперсную среду и твердую дисперсную фазу. При гелеобразовании подобного разделения фаз нет, весь растворитель остается в системе.

Установлено, что гелеобразование происходит легко в системах, частицы которых имеют палочковидную, игольчатую, листовидную форму.

Механизм гелеобразования В процессе кинетического броуновского движения частицы дисперсной

фазы сталкиваются и сцепляются определенными участками. Обычно сцепляются концами удлиненных частиц или углами листочков. В процессе образования таких рыхлых сеток дисперсная среда захватывается как губкой, и вся система теряет текучесть, приобретая твердообразное состояние.

Для каждого типа коллоида существует своя минимальная концентрация частиц дисперсной фазы, или порог, ниже которого гелеобразование не наступает.

Гелеобразование не протекает мгновенно, необходимо время для образования сеток. В то же время в некоторых системах внутренние процессы структурообразования продолжаются и после наступления гелеобразования.

Влияние добавок электролитов на процессы гелеобразования не однозначно: катионы влияют на застудневание мало, чем анионы.

Анионы одних электролитов (SO42 -, CH3COO -) ускоряют гелеобразование, а анионы других (Cl -, I -) замедляют процесс.

Процессы гелеобразования и коагуляции коллоидов аналогичны. Это позволило академику Ребиндеру заменить термин застудневание на явление – коагуляционное структурообразование.

42

9.3. Тиксотропия и синерезис гелей

В процессе механических воздействий многие коагуляционноструктурные образования способны разжижаться и переходить в растворы. Если такие растворы оставить в покое, то в них начинает нарастать вязкость и завершается образованием студня. Если студень механически размешать получится раствор, который вновь в состоянии покоя образует гель.

Такое обратимое изотермическое превращение структурированной системы в деструктурированную и наоборот называется тиксотропией (с греческого: тиксис – встряхивать, и тропос – изменяться).

Тиксотропные превращения системы можно повторять несколько раз. Это можно изобразить схемой:

гель ↔ золь Тиксотропные явления происходят за счет сил электростатического взаи-

модействия.

Синерезис – процесс самопроизвольного сжатия, уменьшения объема структурной сетки геля, который сопровождается выделением части жидкой дисперсной среды. При длительном состоянии покоя происходит разделение системы на две отдельные фазы, появляется граница между гелем и жидкостью, а сами гели, уменьшаясь в объеме, теряют эластичность и мутнеют. При этом гели и студни, сжимаясь в объеме, принимают форму того сосуда, куда были налиты в виде жидкости еще до застудневая.

Синерезис широко распространен во многих технологических процессах. Например, крахмальный клейстер сокращается в объеме, утрачивает клеящую способность и становится непригодным. Трудности создаются в мыловаренном, лакокрасочном производствах. Из-за синерезиса черствеют хлебо-булочные изделия, «отмокает» и теряет товарный вид желе, мармелад, карамели.

Синерезис может возникнуть в растительных и животных клетках, они теряют эластичность, появляется жесткость и снижается подвижность в мышцах.

Контрольные вопросы

1.Дать определение студней?

2.Что такое синерезис?

3.Как происходит процесс набухания? Охарактеризовать влияние электролитов на набухание?

43

II. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ»

1.Среди приведенных веществ дисперсной системой являются…

молоко

минеральная вода

соленый раствор

раствор сахара

2.Для определения знака заряда коллоидной частицы используют метод

_________________

Правильный ответ – электрофорез.

3.Для золя полученного по реакции 2 NaSiO3(изб)+ 2HCl = H2SiO3+2NaCl наилучшим коагулирующим действием будет обладать ион

_________________

Правильный ответ – Fe3+.

4.Для золя BaSO4, полученного по реакции BaCl2 + K2SO4(изб)= BaSO4 + 2KCl, наименьшим порогом коагуляции обладает _________________

Правильный ответ – AlCl3.

5.Коагуляция коллоидных частиц может протекать под действием

_________________

Правильный ответ – сильных электролитов.

6.В коллоидной частице, образующийся при взаимодействии избытка

раствора Ag NO3, с раствором NaCl, потенциалопределяющим является

_________________

Правильный ответ – Ag+.

7.Согласно теории строения коллоидных растворов мицелла является … частицей:

положительно заряженной

отрицательно заряженной

радикальной

электронейтральной

8.В коллоидном растворе, полученном при взаимодействии изб. KJ с

AgNO3 потенциалопределяющим является _________________

Правильный ответ – J-.

44

9.Ион, адсорбирующийся на поверхности ядра и определяющий заряд коллоидной частицы называется _________________

Правильный ответ – потенциалопределяющим.

10.Коагулирующее действие на золе, полученный по AgNO3 + NaCI(изб)

→AgCI + NaNO3 вызывает

Правильный ответ – катион электролита

11.В коллоидных растворах проявляется эффект:  Тиндаля  Мандельштама  Гротгуса  Френеля

12.Коагуляцию золя BaSO4, полученного по реакции = BaCl2 + K2SO4(изб.)

→BaSO4 + 2 KCl, вызывают _________________

Правильный ответ – катионы электролита.

13.Для золя AgJ, полученного по реакции AgNO3 + KJ(изб.) = AgJ +

KNO3 наилучшим коагулирующим действием обладает _________________

Правильный ответ – Fe3+

14.Для золя иодида серебра, полученного по реакции AgNO3(изб.)+KI → AgI + KNO3, коагуляцию вызывают…

катионы и анионы одновременно

нейтральные молекулы

 анионы электролита

катионы электролита

15.Ядро мицеллы, образующейся согласно уравнению реакции K2SO4 + BaCl2(изб.) = BaSO4 + 2KCl является _________________

Правильный ответ – BaSO4.

16.Метод получения дисперсной системы, основанный на дроблении крупных частиц на мелкие _______________

Правильный ответ – диспергирование.

17.Коагуляция – это _________________

Правильный ответ – процесс укрупнения и выпадения в осадок частиц за счет сил сцепления.

18. Диализ – это______________________

Правильный ответ – очистка коллоидных растворов, от примесей электролитов.

45

19.Коллоидная частица, образующаяся при взаимодействии изб. KJ в электрическом поле передвигается _________________

Правильный ответ – к отрицательному электроду.

20.Коллоидная частица, образующая по уравнению AgNO3(изб) + KJ = AgJ + K NO3 в электрическом поле двигается к _________________

Правильный ответ – катоду.

21.Суспензии это системы…

с жидкой дисперсной средой и твердой дисперсной фазой

 с жидкой дисперсной средой и жидкой дисперсной фазой с газообразной дисперсной средой и жидкой дисперсной фазой

 с жидкой дисперсной средой и газообразной дисперсной средой

22.Туманы – это аэрозоли, образованные…

жидкими частицами в жидкой среде  жидкие частицы в газе

твердые частицы в твердой среде

твердые частицы в жидкой среде

23.Правило Шульце-Гарди _________________

Правильный ответ – коагулирующее действие ионов возрастает с увеличением их заряда.

24.Для золя Ва (NO)2 (изб) + Na2 SO4 = BaSO4 + 2 Na NO3 NO3 наилуч-

шем коагулирующим действием _________________

Правильный ответ – PO43-

25.Коллоидная частица, полученная при взаимодействии раствора НСl с

избытком BaCl2 заряжена _________________

Правильный ответ – положительно.

26.Ядро мицеллы, образующейся при взаимодействии раствора CuCI2 с избытком сульфида калия – _________________

Правильный ответ – CuS

27.Перемещение дисперсной среды относительно неподвижной фазы к электроду под действием разности потенциалов _________________

Правильный ответ – электроосмос.

28.Метод получения дисперсных систем, основанные на объединении более мелких частиц в крупные _________________

Правильный ответ – конденсация.

46

29.Коагуляция это:

процесс укрупнения коллоидных частиц  процесс дробления коллоидных частиц  процесс оседания коллоидных частиц  изменение цвета коллоидного раствора

30.Коллоидные системы, в которых растворитель (вода) взаимодействуют с ядрами называют…

Правильный ответ – гидрофильными.

31.Пептизация это:

превращение крупных частиц в мелкие

процесс укрупнения коллоидных частиц

процесс оседания цвета коллоидного раствора  изменение коллоидных частиц

32. Коллоидные системы отличаются от истинных растворов __________

Правильный ответ – большими размерами.

33.Основной характеристикой дисперсных систем является __________

Правильный ответ – размер частиц дисперсной фазы.

34.Истинные растворы имеют размер частиц дисперсной фазы:

меньше 10-9 м

больше 10-9 м, но меньше 10-7 м

больше 10-7 м, но меньше 10-5 м

больше 10-5 м

35.Суспензии являются:

коллоидными растворами

 грубодисперсными системами

истинными растворами

высокомолекулярными соединениями

47

III. ГЛОССАРИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ»

Агрегативная устойчивость – это способность системы сохранять определенную степень дисперсности, препятствовать «слипанию» частиц.

Аэрозоли – дисперсные системы с газообразной средой, где дисперсная фаза – жидкие или твердые мелкодисперсные частицы.

Броуновское движение выражается в том, что частицы дисперсной фазы под влиянием ударов молекул растворителя находятся в состоянии непрерывного хаотического движения.

Взаимная коагуляция – явление коагуляции гидрофобных коллоидов, вызванная смешиванием в определенных количественных соотношениях с другим гидрофобным золем, гранулы которого имеют противоположный знак.

ВМС (или полимерами) называют соединения, с молекулярной массой не менее 10 000-15 000, вследствие чего молекулярный вес их составляет сотни тысяч и даже миллионы.

Высаливание – явление выделения в осадок растворенного ВМС под действием большой концентрации электролита.

Гели (gelo – застываю, лат.) – студнеобразные или твердые коллоидные системы, состоящие из дисперсионной среды, заключенной в пространственную структуру (каркас), образованную соединенными между собой частицами дисперсной фазы.

Диализ – удаление низкомолекулярных примесей из коллоидных систем и растворов ВМС путем диффузии через полупроницаемую перегородку – мембрану.

Дисперсные системы – это гетерогенные системы, состоящие из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними.

Дисперсная фаза – раздробленная фаза.

Дисперсионная среда – сплошная среда, в которой распределены частицы дисперсной фазы.

Диффузия – самопроизвольно протекающий процесс выравнивания концентраций ионов, молекул или коллоидных частиц за счет их беспорядочного теплого движения.

Изоэлектрическое состояние – это состояние, в котором как кислотные, так и основные свойства белка проявляются в одинаковой степени.

Изоэлектрической точкой называется значение рН, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии.

Кинетическая устойчивость – это свойство дисперсных частиц удерживаться во взвешенном состоянии.

Коллоидная защита – повышение устойчивости гидрофобных золей по отношению к электролитам и другим факторам коагуляции при добавлении к ним гидрофильных коллоидов.

48

Коллоидная химия (от греч. кolla – клей, lidos – вид) – наука, изучающая состав, внутреннее строение, превращения и свойства дисперсных систем, а также поверхностные явления, возникающих на границах раздела фаз.

Контракция – уменьшение объема набухшего геля (меньше суммы объемов сухого геля и поглощенной им жидкости).

Лиофильные коллоиды – системы, для которых характерно сильное взаимодействие частиц дисперсной фазы с молекулами дисперсионной среды, в предельном случае наблюдается полное растворение.

Лиофобные коллоиды – системы, в которых частицы дисперсной фазы не взаимодействуют или слабо взаимодействуют с дисперсионной средой.

Мицелла – это элементарная часть коллоидной системы, являющаяся нейтральной.

Набухание – это процесс образования геля путем поглощения раствора геля сухим веществом (ксерогелем), сопровождающийся увеличением объема и массы системы.

Неограниченное набухание – это набухание, которое заканчивается растворением полимера.

Нефелометрия – метод определения концентрации и степени дисперсности коллоидных систем, основанный на явлении светорассеяния.

Ограниченное набухание – это набухание, которое не доходит до стадии растворения полимера.

Пены – это дисперсные системы с газообразной дисперсной фазой и жидкой или твердой дисперсной средой.

Пептизаторы – вещества, способствующие переходу коагеля в золь. Пептизацией называют переход в коллоидный раствор осадков, образо-

вавшихся при коагуляции.

Поверхность раздела фаз – это граничная область между фазами, слой определенной толщины, в котором происходит изменение различных свойств от значений, характерных для одной фазы, до значений, характерных для другой.

Порог коагуляции – это минимальная концентрация электролита, которая вызывает коагуляцию. Величина, обратная порогу коагуляции, называется

коагулирующей способностью.

Порошки – твердые мелкодисперсионные системы из пород и материалов широко распространенных.

Правило Шульце-Гарди: Коагулирующая способность иона тем выше, чем выше его заряд.

Растворение ВМС – самопроизвольный процесс, сопровождающийся уменьшением свободной энергии.

Седиментация – осаждение частиц под действием сил тяжести. Синерезис – явление самопроизвольного уменьшения объема студня с

выделением двух микрофаз: жидкой и студнеобразной.

Степень набухания – это отношение массы, поглощенной низкомолекулярной жидкости к массе полимера до набухания.

49

Структурирование – процессы гелеобразования, связанные с образованием структурной сетки.

Студень – насыщенный раствор низкомолекулярной жидкости в полимере, это система, состоящая из пространственной сетки и частично взаимослитых макромолекул и из молекул растворителя, которые заполняют пространство между макромолекулами.

Суспензии – это системы с жидкой дисперсной средой и твердой дисперсной фазой.

Тиксотропия – обратимое изотермическое превращение структурированной системы в деструктурированную и наоборот.

Фаза – это совокупность всех тождественных частей системы, имеющих одинаковый состав, химические, физические и термодинамические свойства, и отделенных от других частей системы поверхностью раздела.

Электроосмос – явление переноса жидкости (дисперсионной среды) через пористое тело под действием электрического тока; смещение жидкой фазы относительно неподвижной твердой.

Электрокинетический потенциал – потенциал диффузной части двой-

ного электрического слоя, обозначающийся ζ (дзета).

Электрофорез – явление перемещения частиц дисперсной фазы в электрическом поле к электроду, знак которого противоположен заряду частиц; перемещение твердых взвешенных частиц относительно неподвижной жидкости.

Эмульсии – это особый вид дисперсных систем, в которых дисперсная фаза и дисперсная среда – жидкие. Это системы, в которых обе фазы не смешиваются и одна из них в другой образует дисперсию в виде мелких капелек.

Эффект Фарадея-Тиндаля. Если световой луч пропустить через прозрачный коллоидный раствор, находящийся в темноте, то в золе будет заметен светящийся след светового пучка.

50