Самостоятельная работа по химии № 5

Раздел 1. Методические указания по теме «Коллоидные растворы»

Гетерогенные системы, состоящие из мелкораздробленных частиц одного вещества, распределенных в однородной среде другого, называются дисперсными системами. Фазу, состоящую из частиц раздробленного вещества, называютдисперсной фазой, а среду, в которой распределены частицы, –дисперсионной средой.

Для объектов коллоидной химии характерны два общих признака: гетерогенность и дисперсность. Гетерогенность или многофазность выступает как признак, указывающий на наличие межфазной поверхности, поверхностного слоя, а также процессов и явлений, происходящих на межфазных границах и в пограничных слоях.

В свою очередь, дисперсность (степень раздробленности дисперсной системы характеризуется поперечным размером частицили его обратной величиной 1/, называемойдисперсностью) придает новые свойства не только отдельным фазам, но и всей дисперсной системе. С ростом дисперсности увеличивается роль поверхностных явлений в свойствах коллоидных систем. Чем меньше размеры частиц, тем выше дисперсность (1/) и больше удельная поверхность дисперсной фазы (S_уд).

Удельная поверхность определяется как отношение суммарной площади поверхности всех частиц дисперсной фазы (S) к занимаемому ими объему (V) или как произведение суммы частиц, содержащихся в 1м³объема системы (N_V) на площадь поверхности одной частицы (S₀):S_уд = S/V = N_V·S₀ (м^-1) (1)

Если раздробленные частицы шарообразной формы, то S₀ = 4πr²,V₀ = (4/3)πr³, гдеr– радиус частицы, а если кубической, тоS₀ = 6ℓ²,V₀ = ℓ³, где ℓ - длина ребра частицы, и тогдаS_уд = 3/r (м^-1), S_уд = 6/ℓ (м^-1) или S_уд = 3/rρ (м²/кг), S_уд = 6/ℓρ (м²/кг). (2)

Для расчета удельной поверхности можно использовать и другую формулу

S_уд = S/m = S/V·ρ = N_m·S₀ (м²/кг) (3)

где m– масса частиц с общей поверхностьюS,N_m- число частиц в 1кг их массы;- плотность диспергированного вещества, равнаяρ = m/V, кг/м³.

По размеру частиц дисперсной фазы коллоиды (Ø = 10^710^9м) занимают промежуточное положение между истинными растворами (Ø10^9м) и грубодисперсными системами – порошками, суспензиями, эмульсиями (Ø10^7м). Дисперсные системы с частицами коллоидных размеров принято называтьзолями. Системы с газовой дисперсионной средой независимо от природы газа называютаэрозолями. Системы с жидкой дисперсионной средой –лиозолями.В зависимости от природы жидкости лиозоли делят на гидрозоли, бензозоли и т.п. Системы с твердой дисперсионной средой –солидозоли.

Независимо от применяемых методов (диспергирование, т.е. дробление крупных частиц грубодисперсных систем до коллоидной дисперсности; иликонденсация, т.е. соединение атомов, ионов или молекул в более крупные частицы (агрегаты) коллоидных размеров), основные условия получения коллоидных систем следующие:

1. нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде;

2. достижение коллоидной дисперсности частиц дисперсной фазы;

3. наличие в системе, в которой образуются частицы дисперсной фазы, третьего компонента – стабилизатора, который сообщает коллоидной системе агрегативную устойчивость.

Устойчивость коллоидных систем объясняется особенностями ихстроения.

Любой коллоидный раствор состоит из мицеллиинтермицеллярной жидкости. Под интермицеллярной жидкостью понимают дисперсионную среду, содержащую растворенные электролиты-стабилизаторы и неэлектролиты. Мицеллы – твердые частицы коллоидной дисперсности или дисперсная фаза. Если коллоидная частица являетсялиофобной (гидрофобной в случае водного раствора), то интермицеллярная жидкость непосредственно окружает только частицы стабилизатора, взаимодействующие с нерастворимой фазой коллоида. Если же мы имеем дело слиофильным (гидрофильным) коллоидом, то интермицеллярная жидкость взаимодействует также и с частицами нерастворимой фазы. Учитывая изложенные особенности, распишем схемы образования гидрофобных и гидрофильных коллоидных мицелл отдельно.

Случай первый – образование гидрофобных коллоидов. Основную часть мицеллы составляетагрегат или зародыш, состоящий из большого числа (m) молекул (атомов или ионов) нерастворимого в воде вещества и имеющий кристаллическое строение, на схеме зародыш записывается какm(нераств. частиц). Для получения устойчивого золя, например, в водном растворе, один из реагентов, участвующих в образовании нерастворимой фазы, должен быть взят в избытке по отношению к другому. Избыточный компонент называют электролитом-стабилизатором коллоидного раствора.

Тогда на поверхности твердого кристаллического агрегата адсорбируется тот из ионов стабилизатора, который входит в состав кристаллической решетки или может образовывать с одним из ионов решетки мало растворимое соединение (правило Пескова-Фаянса). Эти ионы, называемыепотенциалопределяющими ионами, потому что они определяют знак и величину термодинамического потенциала коллоидной системы, будут вместе с зародышем формироватьядроколлоидной частицы. При этом заметим, что ионы-стабилизаторы в водных растворах окружены гидратной оболочкой, она обозначается как р(Н₂О):

[m(нераств. частиц)·nMe⁺·р(Н₂О)]ⁿ⁺или [m(нераств. частиц)·nАn^-·р(Н₂О)]^n-.

|__зародыш_______| |_зародыш_______|

|______________ _ ядро___| |______________ _ ядро__|

потенциалопределяющие ионы

Вокруг ядра располагаются ионы стабилизатора противоположного знака, также окруженные гидратной оболочкой из (q+ℓ)Н₂О, поэтому их называютпротивоионами. Причем, в силу подвижности противоионов они располагаются вокруг ядра двумя слоями:

- первый слой – адсорбционный, в нём (n-x) противоинов, они непосредственно примыкают к поверхности ядра, частично снижая его заряд, и вместе с ядром образуют гранулу коллоидной частицы

{[m(нераств. частиц)·nMe⁺·р(Н₂О)]ⁿ⁺·(n-x)An^-·q(Н₂О)}^x+

|__зародыш_______|

|______________ _ ядро___|

|_____________________ _гранула_____|

потенциалопределяющие ионы противоионы

или {[m(нераств. частиц)·nАn^-·р(Н₂О)]^n-·(n-x)Me⁺·q(Н₂О)}^x-

|_зародыш_______|

|______________ _ядро__|

|___________________ _ гранула___|

- второй слой – диффузионный, в немхпротивоионов, они занимают определённый объем вокруг гранулы, понижая её заряд до нуля

{[m(нераств. частиц)·nMe⁺·р(Н₂О)]ⁿ⁺·(n-x)An^-·q(Н₂О)}^x+ + xAn^-·ℓ(Н₂О)⁰ (4)

|__зародыш_______|

|______________ _ ядро___|

|______________________ гранула_____ |

|______________________ __мицелла________|

адсорбц. слой диффузн. слой

противоинов

или {[m(нераств. частиц)·nАn^-·р(Н₂О)]^n-·(n-x)Me⁺·q(Н₂О)}^x- + хМе⁺·ℓ(Н₂О)⁰ (5)

|_зародыш_______|

|____________ __ _ядро__|

|___________________ гранула___ |

|________________________ _мицелла _ |

адсорбц. слой диффузн. слой

противоинов

Случай второй – образование гидрофильных коллоидов. В отличие от гидрофобной мицеллы в данном случае сама нерастворимая фаза (зародыш), находясь не в кристаллическом, а в аморфном состоянии, способна адсорбировать на своей поверхности молекулы интермицеллярной жидкости в силу высокой гигроскопичности. Следовательно, агрегат или зародыш в гидрофильной мицелле обозначается так:

[m(нераств. частиц)·y(Н₂О)].

Дальнейший механизм образования коллоидной мицеллы аналогичен первому случаю. В окончательном виде схемы строения коллоидных гидрофильных мицелл могут быть представлены так:

{[m(нераств.частиц)·y(H₂O)]·nMe⁺·р(Н₂О)]ⁿ⁺·(n-x)An^-·q(Н₂О)}^x+ + xAn^-·ℓ(Н₂О)⁰ (6)

|_ _зародыш_______|

|______________ _ ядро___|

|______________________ гранула____| |______________________ _ _мицелла________|

потенциалопределяющие ионы адсорбц. слой диффузн. слой

противоинов

или{[m(нераств. частиц)·у(Н₂О)]·nАn^-·р(Н₂О)]^n-·(n-x)Me⁺·q(Н₂О)}^x- + хМе⁺·ℓ(Н₂О)⁰ (7)

|_ зародыш_______|

|____________ __ _ядро__|

|___________________ гранула___ |

|________________________ _мицелла _ |

Формулы (4, 5, 6 и 7) отражают все случаи образования гидрофобных и гидрофильных коллоидных частиц.

Коллоидные частицы теряют агрегативную устойчивость при снижении заряда на грануле. Этого можно добиться путём увеличения концентрации противоионов (тогда не образуется диффузный слой), либо путём добавления других противоионов с бóльшим зарядом. При столкновении между собой гранул с низким или нулевым зарядом они слипаются и выпадают в осадок под действием гравитационных сил. Этот процесс называется коагуляцией коллоида. Процесс коагуляции подчиняетсяправилу Шульце-Гарди: коагулирующим действием обладает лишь тот ион электролита, заряд которого противоположен заряду потенциалопределяющих ионов мицеллы, причем, его коагулинрующая способность выражается тем сильнее, чем выше заряд.

Минимальная концентрация электролита-коагулятора, вызывающая разрушение коллоидной системы, называется порогом коагуляции, или критической концентрацией электролита. Ее можно рассчитать по формуле, вытекающей из закона эквивалентов:

V_эл.С_N ν_э

С_N(крит) = ———— = ———— , (8)

V + V_эл V + V_эл

где: V– объем коллоидного раствора;V_эл– объем электролита-коагулятора; ν_э – количество вещества эквивалента электролита-коагулятора; С_N– молярная концентрация эквивалента электролита-коагулятора; С_N(крит) – наименьшая концентрация электролита-коагулятора, при которой разрушается коллоидный раствор.

Процесс коагуляции является самопроизвольным, а потому и обратимым. На практике коагуляцию называют «старением золя», а обратный процесс – образование золя из осадка –«пептизацией коллоида». Для обеспечения обратного процесса необходимо, как правило, сильное разбавление раствора с осадком и умеренное нагревание в присутствии электролитов-стабилизаторов.