Глава 6. Силикаты в высокодисперсном состоянии

1. Характеристика и методы получения коллоидных систем

Гетерогенные высокодисперсные (коллоидные) системы широко распространены в природе и имеют исключительно важное значение в технике. Коллоидное состояние характеризуется определенной дисперсностью частиц (степенью измельчения) твердой фазы. В зависимости от размера частиц все дисперсные системы классифицируют следующим образом:

1) грубодисперсные системы (суспензии, эмульсии), состоящие из частиц крупнее 10^-6 м (1 мкм)

2) системы промежуточной дисперсности (тонкие взвеси, пористые тела), состоящие из частиц размерами 10^-6 – 10^-7 м

3) высокодисперсные системы (собственно коллоиды), состоящие из частиц размером 10^-7…10^-9 м (0,1–0,001 мкм).

Поскольку измельченное вещество обычно находится в какой-либо среде, с которой оно в большей или меньшей мере взаимодействует, то свойства его необходимо рассматривать в совокупности с этой средой. В результате взаимодействия коллоидных частиц друг с другом и с дисперсионной средой образуются коллоидные структуры со специфическим комплексом свойств (системы кремнезем – вода, глина – вода, цемент – вода и др.).

Коллоидные системы образуются либо в результате дробления кусков вещества до требуемой дисперсности, либо в результате объединения молекул или ионов в агрегаты коллоидных размеров.

2. Естественные и искусственные коллоиды в силикатных системах

Коллоидным считается любой нерастворимый в воде аморфный или кристаллический силикат с удельной поверхностью 25000 м²/кг. Для вещества с плотными круглыми частицами это значение удельной поверхности соответствует размерам частиц 10^-7 м (0,1 мкм). В лабораторных условиях коллоидные силикаты получают конденсационным методом по реакции обмена между силикатом натрия (например, Na₂SiO₃) и кислотами или солями тяжелых металлов

Na₂SiO₃+2HCl ––SiO₂+2NaCl+H₂O

гель

Обычно для реакции используют жидкое стекло с отношением Na₂O : SiO₃ = от 1 : 1 до 1 : 4.

Большинство синтетических коллоидных силикатов получают в виде аморфных осадков из водных растворов (гидрозоли).

В гидрозолях дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой – твердые дисперсности – мицеллы .

Строение мицеллы гидрозоля кремнезема можно изобразить следующей формулой.

(m[SiO₂] nHSiO₃^–(n – x)H⁺) – xH⁺

ядро

гранула

мицелла

или {(SiO₂)m nSiO^2-₃ 2(n – x)H⁺}2xH⁺

ядро

гранула (коллоидная частица)

мицелла

Рис. 2.29. Схема строения мицеллы кремниевой кислоты: 1 – ядро (агрегат (SiO₂)m; 2 – (Si)n; 3 – Н⁺(n-x); 4 – хН⁺

Основную часть мицеллы составляет агрегат, состоящий из большого числа атомов, ионов или молекул вещества, нерастворимого в воде и имеющего кристаллическое строение. Находящиеся на поверхности молекулы SiO₂ взаимодействуют с водой, гидратируются и образуют кремниевую кислоту, которая диссоциирует

H₂SiO₃ Si+ 2H⁺

Ионы (Si)n остаются на поверхности частицы, обусловливая ее отрицательный заряд, а ионы водорода (противоионы) составляют первый слой наиболее прочно удерживаемый (n–x) и второй диффузионный или диффузный слой.

С практической точки зрения рассмотрено осаждение силикатов многих металлов – Mg, Ca, Zn, Pb, Ni и др. Особое значение имеют соединения алюминия с кремнеземом. Вследствие того, что ион Al³⁺ замещает ион Si⁴⁺, в алюмосиликатной структуре появляется нескомпенсированный отрицательный заряд, который компенсируется катионом. Это позволяет получать алюмосиликатные гели, подобные гелям кремнезема, но обладающие свойством замещать ион натрия на водород или другой ион металла. Эти гели имеют важное практическое значение как “цеолиты”.