5.8. Дисперсные системы и их классификация

В середине 19 века английский химик Томас Грэм (1805-1869) обнаружил вещества с загадочными свойствами. При выпаривании их растворов вместо кристаллов получались аморфные студенистые массы. Они имели клеющие свойства. По-гречески клей – «колла», поэтому Грэм назвал эти вещества коллоидами.

Позже выяснилось, что из одного и того же вещества можно приготовить и обычный, и коллоидный раствор. Просто в обычных растворах вещество находится в виде отдельных молекул или ионов, а в коллоидных в виде крупных частиц.

Например, поваренная соль в органическом растворителе (бензоле) образует типичную коллоидную систему.

В любом коллоиде выделяются две фазы: сплошная (дисперсионная среда) и дисперсная или прерывистая – мелкие твердые частицы, капли жидкости или пузырьки газа.

Крайне редки газы, жидкости или твердые материалы, в которых отсутствуют коллоидные частицы.

Гелеобразную структуру имеет даже головной мозг. И. И. Жуков (представитель коллоидной химии) говорил, что «человек – ходячий коллоид».

В зависимости от размера частиц дисперсные системы подразделяют на группы:

а) взвеси (суспензии, эмульсии), у которых частицы имеют размер 10^-6 м и более (1000 нм);

б) коллоидные системы, размер частиц (от 10^-9 м до м) от 1 до 500 нм.

Дисперсные системы также классифицируют по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Тип дисперсной системы	Фазовое состояние		Примеры
	дисперсионной среды	дисперсной фазы
аэрозоль	газ	жидкость	туман, облака
аэрозоль	газ	твердая	дым, пыль
пена	жидкая	газ	взбитые сливки, мыльная пена
эмульсия emulgere(лат.)	жидкая «доить» (т. к. первая изученная эмульсия – молоко)	жидкая	молоко, кровь, майонез
золь	жидкая	твердая	краски
твердая эмульсия	твердая	жидкая	масло
гель	твердая	жидкая	желе, агар-агар
	твердая	газ	пемза, пенопласт

Коллоидные растворы. Коллоидное состояние характерно для многих веществ, если их частицы имеют размер от 1 до 500 нм (10^-9 мм).

Коллоидная частица имеет сложное строение.

Она включает в себя:

1. ядро;

2. адсорбированные ионы;

3. противоионы;

4. растворитель.

Примеры коллоидных частиц:

ядро

золь

ядро

золь

ядро

золь

Как видно, ядро состоит из электронейтрального агрегата с адсорбированными ионами элементов ().

Коллоидная частица кроме ядра имеет противоионы и молекулы растворителя.

Адсорбированные ионы и противоионы с растворителями образуют адсорбированный слой.

Заряд коллоидной частицы равен разности зарядов адсорбированных ионов и противоионов.

Вокруг частиц находится диффузный слой ионов, заряд которых равен заряду коллоидной частицы. Коллоидная частица и диффузный слой образуют электронейтральную мицеллу.

Методы получения коллоидных растворов. Для приготовления коллоидных растворов следует получить частицы размером от 1 до 500 нм, подобрать дисперсионную среду, в которой не растворяется вещество частиц, обеспечить устойчивость частиц.

Частицы соответствующих размеров получают:

I. Дробление крупных частиц. Эти методы называются диспергационными.

1) механическое диспергирование (раздавливание, расщепление, истирание);

2) ультразвуковое диспергирование;

3) электрическое диспергирование.

II. Объединение молекул или ионов. Такие методы называются конденсационными.

1) конденсация из паров при понижении температуры;

2) метод замены растворителя – дисперсионная фаза возникает вследствие меньшей растворимости вещества в новом растворителе.

3) химические методы (дисперсионная фаза возникает в результате ОВР, гидролиза или реакции обмена. Например, в результате гидролиза солей железа (III) получают его гидроксид: ).

В качестве вещества коллоидных частиц в водных средах служат металлы, оксиды, гидрокисды, сульфиды и другие. Для повышения устойчивости коллоидов в раствор вводят стабилизаторы, например, ПАВ или ионы вещества, из которого состоит частица.

Электрические и оптические свойства коллоидных растворов.

Если рассматривать путь светового луча, проходящего через совершенно прозрачный коллоидный раствор, сбоку на темном фоне, то он становится видимым.

Этот оптический эффект называется конусом Тиндаля (рис. 5.5.) При сильном увеличении каждая частица в конусе Тиндаля кажется светящейся точкой. Эффект вызывается рассеянием света частицами дисперсной фазы. При сильном увеличении каждая частица в конусе Тиндаля кажется светящейся точкой. Эффект Тиндаля можно наблюдать в темноте при прохождении луча света через запыленное или накуренное помещение.

Рис. 5.5. Эффект Тиндаля

В 1909 г. проф. Московского университета Ф. Ф. Рейсс наблюдал воздействие постоянного электрического тока на диспергированную глину и на этом основании описал электрические свойства коллоидных растворов. Частицы дисперсной фазы (глины) перемещались к аноду, где вследствие их большого скопления наблюдалось помутнение раствора.

Частицы же дисперсионной среды (воды) перемещались к катоду, где наблюдалось повышение уровня прозрачной жидкости (рис. 5.6.). Направленное движение частиц к электродам говорило об их заряде, причем дисперсная фаза несет на себе заряд, противоположный по знаку заряду среды. Движение частиц дисперсной фазы к одному из электродов при пропускании через золь постоянного электрического тока называется электрофорезом, а движение частиц дисперсной среды – электроосмосом.

Рис. 5.6. Схема устройства для демонстрации электрофореза

На границе раздела фаз возникает двойной электрический (ток) слой, состоящий из тонкой (адсорбционной) части и протяженной диффузионной части (рис. 5.7.а) Между фазами возникает разность потенциалов, называемая электротермодинамическим потенциалом φ. Часть скачка потенциала, обусловленная диффузным слоем, называется электрокинетическим или ξ (дзета) – потенциалом (рис. 5.7.б). Электрокинетический потенциал определяется толщиной и зарядом диффузного слоя, которые зависят от концентрации и заряда противоионов и температуры.

Рис. 5.7. Двойной электрический слой: а) распределение зарядов; б) падение потенциала в двойном слое

Электрические свойства коллоидных растворов объясняют их агрегативную устойчивость, которая проявляется в том, что частицы дисперсной фазы не укрупняются, не слипаются. Частицы дисперсной фазы одноименно заряжены, поэтому отталкиваются друг от друга.

Наличие электрического заряда у частиц дисперсной фазы приводит к их значительной гидратации. Гидратная оболочка также уменьшает стремление частиц к укрупнению. Гидратная оболочка приводит также к разобщению частиц, что повышает агрегативную устойчивость.

Кинетические свойства дисперсных систем.

1. Броуновское движение – беспорядочное, хаотичное движение коллоидных и дисперсных частиц.

2. Диффузия – скорость диффузии при постоянной температуре и вязкости среды зависит от величины и формы частиц. Медленность диффузии является признаком, отличающим коллоидные системы от истинных растворов.

3. Седиментацией называется свободное оседание частиц в вязкой среде под действием гравитационного поля. Истинные и коллоидные растворы седиментационно устойчивы.

Кинетические свойства коллоидных растворов определяют их кинетическую устойчивость, которая состоит в том, что концентрация коллоидных растворов одинакова по всему объему системы.