Коллоидные растворы

Коллоидные растворы (золи) по размеру своих частиц (т.н. мицелл) занимают промежуточное положение между истинными растворами, в которых растворенное вещество находится в виде ионов или молекул (размеры этих частиц обычно не более 1нм), и суспензиями (твердое в жидком) или эмульсиями (жидкое в жидком), в которых размерычастиц растворенного вещества более 100нм.

Золи, как и истинные растворы, проходят через бумажный фильтр и кинетически устойчивы (т.е. не разрушаются под действием силы тяжести), однако коллоидные растворы рассеивают свет (эффект Тиндаля).

Согласно современным представлениям золи являются микрогетерогенными системами, т.е. двухфазными, но со столь малым размером частиц растворенной фазы, что они не видны человеческим глазом. Благодаря высокой степени дисперсности этой фазы, и, как следствие, чрезвычайно большой величине ее удельной поверхности, для золей характерна значительная способность к адсорбции (концентрированию ионов или молекул раствора на поверхности мицелл).

Строение мицеллы, например золя гидроксида железа(III) схематически можно представить следующим:

{[mFe(OH)₃] nFe³⁺ kCl^-}^(3n-k)+(3n-k)Cl^-

ядро

потенциал-

образующие

ионы

противоионы

адсорбционный слой

диффузионный слой

коллоидная частица

мицелла

Основу мицеллы составляет микроскопический кусочек вещества (образующего коллоидный раствор), который называется ядром и в данном примере условно обозначен . Благодаря наличию свободных валентностей на поверхности ядра, оно адсорбирует (т.е. поглощает своей поверхностью) ионы из раствора, причем преимущественно те, которые близки по природе составу ядра.

Например, если золь гидроксида железа(III) получается гидролизом хлорида железа(III) при нагревании его сильноразбавленного раствора по реакции:

,

то в растворе имеются в достаточном количестве , и . Однако на поверхности ядра адсорбируются преимущественно , сообщая частице положительный заряд (поэтому такие ионы называются потенциалобразующими).

Заряженная частица притягивает из раствора в свой поверхностный слой ионы противоположного знака (противоионы), в нашем примере – анионы хлора.

В поверхностном слое различают адсорбционный слой (слой Гельмгольца) и диффузионный (слой Гуи). Адсорбционный прочно связан с ядром и перемещается вместе с ним, составляя коллоидную частицу. Ее заряд (-потенциал) определяется алгебраической суммой зарядов потенциалобразующих ионов и противоионов адсорбционного слоя. В нашем случае частица золя имеет заряд равный +().

Диффузионный слой (он формируется в результате диффузии противоионов в фазу растворителя) имеет меньшую концентрацию ионов, чем адсорбционный, и более подвижен относительно ядра мицеллы (т.е. от адсорбционного слоя его отделяет т.н. линия скольжения). Коллоидная частица и диффузионный слой вместе образуют электронейтральную систему – мицеллу. Отметим условность приведенной схемы, поскольку в ней не отражен, в частности, тот факт, что адсорбционные и диффузионные слои содержат ионы и молекулы растворителя. Устойчивость коллоидных растворов объясняется тем, что их частицы имеют одинаковые по знаку заряды. Это обусловливает их взаимное отталкивание. Сближению коллоидных частиц препятствуют также сольватные оболочки их ионов в поверхностном слое.

Под действием электронапряжения, благодаря -потенциалу коллоидных частиц, наблюдаются электрофорез (перемещение к электроду противоположного знака) и электроосмос (перемещение жидкости, которая оказывается заряженной из-за наличия диффузионного слоя, относительно коллоидных частиц).

Коагуляция коллоидных растворов. Коагуляция – это укрупнения коллоидных частиц из-за их агрегации (соединения друг с другом) с последующим оседанием (т.н. седиментация). Коагуляцию золя можно вызвать, например, нагреванием, центрифугированием, но чаще используют добавление электролитов.

При их добавлении противоионы диффузионного слоя переходят частично в адсорбционный, снижая заряд коллоидной частицы. Кроме того, добавляемый электролит, благодаря собственной сольватации, частично разрушает сольватную оболочку мицелл. В результате чего взаимное отталкивание коллоидных частиц снижается настолько, что происходит коагуляция.

Минимальная концентрация электролита, при которой наступает этот процесс, называется порогом коагуляции. Причем, чем выше заряд иона-коагулянта (т.е. имеющего заряд, противоположный по знаку заряду коллоидной частицы), тем ниже при прочих равных условиях порог коагуляции. (Однако следует отметить сильное коагулирующее действие однозарядных ионов водорода.)

Порог коагуляции зависит также от скорости добавления электролита, от интенсивности перемешивания раствора и, кроме того, может резко изменяться при совместном действии электролитов. Коагуляция наблюдается и при смешивании золей, имеющих противоположные знаки коллоидных частиц. Такая взаимная коагуляция часто используется для определения знака -потенциала.

Иногда требуется защита коллоидных растворов от коагуляции, для этого используют т.н. защитные коллоиды, т.е. поверхностно-активные вещества (ПАВ). К ним относятся, например, крахмал и желатин. Действие ПАВ заключается в том, что, адсорбируясь на поверхности мицелл, они снижают свободную энергию данной системы, тем самым стабилизируя поверхность раздела фаз.

Способы получения коллоидных растворов. Коллоидные растворы можно получать двумя противоположными путями: или диспергированием (раздроблением крупных частиц вещества на частицы размером менее 100нм); или конденсацией (агрегацией молекул или ионов в более крупные частицы).

Диспергирование проводят или механически (на специальных коллоидных мельницах), или электрическим распылением (при возникновении электродуги между электродами диспергируемого материала), или переведением в раствор коагулированной дисперсной фазы. Последний процесс называется пептизацией (он противоположен коагуляции). Пептизацию можно осуществлять с помощью ПАВ или диализом (т.е. отмыванием осадка от электролита, вызвавшего коагуляцию).

Конденсационные методы различают физические и химические. В основе последних лежат реакции, приводящие к получению малорастворимых веществ. Для получения коллоидного раствора эти реакции проводят или в присутствии вещества, стабилизирующего коллоидное состояние, или при сильном разбавлении реагентов. Например, взаимодействием разбавленных растворов и NaCl синтезируют золь хлорида серебра. Можно получить коллоидную серу, проводя в воде реакцию:

.

Золи гидроксидов многозарядных ионов получают гидролизом (см. выше).

Физические методы основаны, например, на конденсации вещества из газообразного состояния. Можно также использовать метод замены растворителя. При этом истинный раствор вещества в одной жидкости медленно добавляют к другой, в котором хорошо растворяется первый растворитель, но малорастворимо вещество. Поэтому оно выделяется в виде золя (опыт2 в лабораторной работе).