Лабораторная работа № 4 коллоидные растворы

1. Теоретическая часть

Коллоидные системы по размерам частиц дисперсной фазы занимают промежуточное положение между истинными растворами (более 10^-9м) и грубодисперсными системами (10^-5-10^-6м). Они могут быть получены двумя путями: конденсацией молекул или ионов (метод конденсации) и дроблением более крупных частиц до нужной степени дисперсности (метод диспергирования). Известны также случаи самопроизвольного диспергирования дисперсной фазы в дисперсной среде.

Для придания частицам устойчивости против слипания (агрегативной устойчивости) необходимо создание на поверхности частиц защитных слоев: двойных ионных слоев, вызывающих электростатическое отталкивание (электростатический фактор устойчивости), и сольватных, или адсорбционно - сольватных слоев, препятствующих в силу своих особых структурно -механических свойств соприкосновению и слипанию частиц (структурно - механический фактор стабилизации).

Основные диспергационные методы.

1.Механическое диспергирование – измельчение твердых тел в данной среде в присутствии стабилизаторов в шаровых или коллоидных мельницах. А также с помощью вибрационных измельчителей или ультразвука, вольтовой дуги и т.д. Дробление до частиц малых размеров требует большой затраты работы, так как поверхность раздела между фазами в таких системах весьма велика.

2.Физико-химическое дробление рыхлых осадков, в которых имеются отдельные частицы дисперсной фазы, разделенные прослойками дисперсионной среды. Их непосредственному соприкосновению мешают либо двойные ионные слои (они имеют небольшую толщину, но все же не дают частицам слипаться), либо сольватные оболочки, имеющиеся на поверхности частиц. Как первая, так и вторая причина обеспечивают отталкивание частиц на близких расстояниях, тогда как на более далеких преобладают силы межмолекулярного притяжения, не дающие частицам разойтись за счет теплового движения.

Перевести такой осадок в коллоидный раствор (пептизировать) можно

разными способами:

а) адсорбционная пептизация – в этом случае отталкивание частиц осадка друг от друга вызывается двойными ионными слоями, образуемыми на поверхности частиц за счет адсорбции ионов добавляемого электролита -пептизатора;

б) пептизация путем поверхностной диссоциации связана с образованием двойного ионного слоя в результате диссоциации молекул, находящихся на поверхности твердой фазы. Пептизатор в этом случае способствует процессу диссоциации (например, вызывает образование на поверхности частиц растворимых соединений);

в) пептизация путем промывания осадка применяется тогда, когда на поверхности частиц, образующих осадок, есть двойные ионные слои, но они сжаты, так как концентрация электролита достаточно большая. При промывании такого осадка водой концентрация электролита в нем уменьшается, двойные ионные слои увеличивают свою толщину, силы электростатического отталкивания между частицами действуют на более далекие расстояния и вызывают коллоидное растворение осадка.

Конденсационные методы получения дисперсионных систем.

1. Физическая конденсация – конденсация молекул одного вещества (будущей дисперсной фазы) в другой (будущей дисперсной среде). Практически это может быть осуществлено различными путями, например, пропусканием паров одного вещества в другое. Одним из примеров физической конденсации может быть метод заменены растворителя: молекулярный раствор какого-либо вещества постепенно, при перемешивании прибавляют к жидкости, в которой это вещество нерастворимо. При этом происходит конденсация молекул и образование коллоидных частиц.

2. Химическая конденсация – получение коллоидных систем с помощью химических реакций. Коллоидные растворы могут быть получены с помощью реакций различных типов: ионного обмена, окислительно- восстановительных, гидролиза и т.д. Наиболее распространены методы, при которых образуется малорастворимое вещество в среде, которая в дальнейшем называется дисперсионной.

При получении коллоидных растворов необходимо вести реакцию в разбавленном растворе, чтобы скорость роста кристаллических частиц была невелика, тогда частицы получаются мелкие (10^-7-10^-9м) и системе будет обеспечена седиментационная устойчивость. Кроме того, одно из реагирующих веществ должно быть взято в избытке. Это обеспечит образование на поверхности двойного электрического слоя основного фактора агрегативной устойчивости.

Коагуляция дисперсных систем

Лиофобные дисперсные системы термодинамически неустойчивы, что обусловлено избытком поверхностной энергии, поэтому частицы дисперсной фазы склонны к коагуляции (коалесценции - для эмульсий и аэрозолей), т.е. самопроизвольному процессу укрупнения дисперсных частиц вследствие их слипания (потеря агрегативной устойчивости).

Характерным признаком начала коагуляции является выпадение осадка дисперсной фазы или резкое увеличение светорассеяния (характерно для высокодисперсных систем).

Факторы, вызывающие коагуляцию золей, можно разделить на физические и химические. К физическим методам относятся перемешивание, механическая вибрация, воздействие ультразвука, электрического или магнитного поля, изменение температуры, различные виды излучения. Основным химическим методом воздействия является прибавление электролитов. Для реальных дисперсных систем характерно влияние на их стабильность нескольких факторов одновременно.

Введение в систему электролитов вызывает электролитическую коагуляцию коллоидных систем вследствие:

- нейтрализации поверхностного потенциала частиц (коагулянтами являются ионы с противоположным знаком, и чем больше заряд иона, тем выше его коагулирующая способность).

- сжатия диффузной части двойного электрического слоя.

Правило Гарди (правило знака заряда) (1909 г.): коагулирующей способностью обладают ионы с противоположным знаком заряда по отношению к заряду дисперсной частицы.

Порог коагуляции - минимальное количество электролита вызывающего начало коагуляции.

Пример: порог коагуляции для некоторых электролитов, вызывающих коагуляцию отрицательно заряженного золя As₂S₃:

Таблица 1.

электролит	LiCl	NaCl	MgCl2	BaCl2	AlCl3
Концентрация ммоль/л	58	51	0,71	0,69	0,09

Правило Шульце (1882 г.) – порог коагуляции резко уменьшается при увеличении степени окисления коагулирующих ионов (таблица 1), порог коагуляции двухвалентных катионов (Mg²⁺ , Ca²⁺) в несколько десятков раз ниже, чем для одновалентных; для трехвалентных катионов порог коагуляции ниже в сотни раз по отношению к одновалентным ионам. То же правило относится и к анионам, вызывающим коагуляцию.

Правило размеров коагулирующих ионов – при одинаковой валентности коагулирующая способность увеличивается с увеличением их атомного радиуса.