Лекция № 08 дисперсные системы

Понятие «дисперсные системы» объединяет широкий круг химических систем, в которых частицы одного вещества – диспергированного – распределены в другом веществе, называемом дисперсной средой.

Дисперсные системы различаются по степени дисперсности, т.е. по величине частиц диспергированного вещества. Соответственно и свойства систем будут, при прочих равных условиях, разными в зависимости от степени дисперсности распределенного вещества. Исходя из размера частиц вещества, распределенного в жидкой дисперсной среде, различают три типа таких систем.

ВЗВЕСИ – это дисперсные системы, в которых размеры частиц диспергированного вещества сравнительно велики: 10 ^–7 – 10 ^–5 м. Взвеси делятся на суспензии и эмульсии. В первых распределённое вещество твердое, во вторых – жидкое. Частицы взвесей видны простым глазом или в обычный микроскоп. Взвеси системы мутные. Это неустойчивые дисперсные системы.

КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ – это дисперсные системы, размер частиц распределённого вещества составляет 10 ^–9 – 10 ^–7 м. Эти системы и будут предметом нашего внимания и обсуждения.

ИСТИННЫЕ РАСТВОРЫ (или просто растворы) – это системы в которых распределённое вещество имеет размеры 10 ^–10 – 10 ^–9 м (вещество распалось до молекул или ионов).

Отметим, что не существует резких границ между истинными растворами, коллоидными системами и взвесями. Например, молоко – это пример взвеси, коллоидной системы и истинного раствора одновременно. В молоке молочный сахар (галактоза) находится в виде молекул, т.е. это истинный раствор. Молочный белок (казеин) образует коллоидную систему, а жир находится в виде эмульсии (взвесь).

Высокодисперсные коллоидные системы с жидкой дисперсионной средой называют золями.

Коллоидные системы, на поверхности частиц которых нет уплотнённого слоя из молекул растворителя, называются лиофобными (в случае водных растворов – гидрофобными). Коллоидные системы, на поверхности частиц которых имеется уплотнённый слой молекул растворителя, называются лиофильными (в случае воджных растворов – гидрофильными).

Методы получения коллоидных систем

Лиофобные коллоидные системы (или лиофобные золи) можно получать либо диспергированием вещества до частиц коллоидного размера, либо конденсацией молекул, ионов в агрегат, имеющие размер коллоидных частиц.

Общие условия получения золей – нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде и наличие в среде веществ, которые споособны стабилизировать частицы дисперсной фазы – стабилизаторов.

Диспергационные методы

ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ – это способы получения лиофобных золей путем дробления крупных частиц до агрегатов коллоидных размеров.

Существенные черты этих методов:

1. Измельчение производится в инертной среде.

2. Диспергирование является несамопроизвольным процессом.

Образование дополнительной межфазной поверхности связано с накоплением дополнительной свободной энергии и происходит за счёт совершения внешней работы.

В зависимости от вида внешней работы, методы диспергирования делятся на механические, ультразвуковые и электрическое диспергирование.

Измельчение частиц до размеров в несколько десятков микрон осуществляется с помощью шаровых мельниц.

Очень тонкое раздробление (до 0,1 – 1 микрона) достигается на специальных коллоидных мельницах (частицы разрываются или истираются в зазоре между вращающимся ротором и неподвижным корпусом мельницы).

Конденсационные методы

Конденсационные методы – это способы получения коллоидных систем путём объединения (конденсации) молекул, ионов в агрегаты коллоидных размеров. Эти методы классифицируют по природе сил, вызывающих конденсацию.

В основе физической конденсации лежит конденсация молекул одного вещества – будущей дисперсной фазы в другом веществе – будущей дисперсионной среде.

Одним из примеров физической конденсации является метод замены растворителя: раствор какого-либо вещества постепенно, при перемешивании, прибавляют к жидкости, в которой это вещество нерастворимо. При этом происходит конденсация молекул и образование коллоидных частиц.

Так можно получать гидрозоли серы, фосфора, куанифоли, антрацена и других веществ, вливая их спмртовые растворы в воду. Частицы дисперсной фазы в таких золях получаются заряженными отрицательно.

Другой путь – конденсация из паров. Исходное вещество находится в паре, понижение температуры приводит к тому, что пар становится пересыщенным и частично конденсируется, образуя дисперсную фазу.

При химической конденсации вещество, образующее дисперсную фазу, получается в результате химической реакции. Такую реакцию нужно проводить, выполняя следующие условия.

1. Вещество дисперсной фазы должно быть нерастворимо в дисперсионной среде;

2. Скорость образования зародышей кристаллов дисперсной фазы должна быть больше, чем скорость роста кристаллов. Это условие выполняется тогда, когда концентрированный раствор одного компонента вливается в сильно разбавленный раствор другого компонента при интенсивном перемешивании;

3. Одно из исходных веществ должно быть взято в избытке, это вещество является стабилизатором коллоидной частицы.

Практически любая химическая реакция, приводящая к образованию новой фазы, может служить способом получения коллоидной системы.

Примеры:

• Реакция восстановления: Ag₂O + H₂ = 2Ag (золь) + H₂O. Реакцию проводят в присутствии желатина, крахмала, танина.

• Реакция окисления: 2H₂S + SO₂ = 3S↓(золь) + 2Н₂О.

• Реакция гидролиза

• Реакция обмена:

ПЕПТИЗАЦИЯ (физико-химическое дробление осадков)

Пептизацией называют дробление рыхлых осадков, в которых имеются отдельные частицы дисперсной фазы, разделённые прослойками дисперсионной среды. Их непосредственному соприкосновению мешают либо двойные электрические слои, либо сольватные оболочки на поверхности частиц. Они обеспечивают отталкивание частиц на близких расстояниях, тогда как на более далёких преобладают силы межмолекулярного притяжения, не дающие частицам разойтись за счёт теплового движения. Перевести осадок в коллоидную систему можно тремя способами:

1. АДСОРБЦИОННАЯ ПЕПТИЗАЦИЯ: в этом случае отталкивание частиц осадка друг от друга вызывается ДЭС, образующимися на поверхности частиц за счёт адсорбции ионов добавляемого электролита-пептизатора. Примером может являться следующее: если к рыхлому свежему осадку гидроксида железа (III) прибавлять в качестве пептизатора раствор хлорида железа (III), то ионы Fe³⁺, адсорбируясь на поверхности частиц Fe(OH)₃, способствуют образованию ДЭС. Ионы железа вызывают отталкивание частиц осадка и переводят их в раствор.

2. ПЕПТИЗАЦИЯ ПУТЁМ ПОВЕРХНОСТНОЙ ДИССОЦИАЦИИ связана с образованием ДЭС методом поверхностной диссоциации. Пептизатор здесь способствует процессу диссоциации с поверхности, вызывая образование растворимых соединений на поверхности частиц (например, при добавлении кислоты или щелочи к амфотерному гидроксиду алюминия).

3. ПЕПТИЗАЦИЯ ПУТЁМ ПРОМЫВАНИЯ ОСАДКА применяется в том случае, когда на поверхности частиц в осадке есть двойные электрические слои, но они сжаты вследствие большой концентрации электролита. При промывании такого осадка водой концентрация электролита в нём уменьшается, двойные слои увеличивают свою толщину; силы электростатического отталкивания между частицами будут действовать на более далёких расстояниях и вызовут растворение осадка с образованием коллоидных частиц.

Из рассмотренного выше следует, что пептизация – это нарушение связей между слипшимися частицами. Поэтому нельзя пептизацию отнести к методам диспергирования, пептизируемый осадок – это уже диспергированный материал, доведенный до коллоидной степени измельчения. Чем слабее эти связи, тем легче происходит пептизация.

МЕТОДЫ ОЧИСТКИ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ

Коллоидные системы обычно очищают от низкомолекулярных примесей. Удаление этих примесей осуществляется методами диализа, электродиализа и ультрафильтрацией.

ДИАЛИЗ

Диализ был разработан Гремом (1861 г.). Коллоидная система наливается в сосуд, который отделен от другого сосуда полупроницаемой мембраной (пергамент, целлофан, керамические фильтры и другие тонкопористые материалы). В результате диффузии низкомолекулярные примеси переходят во внешний раствор.

Усилить диализ можно:

• Увеличением поверхности мембран;

• Уменьшением слоя очищающей жидкости;

• Частотой или непрерывной сменой внешней жидкости;

• Повышением температуры (ускорение диффузии).

Нередко диализ сочетают с ультрафильтрацией. Диализ ведут при повышенном давлении во внутренней камере.

Интересным примером сочетания диализа и ультрафильтрации является аппарат «искусственная почка», предназначенный для временной замены функции почек при острой почечной недостаточности. Аппарат оперативным путём подключают к системе кровообращения больного; кровь под давлением, создаваемым пульсирующим насосом («искусственное сердце»), протекает в узком зазоре между двумя мембранами, омываемыми снаружи физиологическим раствором. Благодаря большой рабочей площади мембран (≈15000 см²) из крови сравнительно быстро (3 – 4 часа) удаляются «шлаки» – продукты обмена и распада тканей (мочевина, ионы калия и т.п.).

В тех случаях, когда примесями являются электролиты, диализ может быть ускорен посредством наложения электрического поля. Этот процесс называется электродиализом. Наиболее просто диализатор состоит из трёх камер, разделённых полупроницаемыми перегородками. В боковых камерах установлены электроды, на которые от внешнего источника постоянного тока подаётся разность потенциалов. В боковых камерах находится дистиллированная вода, которая непрерывно сменяется. Очищаемый золь перемешивается мешалкой.