- •Часть 2. Основы коллоидной химии
- •1. Дисперсные системы. Смачивание. Капиллярные явления.
- •Степень раздробленности дисперсной фазы характеризуют дисперсностью где - поперечный размер частиц (диаметр при их сферической форме).
- •1.1. Типы дисперсных систем
- •1.2. Смачивание
- •1.3. Капиллярные явления. Фазовые равновесия при искривленной поверхности раздела фаз
- •1.3.1. Фазовые равновесия в двухфазных системах с искривленной поверхностью раздела фаз
- •1) Жидкость ↔ насыщенный пар
- •2) Твердый электролит ↔ ионы в насыщенном растворе.
- •1.3.2. Равновесия при контакте трех фаз с искривленными межфазными границами
- •А) Сферическая поверхность жидкость – газ в капилляре
- •Из хорошо смачиваемого материала
- •Б) Цилиндрическая поверхность жидкость – газ в капилляре
- •1.4. Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельной работы
- •2. Устойчивость, получение, свойства, стабилизация и коагуляция коллоидных систем
- •2.1. Термодинамика образования. Лиофильные и лиофобные коллоидные системы
- •2.2. Особые свойства коллоидных систем
- •Особые свойства коллоидных систем можно подразделить на две основные группы :
- •2.3. Методы получения лиофобных коллоидных систем
- •2.4. Стабилизация лиофобных коллоидных систем (золей, эмульсий)
- •2.4.1. Стабилизация электролитами
- •2.4.2. Стабилизация в присутствии пав и полимеров
- •2.5. Коагуляция коллоидных систем
- •2.6. Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельной работы
- •Лабораторная работа № 1. Получение, коагуляция и стабилизация лиофобных коллоидных систем
- •Опыт 3. Получение и коагуляция золя гидроксида трехвалентного железа
- •Опыт 4. Определение порога коагуляции
- •Литература по курсу коллоидной химии*
2.2. Особые свойства коллоидных систем
При небольшой концентрации частиц дисперсной фазы коллоидные системы с жидкой дисперсионной средой могут быть прозрачными и по внешнему виду ничем не отличаться от истинных растворов. Однако неспособность коллоидных частиц к прохождению через полупроницаемую мембрану (т.е. мембрану с диаметром пор, меньшим, чем коллоидные частицы) отличает коллоидные системы от истинных растворов (исключением могут быть растворы очень высокомолекулярных полимеров).
Системы с предельно высокой дисперсностью обладают рядом особых свойств, не присущих как истинным растворам (в том числе - растворам полимеров, размер молекул в которых соответствует коллоидной дисперсности [1]), так и грубодисперсным системам.
Особые свойства коллоидных систем можно подразделить на две основные группы :
1. Зависящие от предельно малого размера частиц.
2. Зависящие от поверхностных явлений в связи с очень
большой удельной поверхностью (м2 / г) дисперсной фазы.
К первой группе относятся особые оптические и молекулярно-кинетические свойства.
Оптические свойства
Частицы дисперсной фазы размером менее 100 нм способны рассеивать падающий свет с длиной волны λ (нм), соизмеримой с их размером. Интенсивность рассеяния зависит от длины волны и подчиняется закону Рэлея
Ip ~ λ –4,
где Iр - интенсивность рассеяния света с длиной волны λ.
Рассеяние света проявляется в том, что путь светового луча, проходящего даже через прозрачную коллоидную систему, становится видимым, если луч рассматривать под углом 90о к направлению луча (эффект Тиндаля). Это явление объясняется рассеянием световых волн на границе частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды и отсутствует в истинных растворах, т.е. при молекулярной дисперсности растворенного вещества и растворителя. Не наблюдается этого и в грубодисперсных системах, в которых работают законы геометрической оптики.
Кроме того, благодаря рассеянию неокрашенные (бесцветные, т.е. белые) коллоидные системы кажутся голубоватыми в отраженном (рассеянном) и желтоватыми в проходящем свете (явление опалесценции). Синие лучи спектра с меньшей длиной волны рассеиваются сильнее, чем красные (с большей длиной волны). Поэтому перпендикулярно ходу пучка света мы видим рассеянную часть спектра (голубая окраска), а в проходящем - ту часть спектра, которая уже не содержит коротких световых волн (желтовато-розовая окраска). Подумайте о цвете неба и солнца в ясную погоду! Явление светорассеяния широко используется в важнейших методах изучения коллоидных систем: ультрамикроскопии и нефелометрии.
Молекулярно-кинетические свойства
Высокая кинетическая устойчивость коллоидных систем, т.е. устойчивость к действию силы тяжести, позволяет исследовать кинетические свойства таких систем, поскольку частицы дисперсной фазы постоянно находятся в состоянии броуновского движения.
Ко второй группе относятся свойства, обусловленные поверхностными явлениями на границах раздела фаз – частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Адсорбционные свойства
Адсорбция - уже знакомое Вам явление, но в коллоидных системах характеризуется предельно большими значениями удельной адсорбции (в моль/м2 или г/м2) из-за очень большой площади поверхности раздела фаз в расчете на единицу массы вещества дисперсной фазы. Поэтому если вещество дисперсной фазы является катализатором гетерогенной реакции (например, металлы, оксиды металлов см – часть 1, раздел 1.4), то именно коллоидная дисперсность катализатора обеспечивает максимальную скорость реакции при прочих равных условиях.
Электрокинетические свойства
Частицы дисперсной фазы в коллоидных системах практически всегда обладают поверхностным зарядом того или иного знака в силу образования ионных, ионно-дипольных, диполь-дипольных двойных электрических слоев на поверхности раздела фаз (об их формировании в растворе электролитов – см ниже, раздел 2.4). Например, как в лиофобных, так и в лиофильных коллоидных системах образование такой границы снижает удельную свободную поверхностную энергию σ (раздел 2.1) и стабилизирует систему (препятствует агрегации).
Наличие заряда на поверхности частиц и кинетическая устойчивость системы позволяют изучать поведение таких систем в электрическом поле при постоянной его напряженности (электрофорез). Подробнее об этом поведении золей в водных растворах электролитов см. в разделе 2.4.