3. Дисперсні системи. Колоїди

Кристали будь-якої речовини, наприклад, цукру або натрій хлориду, можна дістати різного розміру – крупно- і дрібнокристалічні. Який би не був розмір кристалів, усі вони мають однакову для певної речовини внут-рішню структуру – молекулярну чи іонну кристалічну ґратку.

Якщо розчинити у воді кристали цукру і натрій хлориду, то утворю-ються, відповідно, молекулярні чи іонні розчини. Отже, та сама речовина може перебувати в різній мірі подрібненості: макроскопічно видимих частинок ( 0,2-0,1 мм, роздільна здатність ока), мікроскопічно видимих частинок (від 0,2-0,1 мм до 400-300 нм, роздільна здатність мікроскопа при освітленні білим світлом) і в молекулярному (або іонному) стані.

Поступово складалися уявлення про те, що між молекулами і мікро-скопічно видимими частинками знаходиться межа подрібненості речови-ни з комплексом нових якостей, властивих цій формі організації речови-ни.

Уявімо собі кубик будь-якої речовини, який розрізуватимемо пара-лельно одній з його площин, потім одержані пластинки почнемо нарізу-вати на палички, а останні – на кубики. В результаті такого диспергування (подрібнення) речовини одержують плівково-, волокнисто- і корпуску-лярно-дисперсні системи. Якщо товщина плівок, поперечних волокон або частинок (корпускул) менша за роздільну здатність оптичного мікроскопа, то їх не можна виявити за його допомогою. Такі невидимі в оптичний мік-роскоп частинки називають колоїдними, а подрібнену речовину з розміром часток від 400-300 нм до 1 нм – колоїдним станом речовини.

Дисперсні (подрібнені) системи є гетерогенними. Вони складаються з суцільної неперервної фази – дисперсійного середовища і подрібнених частинок того чи іншого розміру і форми, що містяться у цьому середо-вищі – дисперсної фази.

Оскільки дисперсна фаза перебуває у вигляді окремих невеликих час-тинок, то дисперсні системи, на відміну від гетерогенних з суцільними фа-зами, називають мікрогетерогенними, а колоїднодисперсні системи на-зиваються також ультрамікрогетерогенними, щоб підкреслити, що у цих системах межу поділу фаз не можна виявити в світловому мікроскопі. Ко-лоїдний стан є гранично високодисперсним станом речовини.

Характерною особливістю колоїдних частинок є наявність на їх по-верхні заряду, що обумовлений вибірковою адсорбцією іонів. Колоїдна частинка має складну будову. Вона складається із ядра і подвійного елек-тричного шару іонів. Найбільш правильне уявлення про будову подвій-ного електричного шару дав О.В. Думанський, щодо якого дисперсна частинка – це доволі складна система, що складається із:

–	ядра, що знаходиться в кристалічному та рідинному (емульсія) стані;
–	мономолекулярного адсорбційного шару потенціал-визначаючих іонів;
–	рідинної оболонки, більш ущільненої біля поверхні частинки, що поступово переходить у звичайне дисперсне середовище;
–	міцно пов’язаного шару протиіонів;
–	дифузійного шару протиіонів, які вільно зрушуються при електро-форезі або елекроосмосі.

Вся така система називається міцелою, а рідина, в якій знаходяться мі-цели, інтерміцелою. Вона містить у розчиненому стані різні речовини, в тому числі і стабілізатор.

Як приклад розглянемо будову колоїдних частинок колоїдного розчину або золю аргентум хлориду, утвореного реакцією обміну між аргентум ніт-ратом і калій хлоридом:

AgNO₃ + KCl AgCl + KNO₃.

Для утворення стійкого золю необхідно, щоб один з електролітів (AgNO₃ або KCl) був у надлишку, виконуючи роль стабілізатора. Згідно з експериментальними даними, разом із надлишком AgNO₃ утворюється позитивно заряджений золь AgCl, із KCl – негативно заряджений золь AgCl.

Схема будови міцели негативно зарядженого золю може бути показана у вигляді формули:

Ядро складається з великої кількості молекул AgCl, на поверхні ядра адсорбуються іони , які надають йому негативний заряд. До хлорид-іонів притягуються калій-іони К⁺, причому частина їх коливається на деякій відстані, утворюючи дифузійний шар. Внаслідок сольватації іонів між шаром потенціал-визначаючих іонів і протиіонами існує шар молекул дисперсійного середовища. Ядро з адсорбційним шаром іонів називається гранулою, яка в наведеному прикладі несе заряд негативний. Іони ста-білізатора, що безпосередньо адсорбовані ядром колоїдної частинки і нада-ють йому заряд, називаються потенціал-визначаючими. Вони утворюють внутрішню “оболонку” подвійного шару, в даному прикладі хлорид-іони . Іонами, що визначають потенціал, можуть бути такі, які здатні утво-рювати малоіонізовані сполуки (важкорозчинні, малодисоційовані або комплексні) з іонами, що входять до складу ядра. Іони стабілізатора, які нейтралізують заряд іонів, що визначають потенціал, і знаходяться част-ково в адсорбційному, частково – в дифузійному шарах, називаються про-тиіонами або компенсуючими. Вони складають зовнішню “оболонку” подвійного шару. В даному прикладі – калій-іони К⁺.

Якщо золь аргентум хлориду утворюється в присутності надлишку AgNO₃, який є стабілізатором, тоді утворюється позитивно заряджений золь. Схема будови позитивно зарядженого золю:

.

В обох прикладах число іонів, що визначають потенціал, дорівнює чис-лу протиіонів (n – х) + х = n, отже, міцела несе заряд, наявність якого обу-мовлює стійкість ліофобних колоїдів.

Ліофільні колоїди є розчинами високомолекулярних та високополімер-них сполук. Вони утворюються шляхом спонтанного розчинення речовини в розчиннику. Частинки ліофільних колоїдів дуже сольватовані, що є го-ловним фактором їх стійкості.

Ліофобні колоїди – це системи з досить розвинутою питомою по-верхнею дисперсної фази і мають великий надлишок поверхневої енергії, що обумовлює їх термодинамічну нестійкість. У таких системах із тією чи іншою швидкістю проходять спонтанні процеси, що ведуть до зменшення поверхні розділу між дисперсною фазою і дисперсним середовищем, тобто до збільшення частинок.

Головними причинами, що викликають стійкість ліофобних колоїдів, є їх електричний заряд і сольватація іонів стабілізатора. Тому основою їх коагуляції є різні прийоми втрати заряду і зменшення сольватації іонів. Звичайно, це досягається дією розчинів електролітів. При цьому відбува-ється стиснення дифузного шару і зменшення -потенціалу частинки.

Усі електроліти в достатній кількості здатні викликати коагуляцію ко-лоїдів. Коагулююча здатність електролітів характеризується порогом ко-агуляції. Порогом коагуляції називається мінімальна концентрація елек-троліту, що викликає коагуляцію. Він виражається в мілімолях на літр зо-лю. Чисельна величина порогів коагуляції дуже невелика – приблизно від декількох десятків мілімолей/л до сотих часток мілімолей/л.

Стійкість колоїдних систем є результатом дії між колоїдними частин-ками двох протилежно напрямлених сил. З одного боку, діють сили тяжін-ня, під впливом яких відбувається злипання частинок, що здійснюють бро-унівський рух; з іншого – виявляються сили відштовхування, які стають на перешкоді зближенню частинок та їх з’єднанню. Сили тяжіння носять характер молекулярної взаємодії (Ван-Дер-Ваальсових сил); сили від-штовхування визначаються електричною взаємодією між іонами подвій-них електричних шарів, що оточують кожну частинку.