Общая характеристика дисперсных систем.
Дисперсные системы – многофазные гетерогенные системы, в которых одна фаза – непрерывная (дисперсная среда), другие – раздроблены и распределены в первой (эти фазы - дисперсные).
Величина, обратная диаметру (а) частицы дисперсной фазы, называется дисперсностью (или степенью дисперсности): D = 1/а. По степени дисперсности все дисперсные системы разделяются на две группы:
1. грубодисперсные системы, а> 1000 нм;
2. коллоидные системы (золи), а = 1÷1000 нм;
3. истинные растворы, а<1 нм.
Дисперсные системы классифицируются также по агрегатному состоянию дисперсной фазы эмульсии и дисперсионной среды. Так, к аэрозолям (когда дисперсионная среда газообразная) относятся туманы (жидкая дисперсная фаза), дымы и пыли (твёрдая фаза). К лиозолям (с жидкой дисперсионной средой) относятся пены (или газовые эмульсии), обычные эмульсии и суспензии. К твёрдым золям относятся твёрдые пены, твёрдые эмульсии и твёрдые суспензии.
Характерной особенностью дисперсных систем является большая удельная поверхность и, как следствие, - большая поверхностная энергия. Удельная поверхность – это отношение суммарной поверхности частиц к их массе (м 2/г).
Диспесные системы являются термодинамически неустойчивыми. Понижение поверхностной энергии может быть достигнуто за счёт поглощения (адсорбации) поверхность частиц, каких – либо ионов или молекул.
По степени взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой коллоидные системы делятся на лиофобные и лиофильные (от греческих слов “лиос” – жидкость, “фобо” - ненавижу, “фило” - люблю). Частицы лиофобных систем практически не взаимодействуют с молекулами дисперсионной среды. В лиофильных системах значительное количество дисперсионной среды связывается дисперсной фазой. Если дисперсионной средой является вода, коллоидные системы называются соответственно гидрофобными и гидрофильными. К гидрофобным золям относятся, например, золи золота, серебра, сернистого мышьяка, йодистого серебра и т. д. К лиофильным золям относятся золи кремниевой кислоты, гидроксида алюминия, а также растворы высокомолекулярных соединений – белков, агара, желатина, крахмала и др.
Методы получения дисперсных систем
Всякое вещество можно получить в дисперсной системе, если создать для этого Необходимые условия. Получить вещество в коллоидном состоянии можно двумя противоположными способами: диспергированием (раздроблением) макрочастиц или конденсацией атомов или молекул. Чтобы получившиеся коллоидные частицы не слипались, необходим стабилизатор в виде ионов, молекул неорганических веществ, поверхностно – активных органических соединений или высокомолекулярных соединений. Последние, адсорбируясь, на поверхности коллоидных частиц, снижают их свободную поверхностную энергию и делают частицу устойчивой.
Для диспергирования можно применять механическое дробление или ультразвуковые колебания. Так, твёрдые и жидкие тела измельчают на коллоидных мельницах, действующих по принципу удара, трения или вибрации.
Если распылять металлы в электрической дуге од водой или в органических жидкостях, то вначале металл испаряется до атомов, а затем происходит конденсация атомов до коллоидных частиц.
Такой метод их получения называется дисперсионно – конденсационным. При конденсационных методах создаются условия для соединения атомов, молекул или ионов в коллоидные частицы. Этого можно достичь охлаждением паров, пересыщением растворов или химическими реакциями получения нерастворимых веществ. Примерами конденсации могут служить образование водного тумана в воздухе или получение золя хлорида натрия при прибавлении спиртового раствора хлористого натрия к эфиру, в котором хлорид натрия не растворяется. К образованию золей приводят следующие реакции:
2H2 S + O 2 = 2S +2H2 O (золь серы)
t0
FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 + 3HCl (золь гидроксида железа)
Na2SiO3 +2H2O = H2SiO3 +2NaOH (золь кремниевой кислоты)
AgNO3 + KI = AgI + KNO3 ( золь йодида серебра)
Для получения высокодисперсных систем в жидких средах пользуются также методом пептизации. Это один из дисперсионных методов. При пептизации свежеобразованный осадок слипшихся коллоидных частиц под действием стабилизатора снова переходит в коллоидный раствор. Если взять, например, свежеосаждённый и быстро промытый осадок гидроксида железа, прибавить к нему раствор хлорного железа или соляной кислоты, то при перемещении осадок перейдет в раствор, т. е. образуется золь.
Методы очистки коллоидных растворов
Очистить коллоидный раствор от электролитов и органических веществ можно с помощью диализа, электродиализа и ультрафильтрации. При этом используются полупроницаемые мембраны из целлофана, коллодия, пергамента и других материалов. Через поры мембран проходят ионы электролитов и молекулы низкомолекулярных органических веществ, но не могут пройти коллоидные частицы. Низкомолекулярные частицы через мембрану диффундируют в воду. Электродиализ позволяет многократно ускорить очистку золя. При этом золь отделяется от воды мембранами так, чтобы можно было в воде разместить два электрода, к которым подключается постоянное напряжение из расчётов 20...50 В/см.
Ультрафильтрация – это фильтрование коллоидного раствора через полупроницаемую мембрану, укреплённую на твёрдой пористой подкладке в специальной воронке. Процесс ведётся при разряжении снизу или повышением давления сверху. Золь при этом периодически разбавляется водой.
Строение коллоидных частиц (мицелл)
Образование коллоидных частиц рассмотрим на примере реакции образования золя йодистого серебра: AgNO3 + KI = AgI + KNO3. AgI - нерастворимое вещество, поэтому может образовывать золь. Ядро коллоидной частицы образуют микрокристаллики, состоящие из m ионов Ag+ и m ионов I-, т.е. mAgI.
В случае избытка йодистого калия на поверхности ядра будут адсорбироваться ионы I-, которые могли бы увеличить размер ядра и которые имеются в избытке (ионов Ag+ в растворе не остаётся). На ядре адсорбируются n ионов I- и некоторое количество (n – x) катионов K+ из раствора, уменьшающих большой отрицательный заряд ионов йода. Этот слой ионов nI-(n-x)K+ называется адсорбционным. Недостающие для ионной электрической компенсации ионы калия (xK+) могут легко диффундировать от коллоидной частицы в раствор (это диффузный слой). Итак, формула мицеллы: {mAgI×nI-×(n-x)K+}-x×xK+. Устойчивая частица в фигурных скобках – гранула, имеющая в данном случае заряд “-x”. Ионы йода в данном случае обеспечивают отрицательный заряд гранулы и называются, поэтому потенциалопределяющими: ионы калия называются противоионами. Если взять избыток AgNO3, то формула мицеллы будет другой: {mAgI×nAg+×(n-x)NO3-}+x×XNO-3. Здесь гранула имеет положительный заряд. Эти заряды гранул препятствуют слипанию коллоидных частиц, что придаёт золям агрегативную устойчивость.
Процесс слипания дисперсных частиц называется коагуляцией. Золи могут быть скоагулированы добавлением электролитов. Коагулирующее действие оказывает ион противоположного знака по отношению к заряду гранулы. Это действие оказывается тем сильнее, чем выше заряд иона. Тут действует правило Шульце – Гарди: минимальная концентрация электролита, вызывающая коагуляцию золя (так называемый “порог коагуляции “), обратно пропорциональна шестой степени заряда иона, ответственного за коагуляцию, т.е. или катиона, или аниона. Коагулирующие ионы попадают в адсорбционный слой и уменьшают заряд гранулы. Силы отталкивания гранул уменьшаются, и коллоидные частицы начинают слипаться.