12.7. Строение коллоидных частиц

Рассмотрим строение коллоидных частиц на примере золя (дисперсная система твердое вещество – жидкость).

Всякий золь состоит из мицелл, которые составляют дисперсную фазу золя и дисперсионной среды, в состав которой входят растворитель и растворенные в нем электролиты и неэлектролиты.

Мицелла имеет сложное строение. Она состоит из яда, окруженного двойным электрическим слоем. Ядро составляет основную массу мицеллы и представляет собой агрегат из атомов или нейтральных молекул (обычно их число огромно – несколько сотен или тысяч). Ядро имеет кристаллическое строение.

Ядро окружено двойным электрическим слоем, который в свою очередь состоит из адсорбционного и диффузного слоев.

На ядре адсорбируются те ионы, которые входят в состав кристаллической решетки ядра. Они называются потенциалопределяющими ионами.

Они сообщают ядру заряд, вследствие чего вокруг ядра начинают группироваться противоионы, часть из которых располагается близко к ядру и вместе с потенциалопределяющими ионами образует адсорбционный слой.

Ядро + адсорбционный слой образуют гранулу, заряженную вследствие неполной компенсации заряда потенциалопределяющих ионов.

Остальные противоионы распределяются в дисперсионной среде диффузно, т.е. их концентрация по мере удаления от поверхности частицы убывает.

Гранула + диффузный слой противоионов составляют мицеллу. Мицелла электронейтральна.

Электролит, один из ионов которого адсорбирован на ядре, называется стабилизатором (обычно это электролит, который взят в избытке), он сообщает устойчивость коллоидным частицам.

Рассмотрим строение мицелл золя AgI. Его можно получить по реакции: KI + AgNO₃ = AgI + KNO₃. В зависимости от того, какой реагент взят в избытке, заряд золя будет разный.

При избытке AgNO₃ формула мицеллы выглядит следующим образом:

{[ m(AgI)nAg⁺ (n-x)NO₃^]^x+ xNO₃^}

ядро адсорбционный диффузный

слой слой

________________________

гранула

_______________________________

мицелла

m – количество молекул AgI;

n – число потенциалопределяющих ионов, адсорбированных на поверхности

ядра;

(n-x) – число противоионов в адсорбционном слое;

x – число противоионов в диффузном слое.

При избытке KI формула мицеллы выглядит следующим образом:

{[ m(AgI)nI ^(n-x)K⁺]^x x K⁺}

ядро адсорбционный диффузный

слой слой

___________________

гранула

_________________________

мицелла

12.8. Электрокинетические свойства коллоидных растворов

Электрокинетическими называются процессы, возникающие в гетерогенной системе при относительном перемещении двух фаз с участием электрического тока. Открыты эти процессы русским ученым Ф.Ф. Рейссом в 1807 году.

Причина электрокинетических явлений – существование двойного электрического слоя и легкость смещения гранулы относительно диффузного слоя. При действии электрического поля мицеллы как бы разрываются на границе между адсорбционным и диффузным слоями (эта граница называется поверхностью скольжения): гранула движется к одному полюсу (электрофорез), а ионы диффузного слоя движутся к другому полюсу, увлекая за собой гидратные оболочки (электроосмос).

Электрофорез – перемещение заряженных частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля.

Электроосмос – движение дисперсионной среды относительно дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля.

Электрофорез используют для борьбы с топочными дымами, при изготовлении посуды, нанесении металлических покрытий на изделия сложных профилей.

Электроосмос применяют для интенсификации добычи нефти, для осушки и пропитки пористых материалов (например, осушка торфа, пропитка древесины), для понижения уровня грунтовых вод и т.д.

Белки, бактерии, вирусы несут заряд и потому, находясь в буферном растворе, способны двигаться под действием электрического поля, причем скорость движения зависит от размера и заряда частиц. Поэтому электрофорез чрезвычайно широко применяется в медицине и биологии.

С помощью электрофореза проводят разделение и анализ смесей макромолекул (например, белков сыворотки крови, мочи и др.). Этот метод применяется для контроля за ходом болезни, т.к. скорость электрофореза белков сыворотки крови специфична при различных патологических состояниях.

Электрофорез лекарственных веществ успешно используется при лечении многих заболеваний. Введение через неповрежденную кожу лекарственного вещества с созданием депо способствует более длительному действию его на организм больного.

Если проталкивать жидкость под давлением через капиллярную систему, на концах ее возникает разность потенциалов, получившая название потенциала протекания (или течения).

При оседании коллоидных частиц в жидкой среде также появляется разность потенциалов между нижним и верхним слоями жидкости, называемая потенциалом оседания (или седиментации).

Потенциалы протекания и оседания представляют собой один из механизмов возникновения биотоков при проталкивании крови по сосудам и могут быть зафиксированы на электрокардиограмме.

При транспортировке жидкого топлива возникают высокие потенциалы протекания и седиментации, которые могут быть причиной пожаров и взрывов.

Вся коллоидная частица обладает электродинамическим потенциалом Е, который составляет примерно 1 вольт.

Гранула имеет электрический потенциал того же знака, что и Е потенциал, но величина его меньше (50 – 100 мВ) и зависит от количества противоионов в адсорбционном слое. Потенциал гранулы называется дзета-потенциалом (-потенциалом). Его можно определить как разность потенциалов между подвижной (диффузной) и неподвижной (адсорбционной) частью двойного электрического слоя. Чем больше заряд гранулы, тем больше дзета-потенциал, тем толще диффузный слой, который предохраняет гранулы от слипания, т.е. коагуляции, и тем более устойчива коллоидная частица.

Величина дзета-потенциала является характерной для каждого вида организмов и варьируется в очень узких пределах. Так, например, дзета-потенциал эритроцитов человека составляет 0,0168 В, обезьяны 0,0170 В, кошки 0,0178 В, крысы 0,0186 В, собаки 0,0211 В, кролика 0,0070 В.

Кроме того, дзета-потенциал различен у здоровой и воспаленной клетки, зависит от возраста клетки и наличия посторонних белков и др. веществ.