Заняття № 8

Тема: Колоїдні розчини. (2 год.)

План.

1. Колоїдні розчини. Дисперсні системи, їх види та характеристики.

2. Розпізнавання колоїдних розчинів

3. Добування колоїдних розчинів. Стійкість колоїдних розчинів. Коагуляція.

4. Колоїди у природі. Роль колоїдів в біологічних процесах.

1. В природі і техніці поширені дисперсні системи. Це такі системи, компоненти яких рівномірно розподілені один в одному.

В дисперсних системах розрізняють дисперсну фазу (мілкоподрібнена речовина) та дисперсне середовище (однорідна речовина), у якому розподілена дисперсна фаза. Наприклад, у мутній воді, яка містить глину, дисперсною фазою є тверді часточки глини, а дисперсним середовищем – вода; в тумані дисперсна фаза – часточки рідини, дисперсійне середовище – повітря; в димі дисперсна фаза – тверді часточки вугілля, дисперсійне середовище – повітря; в молоці дисперсна фаза – часточки жиру, дисперсійне середовище – рідина тощо.

До дисперсних систем належать звичайні (справжні) розчини, колоїдні розчини, а також суспензії і емульсії. Всі вони відрізняються між собою розміром часточок, тобто ступенем дисперсності.

Системи з розміром часток, меншим за 0,001 мкм, утворюють справжні розчини. Вони складаються з молекул або іонів розчиненої речовини. Їх можна вважати однофазними системами. Системи з розміром часток більшим за 0,1 мкм, утворюють грубодисперсні системи – суспензії та емульсії.

Суспензії – це дисперсні системи, в яких дисперсною фазою є тверда речовина, а дисперсним середовищем – рідина, при чому тверда речовина нерозчинна у воді. Щоб приготувати суспензію, треба речовину подрібнити до тонкого порошку, висипати у рідину, в якій речовина не розчиняється, і добре збовтати. Через деякий час часточки осядуть на дно посудини. Очевидно, чим дрібніші часточки, тим довше буде зберігатися суспензія.

Емульсії – це дисперсні системи, в яких і дисперсна фаза і дисперсне середовище – рідини, що не змішуються між собою. Емульсію можна приготувати з води та олії, довго збовтуючи суміш.

Суспензії і емульсії – двофазні системи.

Колоїдні розчини – це двофазні системи, які складаються з дисперсного середовища і дисперсної фази, при чому розміри часточок знаходяться в межах від 0,001 до 0,1 мкм. Колоїдні розчини за розмірами часточок є проміжними між справжніми розчинами і суспензіями та емульсіями. Ці часточки складаються з великої кількості молекул та іонів.

Одна й та сама речовина залежно від ступеня дисперсності може утворювати як грубодисперсну систему, так і колоїдний чи справжній розчин. Колоїдні розчини називаються золями.

Розрізняють ліофільні і ліофобні золі. Якщо дисперсійним середовищем є вода, їх називають відповідно гідрофільними та гідрофобними.

Ліофільними називаються золі, часточки яких слабко взаємодіють з дисперсійним середовищем, і сольватація часточок дуже незначна або зовсім відсутня. До них належать золі металів, сульфідів, різних солей. Поділ золів на ліофільні і ліофобні умовний.

Золі мають ряд специфічних властивостей, які докладно вивчає колоїдна хімія. Так, золі однієї і тієї ж речовини залежно від розмірів часточок можуть мати різне забарвлення. Наприклад, золі золота можуть бути синіми, фіолетовими, вишневими, рубіново-червоними.

2. На відміну від справжніх розчинів для золів золота характерне явище Тіндаля. Воно полягає в тому, що при пропусканні крізь золь пучка світла в результаті світлорозсіювання його колоїдними часточками в золі з'являється світлий конус, який видно у темряві.

Використовуючи різну величину часточок колоїдних і справжніх розчинів, легко розділити їх суміш. Для цього підбирають пористу мембрану (пергаментний папір, спеціальні плівки тощо) з такими маленькими порами, крізь які колоїдні часточки пройти не можуть і проходять тільки молекули та іони. Такий спосіб звільнення золю від часточок справжнього розчину називається діалізом, а прилад – діалізатором.

3. Однією з важливих властивостей золів є те, що часточки даного золю мають електричні заряди одного знаку. Завдяки цьому вони не об'єднуються у більші часточки та не осаджуються. При цьому часточки одних золів, таких, як золі металів, сульфідів, силікатної і станатної кислот, мають негативний заряд, часточки інших золів,таких, як золі гідроксидів, оксидів металів, мають позитивний заряд. Утворення заряду пояснюється адсорбцією колоїдними часточками іонів з розчинів.

Дослідження показали, що колоїдні часточки мають складну будову. Вони складаються з ядер, адсорбованих іонів і притягнутих іонів. Для прикладу розглянемо будову колоїдної часточки силікатної кислоти. Ядро часточки нейтральне, воно складається з m молекул кислоти. На поверхні ядра адсорбується n іонів SiO₃^2- (золь добуваємо, додаючи до розчину НСl розчин Na₂SiO₃). Як правило адсорбуються іони що за своєю природою близькі до складу ядра (в даному прикладі SiO₃^2-). Це потенціалвизначаючі іони, тому що вони обумовлюють заряд часточок золю.

Адсорбовані потенціалвизначаючі іони притягують з розчину іони протилежного знаку – протиіони (в прикладі іони Н⁺), причому їх на часточці адсорбується 2(n-x). Адсорбовані іони SiO₃^2- разом з адсорбованими протиіонами Н⁺ утворюють адсорбційний шар. Інша частина протиіонів 2xH⁺ знаходиться в рідкій фазі і утворює рухомий дифузійний шар.

Ядро разом з адсорбційним шаром називається гранулою або власне колоїдною часточкою. В наведеному прикладі гранула заряджена негативно, оскільки адсорбція іонів SiO₃^2- відбувається сильніше, ніж іонів Н⁺.

Гранула, або колоїдна часточка, разом з протиіонами дифузійного шару, називається міцелою. Це окрема часточка колоїдної системи.

Дифузійний шар і заряд колоїдних часточок обумовлюють стійкість ліофобних золів. У ліофільних золів цьому сприяє також сольватна оболонка.

Для осадження золю необхідно, щоб його часточки об'єднались у більші агрегати. Об'єднання часточок у більші агрегати називається коагуляцією, а осадження їх під впливом сили тяжіння – седиментацією.

Звичайно коагуляція відбувається внаслідок додавання до золю електроліту іншого золю, часточки якого мають протилежний заряд, і внаслідок нагрівання.

Найчастіше золі коагулюють за допомогою електроліту. В цьому випадку заряди колоїдних часточок нейтралізуються іонами електроліту. При чому золі, які містять позитивно заряджені часточки, коагулюють під впливом аніонів, а золі, які містять негативно заряджені часточки - під впливом катіонів. Так, наприклад, часточки золю As₂S₃ осаджуються при додаванні HСl. Це відбувається тому, що іони Н⁺ проникають у адсорбційний шар часточок і зменшують або повністю нейтралізують їх негативний заряд. Чим вищий заряд іона, тим більша його коагулююча здатність. Для коагуляції гідрофільних золів додають концентрований розчин електроліту (відбувається гідратація часточок і нейтралізація їх зарядів).

При змішуванні у певних співвідношеннях двох золів, часточки яких мають протилежні заряди, наприклад Fe(OH)₃ (часточки заряджені позитивно) і As₂S₃ (часточки заряджені негативно), заряди часточок нейтралізуються, відбувається взаємна коагуляція.

Нагрівання зменшує адсорбцію іонів колоїдними часточками (зменшує їх заряд), а також руйнує їх сольватні оболонки. А це сприяє коагуляції.

За певних умов коагуляція золів призводить до драглистої маси – гелю або драглів. Коагуляції перешкоджають так звані захисні колоїди (крохмаль, желатина та деякі інші високомолекулярні органічні сполуки).

Процес зворотній коагуляції, називається пептизацією. Він спостерігається під час промивання осаду водою. При цьому іони електроліту-коагулянту вимиваються, часточки осаду знов набувають заряду і переходять до стону золю. Пептизації легко піддаються осади сульфідів.

Під час виконання багатьох лабораторних робіт, наприклад при добуванні осадів, чи запобігання утворенню колоїдних розчинів (золів) до робочого розчину додають електроліт та нагрівають його. Щоб запобігти пептизації осаду під час його промивання, до промивної води додають електроліт – звичайно сіль амонію (якщо необхідно, її легко видалити). Іони цієї солі заміщують іони, які вимиваються, і пептизація осаду практично припиняється.

4. Значення колоїдних розчинів дуже велике, тому що вони поширені більше, ніж справжні розчини. Протоплазма живих клітин, кров, соки рослин, молоко – все це складні золі. Із золями пов'язано виробництво каучуку і штучних волокон. Багато золів у ґрунті, і вони мають першорядне значення для його родючості.