Классификация по фазовому взаимодействию

А более конкретно по термодинамической устойчивости к характеру образования дисперсных систем. В зависимости от взаимодействия между дисперсионной средой и дисперсной фазой различают два типа систем: лиофильные и лиофобные.

Лиофильные имеют сильные межмолекулярные взаимодействия вещества дисперсионной среды и дисперсной фазой. Это взаимодействие приводит к образованию сольватных (гидратных) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы, за счёт сольватации (гидратации). Эти системы термодинамически устойчивы, и характеризуются самопроизвольным диспергированием ∆ G ≤ 0. Например: мыло распускается в воде; или полимеры в органическом растворителе.

Лиофобные системы не образуются сомопроизвольно ∆ G≥ 0, для их получения требуется затрата работы, они термодинамически не устойчивы.

Лекция 2

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИОФОБНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Так как коллоидные системы по величине размера частиц дисперсной фазы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и молекулярными растворами, то их можно получить двумя основными методами, из которых один является противоположностью другого. Методы, основанные на дроблении крупных частиц в частицы коллоидных размеров, получил название дисперсионные (диспергационные). Другие методы, основанные на соединении мелких молекул или ионов в частицы коллоидных размеров, называются конденсационными (это химическая и физическая конденсация).

Получение коллоидных систем путём конденсации (теоретические сведения).

В природе довольно распространены дисперсные системы, образованные за счёт конденсации. Так, туман есть продукт конденсации водяных паров, а дым содержит твёрдые частицы, образованные в результате конденсации паров продуктов при горении.

Конденсация - процесс самопроизвольный, сопровождающийся вы- делением энергии. Конденсация обусловлена действием сил притяжения между частицами (молекулами, ионами или атомами). Конденсационный путь образования дисперсных систем связан с выделением повой фазы из гомогенной системы, находящейся в метастабильном состоянии (небольшая относительная устойчивость). Например, кристаллизация из пересыщенного раствора или конденсация из пересыщенных паров. Этот процесс протекает когда химический потенциал вещества в новой стабильной фазе меньше, чем в старой, метастабильной (µ₂< µ₁).Этот выгодный в конечном итоге процесс проходит через стадию, требующую затраты работы, - стадию образования зародышей новой фазы, отделённую от старой фазы поверхностью раздела. Условия для возникновения зародышей новой фазы возникают в метастабильной системе в местах, где образуются флуктуации плотности

(местные пересыщения - отклонение от средней плотности в фазе). Чем больше упругость пересыщенного пара по сравнению с насыщенным паром (р_пер/р_нас), тем меньше радиус равновесного зародыша, тем легче он образуется.

Это следует из формулы Томсона.

r =2 ∙σ ∙υ/ R∙T∙ln (р_пер/р_нас),

где σ, υ –поверхностное натяжение и молярный объём жидкой капли, [Дж/м²] и [м³ /кмоль] соответственно; р_пер -пересыщенное равновесное давление над каплей,[Па]; р_нас -насыщенное давление над жидкой фазой (над макроколичеством с плоской поверхностью), [Па].

Таким образом: р_пер / р_нас >1, чтобы частица должна иметь маленький размер.

Размеры частиц зависят от условий проведения процесса конденсации, т.е. от соотношения между скоростями двух одновременно идущих процессов: образования зародышей и их роста (скорость первого должна быть больше скорости второго).

ПОЛУЧЕНИЕ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ ПУТЁМ КОНДЕНСАЦИИ

I. Химическая конденсация.

1. Основной постулат: если при химической реакции образуется труднорастворимое соединение, то оно при определённых условиях может быть переведено в коллоидный раствор. Основные условия образования коллоидных растворов:

2.Вести реакцию в разбавленном растворе (скорость роста частиц должна быть невелика, чтобы получить мелкие частицы с размером от 1 до 100нм).

3. Другое вещество должно быть в избытке, чтобы на поверхности кристалла частицы образовывался двойной электрический слой (ДЭС) – фактор агрегативной устойчивости.

ПРИМЕРЫ Х ИМИЧЕСКОЙ КОНДЕНСАЦИИ

1. Реакции восстановления. Для получения золей золота, серебра, идр. Инертных металлов. К разбавленному раствору соли металла (AuCl₃ или AgNO₃) добавляют избыток восстановителя. Образовавшиеся, в результате восстановления атомы металла соединяются в коллоидные частацы.

4Au³⁺+ изб. 3Sn = Au↓ + Sn⁴⁺ или 4Au³⁺ + Fe⁺² = 4Au↓ + 3Fe⁺³.

Методом Зигмоди восстанавливают золотохлористоводородную кислоту: изб. 2HAuCl₄ + 3Н₂О₂ → Au↓ + 8HСl + O₂.

2.Реакции окисления. Сероводород окисляют кислородом воздуха или сернистым ангидридом. Атомы серы соединяются в коллоидные частицы:

изб. 2HS₂ + O₂ = Н₂О + 2S↓,

изб. 2HS₂ + SO₂ = Н₂О + 3S↓.

3.Реакция гидролиза. Для получения гидрозолей кислот, оснований и металлов.

изб. FeCl₃ + 3Н₂О = Fe (ОН)₃ ↓ + 3НСl.

Fe(ОН)₃ + НСl = FeOCl+ 2Н₂ О,

FeOCl↔ FeO ⁺ + Cl^-,

где FeO⁺ - потенциалобразующий ион, Cl^- - противоионы (адсорбционного и диффузного слоя).

Образуется кол.частица: { m [ Fe(ОН)₃ ] n FeO⁺ (n-x) Cl }^x+ x Cl.

Или образование аэрозолей (образование дыма) при соприкосновении паров. Так, при пропускании паров четырёххлористого кремния в водяной пар образуется золь оксида кремния.

изб. SiCl ₄ + 2Н₂О = SiO ₄ ↓+ 4НСl.

4. Реакции двойного обмена получают гидрозоли сульфидов, галогенидов, нерастворимых в воде.

При получении гидрозоля иодита серебра берут избыток иодита калия.

AgNO3 + изб. KI = AgI ↓+ KNO3

{m[AgI] n I^- (n-x) K⁺}^x- xK⁺.