4.4. Еріген зат бөлшектерін ірілендіріп коллоидты

ерітінді алуда конденсация әдісі (метод конденсации)

Коллоидты ерітінділерді алудың екінші бір жолы кәдімгі ерітінді бойында жүрген бөлшектерді өзара біріктіріп, ірілендіру. Бұл әдіс те физикалық және химиялық болып екі түрге бөлінеді.

Физикалық жолмен коллоидты ерітінді алу барысында-ерітіндідегі еріткішті шамалап алмастыру және бу күйіндегі заттарды өзара араластыру тәсілдері кең таралған. Бұл жердегі басты мәселе - ерітінді бойындағы бөлшектерге сыртқы күш әсерлерін өзгерте отырып, олардың өзара белгілі бір дәрежеге дейін ғана бірігіп іріленуіне қолайлы жағдай туындату. Сыртқы күш әсерлеріне қысым, температура, еріткіш түрі және т.б. жатады.

Нақты мысалдар қарастыралық:

1. Бу күйіндегі заттардың коллоидты жүйе құрауына кәдімгі тұманның түзілуін жатқызуға болады. Ауа бойында таралған ылғалдылықты беретін су молекулалары, температураның күрт төмендеуімен өзара бірігіп іріленеді, демек тұманға айналады. Жылу орталықтарындағы пеш мұржаларынан шығып жатқан түтін де, аспандағы бұлтта да бу күйіндегі заттардың коллоидты жүйе түзуіне мысал бола алады.

2. Ерітіндіде жүрген затты осы зат үшін нашар еріткіш болып табылатын өзге еріткіш бойына көшіру.

Мысалы, спиртте еріген күкірт немесе канифольдің ерітіндісіне тамшылатып су қосып, шайқап араластырсақ, күкірттің немесе канифольдің коллоидты ерітіндісі түзіледі. Канифоль дегеніміз үгітілген шыны тәрізді мөлдір шайыр.

Енді бензол және суды алып араластырсақ, түзілген лайға жүйе сәл уақыт өтісімен өзара бөлініп, екі қабат түзіп шыға келеді.

Осы шектеулі араласатын жүйеге шамалы сабын ерітіндісін қосалық.

Сабын дегеніміз жоғарымолекулалы карбон қышқылының натрий, калий тұздары екенін білеміз. Біз оны R – СОONa деп белгілелік. Сабын молекулалары көмірсутекті құрамымен бензолға, ал карбоксил топшасымен суға қарай бағытталады. Осының нәтижесінде сабын құрамындағы натрий ионы су бойына көшеді де, ерітінді бойында қос иондық қабат түзіледі, яғни:

n(R-СОONа) ↔nRСОО^- +nNа⁺

Коллоидты ерітінді бензолдың судағы эмульсиясы. (сұйықтың – сұйықта еріп дисперсті жүйе түзуі эмульсия деп аталады. Мысалы, май түйіршіктерінің сүт бойында жүруі). Эмульсия мицелларын мына түрде жазамыз:

{[C₆H₆]_m·nRCOO^- · (n – х) Na⁺}xNa⁺

4.4.1. Коллоидты ерітінділерді химнялык конденсация жолымен алу.

Коллоидты ерітінділерді конденсация әдісімен алудың кең таралған түрі - химиялық реакцияны пайдалану. Химиялық реакция нәтижесінде еріткіште нашар еритін зат молекулалары түзілуі тиіс. Орын алатын өзгеріс түрлеріне қарай химиялық конденсация әдісінде алмасу, тотығу – тотықсыздану, ыдырау, гидролиз сияқты реакциялар жүзеге асырылады.

Химиялық конденсация әдісінде әрекеттесуші заттардың бірі міндетті түрде артық мөлшерде алынуы тиіс.

Мысалы, күміс нитратымен ас тұзының алмасу реакциясы нәтижесінде түзілетін хлорлы күміс золін қарастыралық.

AgNO₃ + NaCl = AgCl↓ + NaNO₃

Әрекеттесуші заттар ерітіндісі бір-біріне стехиометриялық мөлшерде алынса, реакция нәтижесінде ақ тұнба күміс хлориді және түссіз натрий селитрасының ерітіндісі түзіледі. Ешқандай коллоидты ерітінді түзілуі байқалмайды. Енді күміс нитраты ерітіндісі артық мөлшерде алынсын. Жоғарыдағыдай, химиялық реакция орын алады. Ерітіндінің өн бойында нашар еритін қосылыс AgCl-дың қиыршықтары түзіле бастайды. Осы арада, артық алынған күміс нитратындағы күміс иондары, хлорлы күміс қиыршықтарына адсорбцияланып, қиыршық бетін зарядтайды.

Хлорлы күміс тұнбасына не күміс, не хлор ионы тартылуы тиіс. Өйткені, нашар еритін заттың құрылымы хлор және күміс иондарынан тұрады. Қарастырып отырған жағдайда нитрат иондары да артық мөлшерде алынғанмен хлорлы күміс бетіне адсорбцияланбайды, өйткені ол күміс ионымен нашар еритін қосылыс түзбейді. Ал, хлор иондары болса, олар толығымен әрекеттесіп кетті, яғни ерітіндіде бос хлорид иондары жоқ. Шарт бойынша артық мөлшерде алынғаны тек күміс нитраты. Егер күміс нитратының орнына, артық мөлшерде ас тұзын алатын болсақ, онда хлорлы күміс бетіне хлор иондары адсорбцияланар еді. Натрий иондарының адсорбцияланбайтыны – ол хлормен немесе күміспен нашар еритін қосылыс түзбейтіндігінде. Демек, химиялық конденсация әдісі бойынша коллоидты ерітінділер алу үшін төменде аталған шарттар орындалуы тиіс:

1. Реакция нәтижесінде нашар еритін зат молекуласы түзілуі керек.

AgNO₃ + NaCl = AgCl↓ + NaNO₃

Нашар еритін AgCl түзілді. Сондықтан осындай заттардың ерітінділерін «лиофобты» коллоидты ерітінділер деп те атайды.

2. Әрекеттесуші заттардың бірі стехиометриялық мөлшерден артық алынуы шарт, оны стабилизатор деп атайды.

xAgNO₃ + yNaCl = yAgCl↓ + yNaNO₃ + (x-y) + AgNO₃

Артық алынған күміс нитратының мөлшері (х-у) моль.

3. Нашар еритін зат молекулалары бірігіп майда қиыршықтар коллоидты ерітінді бөлшектерінің түйіршіктерін агрегатты түзуі тиіс.

АgС1 + АgС1 → m[АgС1] немесе [АgС1]_m

4. Артық мөлшерде әрекеттеспей қалған күміс нитратының күміс иондары агрегатқа адсорбцияланып, оған электрлік заряд береді және бұл бөлік ядро деп аталынады.

AgNO₃ ↔ nАg⁺ + NO₃^-

[АgС1]_m + nАg⁺ → [АgС1]_m · nАg⁺

агрегат ядро

Кейбір оқулықтарда агрегатты - ядро, ал ядроны агрегат деп атайды (Песков терминологиясына назар аударыңыз!). Дәл осы арада қатып қалған ешнәрсе жоқ, тек дұрыс түсінік қалыптасса болғаны!

Агрегатқа сол агрегат құрылымында бар ион ғана түрі тартылады және бұл Фаянс-Панет ережесі деп аталады.

5. Ядро түйіршіктерінің аттас зарядтары электростатикалық тебіліс күшінің әсерінен бір-біріне жақындамай ерітінді бойына ұмтылады. Ерітіндінің электрлік бейтарап заңдылығы бойынша, ерітінді бойындағы қарама-қарсы таңбадағы иондар ядро зарядын бейтараптандыруға тартылады

[АgС1]_m · nАg⁺+ (x-y)NO₃^- → [АgС1]_m · nАg⁺· (x-y)NO₃^-

Сонымен ядро бетіне тартылған қарама-қарсы таңбадағы иондар - қарсы таңбадағы иондар (противоионы) деп аталады.

Ал, агрегат бетіне тартылған иондар – потенциал анықтауыш иондар - (потенциал определяющие ионы ) - делінеді. Осы құрылым гранула немесе коллоидты бөлшек деп аталады.

Қарап отырсаңыз, nАg⁺ ионына (n-х)NО₃^- ионы тартылды, яғни ядроны бейтараптандыру үшін NO₃^- заряды жетпей тұр. Осы жетіспеген NО₃^- иондары ерітінді бойында емін-еркін қозғалып, диффузиялық қабат құрайды. Коллоидты бөлшек және диффузиялық қабаттағы иондар коллоидты ерітіндінің мицелласын түзеді.

Гранула бойында түзілген қос иондық қабат өзіміз алдыңғы қос электрлік қабатын талдап өткендей қүрылымда болады.

Гранула (коллоидты бөлшек) заряды – потенциал анықтауыш иондар зарядымен анықталады.

Гранула және диффузиялық қабат арасында ион айырмашылығынан туындаған потенциал – электрокинетикалық потенциал немесе дзета потенциал деп аталады да коллоидты ерітінділер қасиетінде маңызды көрсеткіш болып табылады. Дзета потенциал £- таңбасымен белгіленеді.

Айтқандарымыз түсінікті болу үшін мысал қарастыралық.

1 -мысал. Күміс нитратына артық мөлшерде иодты калий ерітіндісі қосылды. Алынған коллоидты жүйенің мицелласын жазып, зарядын анықта.

Шешімі: Бірінші кезекте химиялық реакция теңдеуін жазып аламыз:

АgNОз + KI = АgІ↓ + KNO₃

Нашар еритін зат күміс иодиді агрегат болып табылады. Артық мөлшерде алынған зат – иодты калий. Тұнбада АgI. Ерітіндіде КNОз және KI. Демек, бұл электролитер диссоциацияланады:

Агрегатқа осы иондардан тек иодид иондар ғана тартылады.

4.4.2. Коллоидты ерітінділерді алуда тотығу -тотықсыздану, гидролиз реакцияларын пайдалану. Алмасу реакциясы нәтижесінде коллоидты ерітінділер түзілу байыбын талқыладық. Енді өзге реакция түрлеріне тоқталалық.

Тотығу құбылысы бар жерде тотықсыздану да міндетті түрде орын алады. Коллоидты химияда бұл реакцияларды тотығу және тотықсыздану деп бөліп қарайды. Өйткені золь ядросын құрайтын агрегаттың өзінің тотығып немесе тотықсызданып коллоидты жүйе түзуі негізге алынады.

Мысалы, күмістің коллоидты ерітіндісін алу реакциясын қарастыралық. Күміс нитратының ерітіндісін аламыз да, танин ерітіндісін калий карбонаты қатысында қосамыз. Сілтілік ортада тотықсыздану реакциясының тендеуі төмендегіше жазылады:

6AgNO₃+ C₇₆H₅₂O₄₆+3K₂CO₃= 6Ag+ C₇₆H₅₂O₄₉+6KNO₃ +3CO₂

Реакция нәтижесінде күміс ионы тотықсызданады. Коллоидты ерітіндінің потенциал анықтауыш ионы сілтілік ортада ОН^- иондары болады. Өйткені ол күміс ионымен нашар еритін қосылыс түзуге бейім. Коллоидты ерітінді мицелласы төмендегіше жазылады:

{[Аg]m·nОН^-(n-х)К⁺}хК⁺

Ал, көпшілікке танымал алтынның алқызыл коллоидты ерітіндісін оның тұзынан формальдегид арқылы тотықсыздандырып алуға болады.

NaAuO₂+HCOH+Na₂CO₃ = 2Au+HCOONa + NaHCO₃ + H₂O

Мицелла құрылымы былайша жазылады.

{[Au]_m·nAuO₂^-·(n – x) Na⁺}·xNa⁺

Егер, тотықсыздандырғыш ретінде танинді пайдалансақ реакция теңдеуі төмендегідей түрде орын алады:

NаАuО₂ + С₇₆Н₅₂О₄₆ + Н₂О = 2Аu + С₇₆Н₅₂О₄₉ + 2NаОН

танин флобафен

Кейбір коллоидты ерітінділерді алуда тотығу - тотықсыздану реакциясы пайдаланылады.

Мысалы, күкірттің коллоидты ерітіндісі күкіртті сутекпен күкірт (IV) оксидінің әрекеттесуінен де түзіледі.

H₂S + SO₂ = 3S + 2H₂O

Артық мөлшерде Н₂S алынса, онда күкірттің зольінің мицелласы төмендегіше жазылады:

{[S₂]_m·nНS^-(n-х)Н⁺}хН⁺.

Сонымен қатар, көп оқулықтарда күкірттің коллоидты ерітіндісін тұрақтандыру барысында пентатион қышқылы көп қолданылады.

Жалпы күкіртті сутегін, күкірт (IV) оксидінің өте сұйытылған судағы ерітіндісінен өткізгенде Вакенродер атты сұйық түзілетіні есте болуы қажет. Бұл сұйықты күкірттің коллоидты ерітіндісі мен жалпы формуласы Н₂S_xO₆ болып келген политион қышқылдары құрайды. Демек, күкірт зольінің мицелласын темендегідей етіп жазсақ та қателеспейміз:

{[S]m·nSxO₆^2-·2(n-х)Н⁺}·2хН⁺

Политион қышқылының өкілі - пентатион қышқылы көп түзілген жағдайда күкірт зольінің мицелласы былай жазылады:

{[S]_m • nS₅О₆^2- • 2(n-х)H⁺}·2хН⁺

Гидролиз реакциясы нәтижесінде де, көптеген жақсы еритін заттардың нашар еритін өнімдер түзілуіне сәйкес коллоидты ерітінділер түзіледі.

Мысалы, темір (III) хлоридінің ерітіндісіне ыстық қайнаған сумен әсер етсек, ол гидролизге ұшырайды да, төмендегідей өзгерістер орын алады:

ҒеСІ₃ + ЗН₂О = Ғе(ОН)₃ + ЗНСІ

Ғе(ОН)₃ + НСІ = ҒеОСІ + 2Н₂О

Мұнан әрі, мицелла түзілуі жоғарыда қарастырылған жағдайлардағыдай болып жүреді.

Нашар еритін тұнба Ғе(ОН)₃-агрегат-түзіледі:

Fe(OH)₃ + Fe(OH)₃ = m Fe(OH)₃

Ерітінді бойында артық мөлшерде алынған электролит иондары адсорбцияланып, агрегат бетін зарядтап, ядро түзілуі тиіс. Бұл жерде агрегатқа Ғе³⁺ немесе ҒеО⁺ тартылады:

mҒе(ОН)₃ +nҒеО⁺= mҒе(ОН)₃ ·nҒеО⁺

Қос иондық қабатпен коллоидты бөлшек грануласының түзілуі төмендегіше орын алады:

mҒе(ОН)₃ • nҒеО⁺+(n-х)С1^- = mҒе(ОН)₃ ·nҒеО⁺(п-х)С1^-

Ерітінді бойындағы электрлік бейтарап заңдылығы бойынша, мицелла формуласының түрі былайша жазылады.

{mҒе(ОН)з • nҒеО⁺· (n-х)СI^-} хСI^-

Енді осы айгқандарымызды жүйелеп берелік.