Лабораторная работа №1

ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАКА ЗАРЯДА КОЛЛОИДНЫХ ЧАСТИЦ

Цель работы: получить лиофобные дисперсные системы различными методами: методом замены растворителя, химической конденсацией, пептизацией. Определить в полученных золях знак заряда коллоидных частиц и проверить наличие в них конуса Тиндаля. Написать формулы мицелл в полученных дисперсных системах.

Краткое теоретическое введение

Коллоидная химия – это наука о свойствах гетерогенных высокодисперсных систем и о процессах, протекающих в этих системах. Истинные системы, (растворы), являются гомогенными системами. Отличительными признаками коллоидных систем являются гетерогенность и дисперсность. Гетерогенность означает, что система состоит как минимум из двух фаз, а многофазность указывает на наличие межфазной поверхности. Коллоидная химия изучает процессы и явления, происходящие на межфазных границах, то есть в поверхностных пограничных слоях.

Дисперсность (раздробленность) – второй признак объектов коллоидной науки, когда отдельные частицы являются не молекулами, а агрегатами, состоящими из множества молекул. Мерой дисперсности или дисперсностью называют величину, обратную поперечному размеру частиц, D = , при этом Н.П. Песков считает гетерогенность более важной качественной характеристикой дисперсной системы, а дисперсность – чисто количественным параметром, указывающим на степень раздробленности и наличие межфазной поверхности.

Фазой – называют гомогенную часть системы, однородную по свойствам во всех точках в отсутствие полей. Ту фазу, которая раздроблена, называют дисперсной фазой; сплошную среду, в которой раздроблена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой

В коллоидных системах частички дисперсной фазы имеют размеры от 10^-3 до 10^-7 см.

В коллоидной химии принято все системы, отвечающие коллоидной степени дисперсности называть золями, если дисперсионная среда жидкость-лиозоли, если вода-гидрозоли, газ-аэрозоли.

Системы с жидкой дисперсионной средой делят на два основные группы или на два класса, отличающихся по природе устойчивости и интенсивности межмолекулярных взаимодействий на границе раздела фаз.

Для лиофильных систем характерна высокая степень родственности дисперсной фазы и дисперсионной среды и при определенных условиях фаза способна в ней растворяться, к ним относятся растворы коллоидных ПАВ и ВМС.

В лиофобных системах дисперсная фаза не способна взаимодействовать с дисперсионной средой, а, следовательно, и растворяться в ней. Такие системы неустойчивы, имеют большой избыток межфазной поверхностной энергии и требуют специальной стабилизации.

По предложению Сведберга методы получения коллоидных систем делят на две группы: диспергационные и конденсационные. Особое место занимает метод пептизации, заключающийся в переводе в коллоидный раствор осадков, первичные частицы которых имеют коллоидные размеры.

Диспергирование твердых и жидких веществ в лиофобных золях является несамопроизвольным процессом и происходит за счет совершения внешней работы механическим, ультразвуковым или электрическим методами.

Конденсационные методы – это способы получения коллоидных растворов путем конденсации молекул и ионов в агрегаты коллоидных размеров. При этом система из гомогенной превращается в гетерогенную, то есть возникает новая фаза.

Конденсационные методы по природе сил, их вызывающих, подразделяют на физические и химические.

Физическая конденсация может осуществляться из паров или путем замены растворителя.

При химической конденсации вещество, образующее дисперсную фазу, получается в результате химической реакции. Чтобы в ходе реакции образовался коллоидный, а не истинный раствор или осадок необходимо, как минимум, соблюдение трех условий:

1. Чтобы вещество дисперсной фазы было нерастворимо в дисперсионной среде;

2. Чтобы скорость образования зародышей кристаллов дисперсной фазы была гораздо больше, чем скорость роста кристаллов. Это условие выполняется обычно тогда, когда концентрированный раствор одного компонента вливается в сильно разбавленный раствор другого компонента при интенсивном перемешивании. То есть это возможно в условиях отсутствия стехиометрии;

3. Чтобы одно из веществ было электролитом или ПАВ, то есть являлось стабилизатором.

Коллоидная частица дисперсной фазы представляет собой целый комплекс, имеющий сложную структуру, который называют мицеллой.

Рассмотрим строение мицеллы иодида серебра. В результате реакции обмена

в присутствии избытка KI (то есть в отсутствии стехиометрии) образуется твердая дисперсная фаза AgI и остается избыток электролита – стабилизатора KI.

Мицелла

Коллоидная частица

Ядро

{[nAgI] mI^- (m-x)K⁺}^x- xK⁺

Агрегат

Потенциалопределяющие ионы

Противоионы плотного (адсорбционного) слоя

Противоионы диффузного слоя

В основе мицеллы лежит агрегат AgI, нерастворимый в данной дисперсионной среде и состоящий из множества молекул AgI, n-число молекул, входящих в агрегат.

Благодаря избирательной адсорбции ионов из дисперсионной среды поверхность агрегата может заряжаться. В соответствии с правилом Пескова-Фаянса-Панета адсорбируются преимущественно ионы, входящие в состав агрегата, либо специфически взаимодействующие с ним и находящиеся в избытке. Ионы, сообщающие агрегату поверхностный заряд, называют потенциалопределяющими. В данной реакции в избытке имеем KI, следовательно сорбироваться будут ионы (m – число адсорбированных ионов).

Заряд ядра мицеллы компенсируется эквивалентным зарядом противоположно заряженных ионов – противоионов, расположенных в объеме среды. Часть их них находится непосредственно у поверхности ядра, на расстояниях, близких к диаметрам ионов, так как они удерживаются и электростатическими и адсорбционными силами (по теории Штерна). Их называют противоионы адсорбционного слоя, их число (m-x). Остальные противоионы находятся в диффузионном слое, их число – (x).

Мицелла гидрофобного золя является электронейтральной, а коллоидная частица (в фигурных скобках) имеет заряд со знаком потенциалопределяющего иона. Толщина адсорбционного слоя нм, мала и постоянна, а диффузионного слоя может быть > 10 нм, она сильно зависит от концентрации электролитов в системе.