1.6. Дисперсные системы. Коллоидные растворы
Системы, в которых одно вещество распределено в мелкораздробленном состоянии в среде другого, называются дисперсными. Распределенное вещество называется дисперсной фазой, а среда, в которой распределена дисперсная фаза – дисперсионной средой. Обязательным условием существования дисперсных систем является взаимная неравстворимость веществ, при этом взаимодействие дисперсной фазы и дисперсионной среды происходит за счет межмолекулярных сил на поверхности раздела фаз.
Дисперсные системы с размером частиц дисперсной фазы от 1 до 100 нм называются коллоидными растворамиили золями. По типу взаимодействия дисперсионной среды и дисперсной фазы коллоидные растворы разделяют на лиофобные и лиофильные. Лиофобные коллоидные растворы характеризуются слабым взаимодействием веществ, при этом частицы дисперсной фазы имеют молекулярную или ионную кристаллическую решетку. Такие системы являются необратимыми, т.к. осадки, остающиеся после разрушения системы, не образуют коллоидного раствора вновь при контакте с дисперсионной средой. Лиофильные коллоидные растворы характеризуются сильным взаимодействием веществ, при этом частицами дисперсной фазы являются высокомолекулярные вещества, молекулы которых имеют размер коллоидных частиц. Такие системы являются обратимыми, т.к. осадки, остающиеся после разрушения системы, при контакте с дисперсионной средой вновь образуют коллоидный раствор.
Дисперсная фаза в коллоидном растворе представлена частицами, в состав которых входит ядро, состоящее из электронейтрального агрегата частиц, с адсорбированными на нем зарядообразующими ионами и противоионы.
В качестве примера рассмотрим строение коллоидной частицы золя хлорида серебра, полученного действием избытка раствора AgNO3 на раствор NaCl. Реакция протекает по уравнению:
AgNO3 + NaCl = AgCl + NaNO3
При образовании золя хлорида серебра молекулы AgCl соединяются вместе, образуя более крупные частицы: mAgCl → (mAgCl). Образующийся кристалл AgCl называется ядром. На его поверхности находятся ионы, адсорбированные агрегатом (потенциалопределяющие, зарядообразующие ионы). В качестве них выступают те ионы, которые находятся в растворе в избытке и принадлежат элементу, входящему в состав ядра. В нашем примере зарядообразующими являются ионы Ag+. Положительно заряженные ионы серебра притягивают к себе противоионы (NO3‾ ). Потенциалопределяющие ионы и противоионы составляют адсорбционный слой. Так образуется коллоидная частица золя AgCl, называемая гранулой. Потенциалопределяющие ионы притягивают несколько меньшее количество противоионов, поэтому коллоидные частицы имеют положительный либо отрицательный заряд. Примерный состав гранулы в данном случае можно выразить формулой:
{ m[AgCl] nAg+ (n-x)NO3‾ }x+
Вокруг гранулы находится диффузный слой противоионов, заряд которых равен заряду коллоидной частицы. Гранула и диффузный слой образуют электронейтральную мицеллу. Примерный состав мицеллы хлорида серебра выражается формулой:
{ m[AgCl] nAg+ (n-x)NO3‾ }x+ xNO3‾
Рис. 1.6.1 Строение мицеллы золя хлорида серебра
Для получения коллоидных растворов используют дисперсионный и конденсационный методы.
Дисперсионный метод заключается в раздроблении вещества, выступающего в роли дисперсной фазы, до размеров коллоидных частиц. В частности, для получения золей металлов широко используется электрическое распыление металлов: под действием электрической дуги металл испаряется, пары металла в дисперсионной среде конденсируются и образуют микрокристаллы, которые и образуют коллоидные частицы.
Конденсационный метод основан на том, что частицы дисперсной фазы образуются за счет объединения молекул вещества в ассоциаты. Важным условием для использования данного метода является пересыщенность системы по отношению к диспергируемому веществу и наличие условий для возникновения кристаллов. К этому методу относятся способ смены растворителя и использование химических реакций. Способ смены растворителя заключается в подборе растворителя, с которым диспергируемое вещество образует истинный раствор, при этом сам растворитель должен растворяться в дисперсионной среде. Если такой раствор добавить в дисперсионную среду, то в результате выпадения диспергируемого вещества в осадок и объединения его молекул получается коллоидный раствор. Химические реакции, в результате которых образуются труднорастворимые вещества, позволяют получить наиболее однородные коллоидные системы.
Устойчивость коллоидных систем определяется величиной коллоидных частиц и свойствами удельной поверхности. Количественной характеристикой устойчивости является степень дисперсности (D) – величина, обратная среднему диаметру частиц (d): D = 1/d. Коллоидная система будет тем устойчивее, чем больше степень дисперсности. Различают кинетическую (частицы не оседают) и агрегативную (частицы не слипаются друг с другом) устойчивость.
Устойчивость коллоидного раствора можно нарушить, нейтрализуя электрические заряды коллоидных частиц, что приводит к укрупнению частиц в более сложные агрегаты. Этот процесс называется коагуляцией. Вещества, вызывающие коагуляцию, называются коагулянтами; к ним относятся различные электролиты. При добавлении электролита коллоидная частица адсорбирует ионы противоположного знака, что и вызывает нейтрализацию зарядов. Чем меньше заряд коагулирующего иона, тем больше ионов требуется на коагуляцию коллоида.
Коллоидные растворы обладают оптическими и электрическими свойствами.
При пропускании через коллоидный раствор постоянного электрического тока все коллоидные частицы движутся к одному электроду, а противоионы к другому. Перемещение коллоидных частиц под действием электрического тока называется электрофорезом. Процесс электрофореза используется при осаждении коллоидных частиц на поверхности металлов для создания изолирующих или антикоррозионных покрытий.
Оптические свойства коллоидных систем заключаются в том, что растворы рассеивают свет. Это обусловлено тем, что мицеллы больше атомов, поэтому в отраженном свете раствор опалесцирует. Интенсивность светорассеяния возрастает с увеличением размера коллоидных частиц и их концентрации. Явление светорассеяния используется при изучении коллоидных растворов.