Классификация коллоидных систем.

Коллоидные системы

Системы, в которых одно вещество распределено в среде другого в виде мелких частиц, называются дисперсными.

Коллоидные системы – представляют собой частный вид дисперсных систем (размер частиц 10^-5 – 10^-7 см) от 10 до 1000 занимают промежуточное положение истинными растворами и грубодисперсными.

Основная особенность коллоидных систем – гетерогенность, состоящая из двух фаз. Дисперсионная среда – растворимость, дисперсная фаза – совокупность мелких частиц, равномерно распределенных в дисперсной среде.

Степень раздробленности или дисперсность определяет свойства коллоидных систем, чем меньше размеры частиц тем больше дисперсность.

Изучением коллоидных систем занимался Грэм и заметил, что коллоидные растворы во многом отличны от обычных растворов, не проходят через целлофан, не способны кристаллизоваться. Грэм назвал их коллоидными. Позднее было показано, что одно и тоже вещество может существовать в виде кристаллоида или коллоида в зависимости от условий его выделения и получения. NaCl – желтый кристаллоид в обычных условиях, но в бензоле коллоидный раствор, мыло – коллоидный раствор в среде, а в спирте обнаруживаются свойства кристаллоида. Поэтому – коллоиды не особый класс, а особое состояние вещества.

Именно сильное развитие поверхности приводит к появлению у системы новых свойств – свойства присущим коллоидным растворам и которые заставляют рассматривать коллоидные системы как особое состояние вещества.

Коллоидные системы чрезвычайно разнообразны, они широко распространены в природе и используются в ряде производств. Производство многих промышленных и продовольственных товаров (масло, майонезы, молоко), производство искусственного шелка, коллоидно-химические процессы – набухания, растворение, агрегация, коагуляция. Основа крашения растительных, животных и синтетических волокон, большинство красителей – коллоидные растворы. В строительном производстве цемент и некоторые другие вяжущие вещества проходят при твердение через коллоидное состояние.

Классификация коллоидных систем.

По агрегатному состоянию дисперсные системы могут быть жидкими (молоко), твердыми (минералы) или газообразными (атмосферный туман).

Коллоидные системы различаются по агрегатному состоянию дисперсной системы и дисперсной фазы. Каждая из них может находиться в жидком, твердом и газообразном состояниях.

Дисперсионная среда – газ – аэрозоли:

т/г – твердое в газообразном

ж/г – облако, туман

г₁/г₂ – газ в газе – гомогенные системы.

Жидкая дисперсионная среда –

т/ж – коллоидные растворы золота, серебра

ж/ж – молоко, кремы

г/ж – эмульсии газов в жидкостях

Твердая дисперсионная среда –

т₁/т₂ – твердое в твердом сталь, чугун

ж₁/т₁ – вода в парафине

г/т₂ – пемза, туфы

По степени дисперсности:

1) растворы высокомолекулярных соединений типа гемоглобина, молекулы которого 10^-7 см. Такие растворы находятся на границе между истинными растворами и коллоидными растворами.

2) Коллоидные растворы с частицами, состоящими из агрегатов молекул 10^-7 – 10^-5 см.

3) Микрогетерогенные системы – 10^-5 см.

По интенсивности взаимодействия дисперсной фазы с жидкой дисперсионной средой:

1) Миофильные такие коллоиды, частицы в которых в большом количестве связываются молекулы дисперсионной среды.

2) Миофобные - необратимые коллоидные растворы, в которых дисперсная фаза неспособна взаимодействовать с дисперсионной средой. (гидролизы металлов, сульфиды).

Золи – все системы, отвечающие коллоидной степени дисперсности. Гель образованный из золя.

Строение коллоидной системы

Отдельные нейтральные частицы коллоидных систем называются мицеллами. Мицеллу можно охарактеризовать размерами, строением и свойствами, которые зависят от природы вещества, от метода получения коллоидного состава, от условий окружающей среды.

Рассмотрим, на примере йодистого серебра коллоидное состояние, которого получено реакцией обмена

AgNO₃ + KJ = AgJ + KNO₃

Заряженная коллоидная частичка называется гранулой, центральная часть её, состоящая из нейтральных кристалликов, называется ядром. Ядро будет адсорбировать на своей поверхности ионы согласно правилу Пескова-Фаянса:

1) на всякой твердой поверхности преимущественно будут адсорбироваться ионы, имеющие общую с данной поверхностью атомную группировку. Поэтому, например, на осадке AgJ будут адсорбироваться либо ионы Ag⁺ или ионы J^- , но нужно учитывать и те которые в избытке.

{ m [AgJ] ^. nJ^- (n-x)K⁺}^x- xK⁺

гранула

мицелла

Мицелла йодного серебра состоит из гранулы, заряженной отрицательно и диффузной зоны (xK⁺)

Отрицательный знак заряда гранулы определяется избыточным количеством адсорбированных йодид – ионов на поверхности ядра коллоидной частицы. Эти ионы получали название потенциал определяющих

{m[AgJ] nAg⁺(n-x)NO₃ } xNO^-₃ – если в избытке AgNO₃ то мицелла положительная.

Коагуляция

Коагуляция – это процесс слипания частиц в коллоидных системах с образованием более крупных агрегатов. Внешне коагуляция проявляется в получении золя, в изменении окраски золя, в выпадении твердой фазы в осадок. Причина коагуляции – прежде всего добавка электрона.

Минимальное количество любого электролита выражается в миллимолях (1ммоль = 10^-3 моль) которое вызывает коагуляцию 1 л определенного золя, называется порогом коагуляции.

Величина порога коагуляции зависит от природы и концентрации золя и от природы электролита.

Правила коагуляции можно сформулировать след. образом:

1) Коагуляцию вызывает ион, зараженный противоположно грануле золя.

2) Чем больше валентность коагулирующего иона, тем сильнее его коагулирующие действия (меньше порог коагуляции).

Явление коагуляции сложно и многообразно. На величину коагуляции влияет природа иона. Порог коагуляции зависит от скорости прибавления электролита, от интенсивности перемешивания.

При смешивании двух коллоидных растворов с противоположно заряженными гранулами наблюдается взаимная мицеллярная коагуляция. При коагуляции миофильных золей необходимо разрушить сольватную оболочку введением большого количества электролита или дегидратирующего вещества (спирт).

Пептизация – это процесс образования золей из гелей или рыхлых осадков при действии на них небольшого количества электролитов, в результате вещество из осадков переходит в коллоидный раствор. Электролиты и другие вещества, выполняющие эту функцию, называются пептизаторами.

Свежеосажденный и быстро промытый осадок гидроокиси железа переходит в коллоидный раствор красно – бурого цвета от добавления небольшого количества раствора FeCl₃ или HCl.

Грубо – дисперсные системы.

Эмульсия – дисперсная система, состоящая из двух взаимно нерастворимых жидких фаз, одна из которых распределена в другой в виде мельчайших капель.

Эмульсии получают диспергированием одной жидкости в другой. Образование устойчивых эмульсий возможно только в присутствии веществ, которые, адсорбируясь на поверхности капелек, придают им агрегативную устойчивость. Стабилизатор – вещество, которое обуславливает устойчивость эмульсии, называется эмульгатором (поверхностно – активное вещество).

Наряду с понижением поверхностного натяжения и с приданием частицам эмульсий электрических зарядов, одинаковых по знаку, эмульгаторы могут стабилизировать также и тем, что на поверхности раздела образуется компактная пленка из эмульгатора, обладая извест. механической прочностью. Для стабилизации применяют мыла, образующие прочную пленку.

Эмульсии не устойчивы и разрушаются при хранении. Чтобы ускорить разрушение эмульсий, применяют разнообразные приемы: центрифугирования, действия электрического поля, электролиты.

Суспензии – дисперсные системы (взвеси твердых частиц в жидкостях). Частицы суспензий – мелкие кристаллики. Дисперсную фазу суспензий отделяют фильтрованием или отстаиванием. Суспензии играют большую роль в образовании почв и осадочных минералов.

Неустойчивость суспензий выражается в осаждении твердой фазы – седиментацией, скорость, которой зависит от размеров частиц, плотности и вязкости среды. Для повышения устойчивости суспензии вводятся стабилизаторы (электролиты и ПАВ).

Суспензии получают механическим диспергированием.

Поверхностные явления

Виды поверхностных явлений: сорбция – поглощение одного вещества другим.

Если поглощение происходит во всем объеме, то такое поглощение абсорбций (процесс погашения газообразного вещества на поверхности и распространяется по всему объему.)

Адсорбция – вещество поглощается только поверхностью и концентрируется только в пограничных слоях у поверхности раздела фаз. Поглощающее вещество называется сорбентом, а поглощаемое – сорбтивом.

Если поглощаемое вещество химически взаимодействует с веществом поглотителя, то такой процесс называется хемосорбцией (поглощение NH₃ или HCl водой, кислорода металлами.)

Молекулы вещества на поверхности раздела фаз обладают избыточной энергией по сравнению с молекулами внутри фаз.

Любая молекула Аиспытывает притяжение со стороны окружающих ее молекул и равнодействующая сил притяжения равна нулю.

На молекулу Вв поверхностном слое действуют силы, которые не компенсируются друг другом и стремятся втянуть ее в глубь жидкости. Молекулы поверхностного слоя обладают большим запасом энергии по сравнению с энергией молекул, находящихся внутри.

Этот избыток энергии в поверхностном слое, отнесенный к 1 см² поверхности, называется поверхностным натяжением.

Вещества, понижающие поверхностное натяжение, называются поверхностно-активными. С повышением их концентрации в растворе поверхностное натяжение падает. Поверхностно-активные вещества содержат полярные и неполярные группы атомов в разных частях молекулы. В роли полярных групп в молекулах органических соединений выступают группы атомов: OH-, -COOH, -NH₂. В роли неполярных групп: углеводород или циклические радикалы. Полярные группы по отношению к воде являются гидрофильными, т.к. они взаимодействуют с водой. Неполярные группы – гидрофобные – не взаимодействуют с водой. В разбавленных растворах органических веществ способность понижать поверхностное натяжение возрастает с увеличением длины углеводородной цепи.

Когда концентрация адсорбированных молекул в поверхностном слое мала, то они как бы лежат на поверхности.

При повышении концентрации адсорбированных молекул на поверхности они расходятся.

При дальнейшем увеличении концентрации адсорбированные молекулы образуют насыщенный адсорбированный слой – мономолекулярный.

Зависимость адсорбированных молекул от концентрации их выражается изотермой.

В мономолекулярных молекулы ПАВ правильно ориентированны – своей полярной группой к полярной фазе, неполярной группе углеводородными радикалами к воздуху.

С количественной стороны процесс адсорбции в поверхностном слое раствора описывается уравнением Гиббса

- поверхностное натяжение

где изменение поверхностного натяжения раствора с концентрацией.

С – концентрация растворенного вещества в растворе.

Г – избыток растворенных веществ в поверхностном натяжении.

Если - поверхностное натяжение уменьшиться, то < 0, то Г > 0 и концентрация растворенного вещества в поверхностном слое меньше, чем в самом растворе (положительная адсорбция.)

> 0, то Г < 0 концентрация растворенного вещества в поверхностном слое меньше, чем в самом растворе (отрицательная адсорбция.)

Ионная сорбция

Сорбент взамен поглощенных ионов посылает в раствор ионы с зарядом того же знака. В качестве ионных сорбентов применяются твердые неорганические вещества минерального происхождения (глины, граниты) и органические высокомолекулярные вещества (иониты). Иониты, вступающие в обмен с катионами, называется катионитами, вступающие с анионами – аниониты. Катионы содержат в своем составе – сульфогруппы – SO₃H, - COOH, - PO(OH)₂; аниониты – высокомолекулярные полиамиды – NH₂R⁺ = NHR₂⁺

Механизм катионного обмена ионами Na⁺ и катионами в Н – форме, содержащим Н⁺:

HR^n- + n Na⁺ = Na_n R + n H⁺

(на катионите)

R – высокомолекулярный органический радикал

n – его заряд

R(OH)_n + n Cl^- = RCl_n + n OH^-

(на анионите)

В зависимости от природы подвижного иона говорят о Н – форме катионита или ОН – форме анионита.

Обмен ионов между сорбентом и растворителем происходит в эквивалентных отношениях.

Реакции ионного обмена обратимы и подчиняются закону действия масс. Скорость установления равновесия ионного обмена зависит от величин зерен сорбента, их набухания и размеров пронизывающих их пор. Адсорбционная способность ионита оценивается обменной емкостью – число г – эквивалентов иона, поглощаемого одним г ионита.

Ионообменные смолы применяются для умягчения воды (освобождают от Ca, Fe, Mg), для выделения и разделения разнообразных неорганических веществ, с помощью ионитов улавливают ионы ценных элементов из природных растворов.

Правило избирательной адсорбции ионов были сформулированы Песковым и Фаянсом:

1) на всякой твердой поверхности преимущественно будут адсорбироваться ионы, имеющие общую с данной поверхностью атомную группировку.

2) Поливалентные ионы адсорбируются значительно лучше, чем одновалентные почти независимые от состава сорбента.

3) Ионы одинаковой валентности адсорбируются различно, что связано с их размерами и различной степенью гидратированности.

Коллоидные системы

Системы, в которых одно вещество распределено в среде другого в виде мелких частиц, называются дисперсными.

Коллоидные системы – представляют собой частный вид дисперсных систем (размер частиц 10^-5 – 10^-7 см) от 10 до 1000 занимают промежуточное положение истинными растворами и грубодисперсными.

Основная особенность коллоидных систем – гетерогенность, состоящая из двух фаз. Дисперсионная среда – растворимость, дисперсная фаза – совокупность мелких частиц, равномерно распределенных в дисперсной среде.

Степень раздробленности или дисперсность определяет свойства коллоидных систем, чем меньше размеры частиц тем больше дисперсность.

Изучением коллоидных систем занимался Грэм и заметил, что коллоидные растворы во многом отличны от обычных растворов, не проходят через целлофан, не способны кристаллизоваться. Грэм назвал их коллоидными. Позднее было показано, что одно и тоже вещество может существовать в виде кристаллоида или коллоида в зависимости от условий его выделения и получения. NaCl – желтый кристаллоид в обычных условиях, но в бензоле коллоидный раствор, мыло – коллоидный раствор в среде, а в спирте обнаруживаются свойства кристаллоида. Поэтому – коллоиды не особый класс, а особое состояние вещества.

Именно сильное развитие поверхности приводит к появлению у системы новых свойств – свойства присущим коллоидным растворам и которые заставляют рассматривать коллоидные системы как особое состояние вещества.

Коллоидные системы чрезвычайно разнообразны, они широко распространены в природе и используются в ряде производств. Производство многих промышленных и продовольственных товаров (масло, майонезы, молоко), производство искусственного шелка, коллоидно-химические процессы – набухания, растворение, агрегация, коагуляция. Основа крашения растительных, животных и синтетических волокон, большинство красителей – коллоидные растворы. В строительном производстве цемент и некоторые другие вяжущие вещества проходят при твердение через коллоидное состояние.

Классификация коллоидных систем.

По агрегатному состоянию дисперсные системы могут быть жидкими (молоко), твердыми (минералы) или газообразными (атмосферный туман).

Коллоидные системы различаются по агрегатному состоянию дисперсной системы и дисперсной фазы. Каждая из них может находиться в жидком, твердом и газообразном состояниях.

Дисперсионная среда – газ – аэрозоли:

т/г – твердое в газообразном

ж/г – облако, туман

г₁/г₂ – газ в газе – гомогенные системы.

Жидкая дисперсионная среда –

т/ж – коллоидные растворы золота, серебра

ж/ж – молоко, кремы

г/ж – эмульсии газов в жидкостях

Твердая дисперсионная среда –

т₁/т₂ – твердое в твердом сталь, чугун

ж₁/т₁ – вода в парафине

г/т₂ – пемза, туфы

По степени дисперсности:

1) растворы высокомолекулярных соединений типа гемоглобина, молекулы которого 10^-7 см. Такие растворы находятся на границе между истинными растворами и коллоидными растворами.

2) Коллоидные растворы с частицами, состоящими из агрегатов молекул 10^-7 – 10^-5 см.

3) Микрогетерогенные системы – 10^-5 см.

По интенсивности взаимодействия дисперсной фазы с жидкой дисперсионной средой:

1) Миофильные такие коллоиды, частицы в которых в большом количестве связываются молекулы дисперсионной среды.

2) Миофобные - необратимые коллоидные растворы, в которых дисперсная фаза неспособна взаимодействовать с дисперсионной средой. (гидролизы металлов, сульфиды).

Золи – все системы, отвечающие коллоидной степени дисперсности. Гель образованный из золя.