Устойчивость коллоидных систем.

По устойчивости коллоидные системы сильно отличаются: некоторые сохраняются длительные периоды времени, другие сравнительно нестойки. Существует два рода процессов, приводящих к разрушению коллоидных систем:

1) Процессы седиментации – частицы дисперсной фазы могут выделяться путем оседания или всплывания, в зависимости от соотношения в плотностях этих частиц.

2) Процессы коагуляции – укрупнения частиц дисперсной фазы в результате их взаимодействия слипания или слияния.

Н.П.Песков ввел понятие о кинетической и о агрегативной устойчивости коллоидных систем.

Кинетическая устойчивость – связанна с тем, что явлению седиментации противодействует тепловое движение частиц дисперсной фазы (броуновское движение). Поэтому коллоидные системы сохраняют устойчивость даже при значительном различии плотностей частиц дисперсной фазы.

Агрегативная устойчивость – способность коллоидной системы сохранять свою степень дисперсности. Агрегативная устойчивость обусловлена наличием у частиц дисперсной фазы электрического заряда и сольватной оболочки.

Существование зарядов у частиц препятствует слипанию их в более крупные агрегаты и делает коллоидную систему устойчивой. Приобретение частицами заряда сильно способствует их сольватации и этим, в свою очередь, стабилизируя их.

Вследствие наличия у коллоидных частиц электрического заряда состояние коллоидных систем зависит от воздействия внешнего электрического поля. В электрическом поле движение частиц коллоида приобретает некоторое преимущественное направление. Движение дисперсной фазы в электрическом поле называется электрофорезом.

Явление электрофореза было открыто Ф. Ф. Рейсом (1807) который показал, что частица глины в воде под действием постоянного тока перемещаются в направлении положительного электрода, т.е. заряжены отрицательно.

Электрофорез применяется в технике для обезвоживания и очистки глин, для удаления воды из нефти, для выделения каучука из природной эмульсии – латекса, в процессах дубления кожи.

Явление переноса дисперсной среды под влиянием внешней разности потенциалов называется электоосмосом.

Оптические свойства коллоидных систем.

Замечено, что путь светового луча, проходящего через прозрачный коллоидный раствор золота, становиться видимым, это явление получило название эффект Тиндаля. Оно обусловлено рассеиванием света коллоидными частицами. Частицы дисперсной фазы рассеивают падающий на них свет. Явление Тиндаля особенно хорошо заметно, если в темноте направить пучок света через коллоидный раствор. Благодаря явлению Тиндаля можно отличить коллоидный раствор от истинного. Рассеивание света зависит от размеров частиц.

В суспензиях и эмульсиях, в которых размеры частиц дисперсной фазы больше длины волны освещающего их света, то этот свет отражается от поверхности частиц. Отражение и преломление света частицами дисперсной фазы обуславливает мутность суспензий и эмульсий.

В коллоидных растворах размеры частиц меньше длины волны света, рассеивание происходит за счет дифракции, т.е. лучи света как бы огибают коллоидные частицы, рассеиваясь во всех направлениях.

Интенсивность светорассеивания возрастает с ростом величины частиц дисперсной фазы, их концентрации. Явление светорассеивания лежит в основе важнейших методов излучения коллоидных растворов: ультрамикроскопия.

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.)