Пример 2. Что представляют собой гетерогенные дисперсные системы - коллоидные растворы?

Что представляют собой гетерогенные дисперсные системы - коллоидные растворы? Каковы факторы их устойчивости и разрушения? Что является мельчайшей структурной единицей коллоидного раствора? Каковы типы структур, образующихся при коагуляции золей?

Решение. Все дисперсные системы состоят из сплошной фазы (дисперсионной среды) и прерывистой фазы (частиц), называемой дисперсной фазой. Коллоидные растворы по размеру частиц дисперсной фазы занимают промежуточное положение между грубодисперными и молекулярнодисперсными системами, но качественно от них отличаются. В отличие от истинных растворов они относятся к гетерогенным системам, состоящим из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела. В отличие от грубодисперсных систем коллоидные являются ультрамикро­гетерогенными. Несмотря на высокое значение DG_пов = S^.s, коллоидные растворы являются наиболее устойчивыми из всех гетерогенных дисперсных систем, их частицы не оседают при любой продолжительности отстаивания.

По агрегатному состоянию коллоидные системы делятся на жидкие, твердые и газообразные. Жидкие коллоидные системы содержат жидкую дисперсионную среду. При наличии твердой дисперсной фазы они называются золями.

Коллоидные растворы (золи) обладают только им присущими свойствами: 1) оптическими, 2) кинетическими, 3)электрическими, обусловленными возникновением у коллоидных частиц электрических зарядов за счет адсорбции ионов из раствора. При этом уменьшается DG_пов, что способствует устойчивости золей.

Коллоидные растворы могут быть получены двумя методами: либо измельчением грубодисперсных систем, либо объединением (конденсацией) атомов, ионов, молекул за счет реакций осаждения: гидролиза, нейтрализации, ОВР.

Все особенности свойств коллоидных растворов обусловлены строением частиц дисперсной фазы. Рассмотрим строение частиц золя сульфата бария, полученного при смешивании разбавленных растворов серной кислоты и хлорида бария.

Реакция обмена в этой среде приводит к появлению нерастворимого вещества сульфата бария:

H₂SO₄ +BaCl₂ = BaSO₄ + 2HCl.

Однако, осадок не выпадает вследствие образования золя. При этом мельчайшей структурной единицей коллоидного раствора является мицелла. Рассмотрим ее строение.

Предположим, что в растворе в избытке находится хлорид бария, следовательно, он является стабилизатором образовавшегося коллоидного раствора. После образования множества ультрамикроскопических кристаллов сульфата бария в растворе остается избыток ионов Ва⁺² и Сl^-. В соответствии с правилом Паннета-Фаянса на межфазной поверхности будут адсорбироваться ионы бария, т.к. такие же ионы входят в состав кристаллической решетки сульфата бария, за счет чего поверхность приобретает положительный заряд. Специфически адсорбирующиеся ионы называются потенциалопределяющими: от них зависит знак и величина потенциала поверхности. Нерастворимое вещество является ядром мицеллы. В меньшей степени на ядре адсорбируются ионы хлора, называемые противоионами адсорбционного слоя. К положительно заряженной поверхности гранулы притягиваются за счет диффузии оставшиеся в растворе ионы Сl^-. Образуется двойной электрический слой. Внутреннюю обкладку двойного слоя образуют ионы Ва⁺². а наружную – непрочно связанные ионы Сl^-. Гранула вместе с диффузным слоем противоионов образует мицеллу. Мицелла всегда электронейтральна.

Строение мицеллы сульфата бария выражается формулой:

{m[BaSO₄]∙n Ва⁺²∙ 2 (n-x)Cl ^-}^+2х ∙ 2x Сl ^-, где

m[BaSO₄] - ядро,

n Ва⁺²- потенциалопределяющие ионы (стабилизатор),

2 (n-x)Cl^- - противоионы адсорбционного слоя,

{m[BaSO₄]∙n Ва⁺²∙ 2 (n-x)Cl^-}^+2х – гранула (коллоидная частица),

2x Сl^- - противоионы диффузного слоя.

Благодаря заряду гранула притягивает полярные молекулы дисперсионной среды, которые образуют сольватную оболочку.

Несмотря на то, что коллоидные растворы термодинамически неустойчивы за счет большого избытка поверхностной энергии, при определенных условиях они могут долго сохраняться.

Устойчивость дисперсных систем обусловлена:

1. агрегативной устойчивостью - способностью коллоидной системы сохранять первоначальную степень дисперсности. Она возможна при наличии в системе стабилизатора, которым является, в частности, электролит, взятый в избытке (в данном случае BaCl₂). Адсорбция ионов Ва⁺² на частицах BaSO₄ приводит к появлению на коллоидных частицах 1) заряда; 2) потенциала на границе раздела фаз, называемого электрокинетическим потенциалом; 3) сольватной оболочки, в результате чего коллоидный раствор становится устойчивым к коагуляции. Коагуляцией называется процесс укрупнения частиц за счет слипания и потеря агрегативной устойчивости.

2. Седиментационной устойчивостью – способностью частиц дисперсной фазы противостоять осаждению (седиментации) под действием силы тяжести. Седиментационная устойчивость коллоидной системы обусловлена наличием теплового (броуновского) движения частиц.

Если нарушить хотя бы один из факторов устойчивости коллоидных растворов за счет: 1) введения в систему электролита; 2) повышения температуры; 3) пропускания постоянного электрического тока; 4) повышения концентрации исходных растворов; 5) механического воздействия; 6) добавления другого золя с противоположным зарядом гранулы, то произойдет снижение электрокинетического потенциала, потеря частицами сольватной оболочки и коагуляция. В результате укрупнения частиц нарушается седиментационная устойчивость, и дисперсная система разрушается.

Наиболее часто коагуляцию проводят добавлением сильного элек­тролита. Для положительно заряженных золей коагуляцию вызывают анионы, образующиеся при диссоциации добавленного электролита. Чем больше заряд иона-коагулятора, тем меньшей концентрации необходимо брать добавляемый электролит.

В результате коагуляции золей могут образоваться два типа про­странственных структур – коагуляционные (гели) и конденсационные (осадки). В случае образования геля частицы дисперсной фазы связывают дисперсионную среду с образованием ажурной структуры, внутри которой сохраняется дисперсионная среда (H₂O). При этом мицеллы не разруша­ются, золь переходит в полужидкое-полутвердое состояние (студень). Для некоторых гелей характерно явление тиксотропии - переход геля в золь при механическом воздействии (масляные краски, бетонные растворы). Коагуляционные структуры обратимы. При стоянии такие золи снова застудневают.

Контрольные задания (а)

161а.Что представляют собой гетерогенные химические системы и их разновидности, причины их меньшей термодинамической устойчивости по сравнению с гомогенными системами.

162а. Что такое коллоидные растворы, к каким дисперсным системам они относятся, их классификация по различным признакам.

163а. Какова сущность понятия "агрегативная устойчивость гетерогенных дисперсных систем" и факторы на нее влияющие; что представляют собой явления гелеобразования и коагуляции, их значение.

164а. Сущность понятия "сорбция", разновидности, причинность и роль этого поверхностного явления в природных и технологических процессах.

165а. Строение и свойства мицелл, образующихся в коллоидных растворах, причины их относительной устойчивости.

166а. Факторы, способствующие образованию и разрушению коллоидных систем, распространенность и значение коллоидных растворов.

167а. Сущность явления адсорбции, факторы, на нее влияющие, ее причинность и значение.

168а. Что такое эмульсии, их разновидности и значение, пути стабилизации и разрушения.

169а. Что такое поверхностно-активные вещества, особенности их строения и поведения на поверхности раздела фаз, роль и значение ПАВ, в том числе в качестве моющих средств.

170а. Что такое поверхностное натяжение, каковы причины его возникновения на межфазной поверхности, от каких факторов оно зависит.

171а. Что такое суспензии, их разновидности, пути стабилизации и разрушения, роль и значение.

172а. Сущность и особенности явлений физической и химической адсорбции, их роль и направления использования.

173а. Что такое адсорбент и адсорбат, разновидности адсорбентов и направления их использования; факторы, определяющие эффективность адсорбции.

174а. Что такое пены, их разновидности и значение, пути стабилизации и разрушения.

175а. Определение и сущность смачивания; факторы, определяющие различную степень смачивания; флотация и ее практическое значение.

176а. Причины и условия возникновения свободной поверхностной энергии, способы ее уменьшения и увеличения; взаимосвязь DG_пов c поверхностным натяжением.

177а. Классификация гетерогенных дисперсных систем по различным признакам, их распространенность в природе и производственных процессах.

178а. Сущность метода хроматографии, ее разновидности и значение.

179а. Что представляют собой электрокинетические явления в коллоидных системах – электрофорез и электроосмос, каковы причины их возникновения и практическое значение.

180а. Причины неустойчивости гетерогенных дисперсных систем по сравнению с гомогенными дисперсными системами; факторы, способствующие их стабилизации и разрушению.

Контрольные задания (б)

Составьте формулу мицеллы золя, образующегося в реакционной смеси, данной в таблице 11. Изобразите схему строения мицеллы. Определите заряд коллоидной частицы и укажите факторы, с помощью которых можно разрушить коллоидный раствор.

(Тип химической реакции: реакция обмена – 1, ОВР – 2,

электролитическая диссоциация – 3, полный гидролиз – 4).

Таблица 11

Date: 2015-10-22; view: 824; Нарушение авторских прав