Область колоїдного стану
У зв'язку з цим і термін «колоїдна хімія» в даний час є дещо застарілим, тому що вона значно менше займається хімічним складом колоїдних систем і хімічними реакціями в них, ніж фізичною структурою, фізичними (і навіть механічними) властивостями і фізико-хімічними процесами, характерними для цих систем. Тому правильніше називати її фізико-хімією колоїдних систем. Оскільки, однак, в даний час коло досліджуваних нею дисперсних систем досить розширився, то точніше було б назвати її і ще більш загальним терміном - фізичної хімією дисперсних систем.
Область сучасної колоїдної хімії дисперсних систем, крім ліофобних золів, високомолекулярних сполук і їх розчинів, суспензій, емульсій, пен, аерозолів і твердих золів, включає ще одну практично важливу групу дисперсних систем, що отримала найменування «полуколлоідов».
У цю групу входять речовини, здатні з одним і тим же розчинником, в залежності від концентрації і температури, давати і молекулярні розчини та типові золі; до них відносяться мила, барвники і дубильні речовини.
Наведемо наступне найбільш сучасне визначення колоїдної хімії, що належить І.І.Жукову:
Поверхневі явища ставить своїм завданням вивчення фізико-хімічних властивостей:
а) всіх високодисперсних гетерогенних систем, кладучи в основу поверхневі явища на межі фаз;
б) високомолекулярних і високополімерних з'єднань - як в твердому стані, так і в стані розчину.
Значення колоїдної хімії надзвичайно великий, так як в ній вивчаються не тільки загальні питання пізнання фізичної сутності оточуючого нас матеріального світу, а й питання, тісно і безпосередньо пов'язані з проблемами самого життя, оскільки все живе складається з найскладніших комплексів речовин в колоїдному стані.
Важко назвати ту галузь промисловості, в якій в наш час колоїдна хімія не знаходила б свого практичного застосування. Такі, наприклад, галузі промисловості та виробництва, як харчова, текстильна, штучного волокна, шкіряна, гумова, синтетичного каучуку, пластмас, лакофарбова, миловарна, вибухових речовин, целюлозно-паперова, гидролизная, фармацевтична, збагачення руд (флотація) - найтіснішим чином пов'язані з колоїдно-хімічними процесами. Навіть в таких галузях промисловості, дуже далеких, здавалося б, від колоїдної хімії, як металургійна, гірничодобувна, нафтовидобувна і нафтопереробна, силікатна і будівельних матеріалів, все ширше впроваджуються методи колоїдної хімії.
Величезне значення мають колоїди і колоїдні процеси, і їх вивчення в сільському господарстві, в першу чергу для грунтознавства - в питаннях підвищення родючості грунтів.
Велико їх значення і в медицині.
У практичній діяльності ми рідко зустрічаємося з чис-тими речовинами, що складаються з одного компонента. Природ-ні води, більшість мінералів, фізіологічні рідини (клітинний сік рослин, молоко, кров та ін.) Містять неяк-до компонентів.
Системи, що містять одне або декілька речовин у вигляді частинок (дисперсна фаза), розподілених в тому чи іншому середовищі (дисперсійне середовище), називаються дисперсними (від латинського dispersus). Слово "дисперсніст" означає подрібнення, роздрібнити-ня.
Ці системи діляться на однофазні - гомогенні і мно-гофазние - гетерогенні. Всі молекулярно-іонні розчини від-носяться до гомогенним однофазним системам і називаються ис-тіннимі розчинами.
В основу класифікації гетерогенних дисперсних систем покладено такі ознаки:
1. ступінь дисперсності, тобто розмір часток дисперсної фази;
2. агрегатний стан фаз;
3. інтенсивність взаємодії частинок дисперсної фази з
дисперсійним середовищем.
1. Розрізняють три класи дисперсних гетерогенних (неод-нородного) систем. що відрізняються розмірами частинок (d) дисперсії-ної фази:
a) мікрогетерогенні або Грубодисперсні системи, d> 10 -7 м
(Суспензії, емульсії, порошки та ін.);
b) колоїдні або ул'трамікрогетерогенние системи, 10 -9 c) істинні розчини, d <10 -9 м. Дисперсні системи, розмір часток дисперсної фази ко-торих лежить в межах від 10 -9 до 10 -7 м, відносяться до колл-Видно-дисперсним і є основним об'єктом вивчення кол-лоідной хімії. Таким чином, колоїдними системами називаються полідисперсні гетерогенні системи з величиною частинок дисперсної фази від 10 -7 до 10 -9 м. Структурної і кінетичної одиницею колоїдних систем є не іон і не молекула в звичайному сенсі, а або кому-плекс (агрегат), що складається з великого числа простих молекул, атомів або іонів, які називаються Міцели, або макромолекула, тобто молекула-полімер «гігантських» розмірів, що володіє мо-лекулярним вагою в десятки і сотні тисяч вуглецевих одиниць. 2. По агрегатному стані розрізняють дисперсні сис-теми з газоподібної, рідкої і твердим дисперсійним середовищем. Дисперсні системи з газоподібним дисперсійним середовищем на-ни опиняються аерозолями (дим, туман). Водні колоїдні раство-ри називаються гидрозолей, спиртові - алкозолямі, ефірні -ефірозолямі і т.д. Затверділий золь, або відокремилася від дис-персіонной середовища дисперсна фаза утворює гель. Кожна дисперсна фаза і дисперсійне середовище можуть бути в трьох агрегатних станах: газоподібному, рідкому і твердому. Виходячи з цього, можна було б очікувати існування в при-роді дев'яти груп різних дисперсних систем, але система газ в газі не утворює агрегатів, а являє собою гомогенну суміш, яка не має поверхні розділу між фазами (табл. 21). 3. За інтенсивністю взаємодії між частинками дис-палої фази і дисперсійним середовищем розрізняють два класи колоїдних систем: ліофіл'ние (від грецьких ліо - розчиняю і філіо - люблю) системи і ліофобні (від грецьких ліо - розчиняю і Фобос - страх) системи. Ліофільними колоїдними системами є такі системи, в яких частинки дисперсної фази міцно пов'язують велику кількість молекул розчинника і також міцно удер-жива їх, якщо колоїд виділяється з розчину. Ліофільні системи (розчини високомолекулярних со-єднань) внаслідок їх «любові» до розчинника утворюються мимовільно. Так, при приміщенні шматочка сухого желатину або крохмалю (стан гелю) в воду через деякий час в результаті гідратації гелю утворюється колоїдний розчин (золь). Ліофобность колоїдними системами є такі системи, в яких частинки дисперсної фази дуже слабо взаи-модействие з молекулами розчинника. Для отримання золю гидрофобного колоїду необхідно затратити роботу (хімічну - отримання нерозчинного ве-щества в ході реакції, або фізичну - розтирання і ін.). Колоїдні розчини виявляють яскраво виражені оптичні властивості. Просте спостереження показує, що розчини ліофільних колоїдів завжди каламутні (розчин желатину, альбуміну та ін.), А розчини ліофобних колоїдів майже завжди мають забарвлення (гидрозолей гідроксиду заліза - червоно-коричневу; гидрозолей берлінської блакиті - синю). Було встановлено, що при проходженні світла через кол-лоідний розчин, колоїдні частинки розсіюють світло і тим більше, чим більше їх число і сильніше інтенсивність світла. Цей ефект отримав назву конуса Тиндаля, а інтенсивність світіння виражається законом Релея: де I - інтенсивність розсіяного світла; Iо - інтенсивність па-дає світла; k - константа, яка залежить від різниці показників заломлення дисперсної фази і дисперсійного середовища; n - число часток в одиниці об'єму, тобто концентрація частинок золю; V-обсяг частки дисперсної фази; # 955; - довжина хвилі падаючого світла. Конус Тиндаля в колоїдному розчині є вираз-му ефекту светорассеяния. Светорассеяніє досягається тільки тоді, коли величина частки, що розсіює світло, починає наближатися до величини довжини світлової хвилі. Справжні розчини такою властивістю не володіють. За цій властивості легко відрізнити справжні розчини від колоїдних. Так як молекули деяких речовин за своїми розмірами можуть бути близькі до розмірів колоїдних частинок, то з цієї точ-ки зору важко провести різку межу між справжніми і колоїдними розчинами. Все ж між ними є сущест-дарське відмінність: в той час як справжні розчини - термодинамічно стійкі системи, стійкість колоїд-них розчинів з більшою або меншою швидкістю змінюється в часі. Колоїдні розчини являють собою гетерогенні системи, що і є однією з причин їх нестійкості. К-лоідние розчини володіють великою вільної енергією поверхні і відповідно до другого початку термодинаміки прагнуть до рівноважного стану, що характеризується поділом сис-теми на дві фази, які мають мінімальні межфазовие поверхні і, отже, мінімальну вільну поверхност-ву енергію. Стійкість характеризується тривалістю перебування системи в незмінному стані. Розрізняють кінетичну і агрегатівную стійкість колоїдних систем. Кінетична стійкість характеризується часом со-зберігання рівномірного розподілу часток дисперсної фази по всьому об'єму дисперсійного середовища. Агрегативна стійкість характеризується часом со-зберігання незмінної ступеня дисперсності (подрібнення годину-тиц) дисперсної фази колоїдної системи. За допомогою ультрамікроскопа було встановлено, що кількість лоідние частки знаходяться в інтенсивному броунівському руху-ванні. Чим дрібніше частинки, тим інтенсивніше рух, і навпаки, чим більше, тим менше швидкість їх руху. Одночасно з цим частки знаходяться під впливом сили земного тяжіння. Таким чином, колоїдні частинки знаходяться під віз-дією двох взаємно протилежних сил: броунівського руху, який прагне рівномірно розподілити частки по всьому об'єму дисперсійного середовища, і сили тяжіння, які прагнуть-ся зібрати ці частинки на дні посудини. Чим більше частки, тим сильніше виявляється дія земного тяжіння, тим швидше вони відокремлюються від дисперсійного середовища і тим менше їх кінетичної-ська стійкість. У природі колоїдні системи утворюються двома шляхами: конденсаційним і дисперсійним. Відтворення цих шляхів і лежить в основі методів отримання колоїдів. У першому випадку колоїди виходять за рахунок з'єднання (конденсації) іонів або молекул з утворенням більш великих часток. Причиною викликає утворення таких частинок є пересичений стан даної речовини в середовищі іншої речовини, в якому перше знаходиться в розчиненому стані. Так, наприклад, при зниженні температури повітря, насиченого водяними пара-ми, створюється пересичення, яке супроводжується освіту:-му туману; при зливанні спиртового розчину каніфолі з водою, утворюється золь мастики, так як каніфоль важко розчиняється у воді і внаслідок цього утворюються частинки каніфолі колоїд-них розмірів. У другому випадку - колоїди утворюються за рахунок роздрібнити-лення (диспергування) великих частинок до частинок колоїдних розмірів. Так, наприклад, для роздроблення глинистих мінералів застосовують кульові млини, що представляють собою ексцен-тричних обертові барабани з міцної сталі, частково заповнені кулями з того ж матеріалу. Так як грунту в більшості випадків являють собою дрібні грудочки з злиплих між собою окремих частинок, в тому числі і колоїдних, то для поділу їх на окремі бо-леї дрібні частинки застосовують хімічний метод роздроблення. У цьому випадку в якості реагенту зазвичай вживають розчини різних солей натрію і лугів. Такий метод роздроблення отримав назву пептізаціі. Отримані колоїдні розчини очищають від домішок електролітній природи за допомогою діалізу. Діаліз заснований на здатності напівпроникних мембран пропускати частинки ис-тінних розчинів і не пропускати колоїдні частинки, по-кільки розмір пір напівпроникною мембрани менше ніж d частинки. Діаліз продовжують до відсутності якісної реакції на які визначаються іони або молекули. Іншим методом очищення колоїдних розчинів є ультрафільтрація. Освіта і структура колоїдної міцели. При конденсаційному способі отримання колоїдних рас-творити частки дисперсної фази в залежності від умов обра-тання можуть набувати позитивний або негативний знак заряду. Наприклад, при взаємодії розчинів KI і AgNО3 однаковою концентрації, але при надлишку AgNO3 внаслідок утворення осаду AgI по всьому об'єму дисперсійного середовища виникають дрібні годину-Тичко йодиду срібла, утворюючи ядро колоїдної міцели. Виниклі частки зростають за рахунок наявних в розчині іонів Ag + і I -. чергуючись в послідовно-ності AgIAgIAgIAg +. до тих пір, поки зростання не пріостано-вітся через нестачу одного з цих іонів. У наведеному прикладі зростання, очевидно, закінчиться тоді, коли всі іони I - будуть закриті іонами Ag + на поверхні утворилися частинок, внаслідок чого ця поверхня зарядиться позитивно. Такі іони будуть називатися потенціалопределяющего. За правилом Панета-Фаянсу. цими іонами можуть бути тільки іони, що входять до складу ядра і знаходяться в надлишку. В даному випадку це іон Ag +. Ядро міцели з роєм потенциалопределяющих іонів отримало назву агрегат. Під дією електростатичних сил тяжіння до позитивно зарядженої поверхні (агрегату) притягуються протилежно заряджені іони з надлишку. Рой противоионов, що оточують частку, складається з двох якісно неоднакових шарів. Перший шар складається з противоионов, що знаходяться під максимальним впливом електричного поля частинки, а тому і менш рухливих, другий шар складається з противоионов, більш віддалених від поверхні частинки, а тому більш рухливих, в силу чого цей шар іонів і називають рухомим або дифузним. Такі частинки схематично записуються наступним чином: де (AgI) m - ядро колоїдної міцели, nAg + - кількість потен-ціалопределяющіх іонів, (n-x) NO3 - - кількість протиіонів (компенсуючих) в нерухомому шарі, xNO3 --кількість протиіонів в рухомому (дифузному) шарі. При надлишку KI виникає той же гидрозолей йодиду срібла (AgI), але з негативно зарядженими частинками: У цих умовах міцела набуває такого вигляду (рис.16). Поширюючи наведений приклад на більш широкий ряд подібних явищ, можна вивести наступне правило: при конденсаційному шляху освіти колоїдних частинок вони заряджаються знаком того іона, який Через 300 секунд вимикають струм і знову записують по-ложення кордонів розділу в таблицю 22. Обчислюють величину # 950; - потенціалу за рівнянням # 950; = × × де # 951; - в'язкість дисперсійного середовища, # 949; - діелектрична про- ніцаемость, - відстань між електродами (см), Е - електро-рушійна сила (В), S - відстань (см), пройдене дисперсною фазою за час # 964; (С). Після підстановки постійних величин рівняння прини-томить вид # 950; = 209 × × Зсув золю S одно напівсумі відстаней, пройдений-них дисперсною фазою в катодному і анодному колінах U - образ-ної трубки. Знак заряду колоїдних частинок протилежний знаку заряду того електрода, у напрямку до якого зміщувався золь. Питання для самоконтролю: 1. Класифікація дисперсних систем за агрегатним станом і ступеня дисперсності. 2.Классификация колоїдних систем за ступенем взаємодії частинок дисперсної фази з дисперсійним середовищем. 3. Методи отримання та очищення колоїдних систем. 4. Що таке пептизація. 5. Чому гідрофобні колоїдні системи термодинамічно нестійкі? 6. Кінетична і Агрегативна стійкість колоїдних систем. 7. Теорія ДЕС по Штерн. 8. Будова колоїдної міцели.