KI(изб) + AgNO3 → AgI (золь) + KNO3.
В растворе есть избыток ионов I-, которые могут достраивать кристаллическую решетку AgI, они адсорбируются на поверхности частиц AgI, в результате чего ее поверхность заряжается отрицательно. Часть ионов К+ подходит к заряженной поверхности частицы, другая часть рассеяна на некотором расстоянии, образуя диффузный слой. Такое распределение ионов К+ – результат действия двух сил: адсорбированные ионы I- стремятся притянуть противоионы K+, а тепловое движение их рассеивает. Частица (мицелла), полученная таким образом, имеет следующее строение:
[AgI m ∙ nI- ∙ (n-x)K+ -x…xK+,
где AgI m – ядромицеллы; I- – потенциалопределяющие ионы;K+ – противоионы; [AgI m∙nI-∙(n-x)K+ -x –грануламицеллыиликоллоиднаячастица.
Потенциалопределяющие ионы и часть противоионов, входящих в гранулу мицеллы, образуют адсорбционный слой. Те противоионы, которые в результатедиффузииоказалисьврастворе,образуютдиффузионныйслой.
При перемещении частиц коллоидного раствора относительно дисперсной среды коллоидная частица движется как одно целое, а так как (n-x) меньше n, то есть противоионы не полностью компенсируют заряд адсорбированных ионов I-, гранула заряжается отрицательно. На границе между движущейся частицей и средой возникает так называемый электрокинетический потенциал (дзета-потенциал).
Возникновение двойного электрического слоя за счет ионизации можно показать на примере коллоидных частиц золя кремниевой кислоты. Находящиеся на поверхности коллоидные частицы молекулы H2SiO3 могут частично диссоциировать: H2SiO3 ↔ HSiO3- + H+.
Ионы HSiO3- остаются на поверхности частицы, а часть ионов H+ под действием теплового движения уходит в диффузный слой. Частица заряжается отрицательно.
[H2SiO3 m ∙ nHSiO3 - ∙ (n-x)H+ -x…xH+.
Методы получения коллоидных растворов делятся на две группы:
1.Дисперсионные (измельчение крупных тел до коллоидных размеров на специальных коллоидных мельницах или ультразвуком).
2.Конденсационные (объединение в растворе ионов и молекул в частицы коллоидных размеров). Такое объединение идет в результате химических реакций гидролиза, обмена, окислениявосстановления, путем замены растворителя и т.д.
55
Во всех случаях для получения золей следует соблюдать определенные условия: концентрацию реагентов, температуру, порядок смешения и др.
Пример 1. Если реакцию обмена
KI + AgNO3 → AgI + KNO3
провести в избытке KI, то образуется золь с отрицательными частицами (см. рекцию на с. 55); если эту же реакцию провести в избытке AgNO3, то получится золь с положительно заряженными частицами; а если смешать исходные вещества в эквивалентных количествах, то образуется обычный осадок AgI, а не золь.
Пример 2. Если гидролиз FeCl3 проводить в обычных условиях, то получится гидроксохлорид железа:
FeCl3 + H2O ↔ FeOHCl2 + HCl.
Но если в кипящую воду капнуть несколько капель 2 %-ного раствора хлорида железа FeCl3, то образуется красно-бурый золь. Его частицы заряжены положительно и имеют такое строение:
[Fe(OH)3 m ∙ nFe3+∙3(n-x)Cl- 3x+…3xCl-.
Если в такой раствор поместить электроды и пропустить постоянный электрический ток, то такая частица будет перемещаться к катоду. Явление переноса коллоидных частиц под действием электрического поля называют электрофорезом. Оно широко используется в медицине и биологии. В строительстве используется обратное явление – перенос жидкости (дисперсионной среды) относительно неподвижных частиц дисперсной фазы под действием электрического поля, которое называется электроосмосом. Течение жидкости через капил- лярно-коллоидную систему вследствие приложенной разности потенциала используется, например, для удаления воды из капиллярных систем, для понижения уровня грунтовых вод при строительстве гидротехнических и дорожных сооружений и т.д.
Частицы коллоидного раствора защищены от слипания друг с другом электрокинетическим потенциалом. Если уменьшить потенциал коллоидной частицы (дзета-потенциал), то коллоидные частицы лишаются этой защиты и происходит их укрупнение, слипание – коагуляция. Чтобы уменьшить дзета-потенциал, к коллоидному раствору можно добавить раствор электролита. Коагулирующей способностью будут обладать те ионы, заряд которых совпадает с зарядом противоионов. Чем больше заряд ионов добавленного электролита, тем меньшее его количество вызовет коагуляцию. Увеличение в растворе концентрации ионов с тем же зарядом способствует вытесне-
56
нию противоионов из диффузного слоя в адсорбционный, при этом противоионы нейтрализуют заряд коллоидной частицы, происходит коагуляция. Наименьшая концентрация электролита, вызывающая коагуляцию, называется порогом коагуляции.
Коагуляцию можно вызвать, смешав два коллоидных раствора с противоположно заряженными частицами. Некоторые золи коагулируют при нагревании.
Золи многих лиофильных коллоидов коагулируют с образованием студней или гелей. Весь золь целиком переходит в плотную массу, захватывая всю дисперсную среду. Так коагулируют желатин и кремниевая кислота. Возможны обратимые переходы золь↔гель. Если переход геля в золь происходит при механическом воздействии (например, встряхивании), а в покое система снова превращается в гель, то это явление называется тиксотропией. Например, тиксотропная коагуляция играет важную роль в процессах твердения вяжущих. Поэтому механическая и вибрационная обработки бетонной массы существенно влияют на ее свойства, особенно на прочность. С течением времени гель может выделять из себя захваченную среду. Это явление называют синерезисом. Процесс синерезиса – это один из этапов твердения неорганических вяжущих веществ.
Золи обладают характерными оптическими свойствами. Благодаря тому, что размер коллоидной частицы соизмерим с длиной волны видимого света, рассеяние света в золях идет за счет дифракции. Сильнее рассеиваются короткие волны, поэтому золи неокрашенных веществ в отраженном свете кажутся голубоватыми, а в проходящем
– желтоватыми. Это явление называется опалесценцией.
Если поместить коллоидный раствор в кювету с прозрачными плоскопараллельными стенками и направить через нее узкий световой луч, то в отраженном свете хорошо виден светлый конус, образованный вследствие рассеяния света на коллоидных частицах. Это явление (эффект Тиндаля) позволяет отличить коллоидные растворы от истинных.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ
Опыт 1. Получение геля кремниевой кислоты.
Налейте в пробирку 2 – 3 мл разбавленного раствора силиката натрия и 3 мл соляной кислоты (2:1). Перемешайте. Наблюдайте об-
57
разование геля кремниевой кислоты. Напишите уравнение реакции и строение коллоидной частицы кремниевой кислоты.
Опыт 2. Получение золя гидроксида железа.
В химическом стаканчике нагрейте до кипения 50 мл дистиллированной воды. В кипящую воду добавьте 3 – 4 капли 2 %-ного раствора хлорида железа FeCl3. Обратите внимание на изменение цвета раствора вследствие образования золя. Напишите, какое строение имеет частица получившегося золя. Этот же опыт проведите, вливая раствор хлорида железа в холодную воду. Какая реакция происходит в этом случае? Золь гидроксида железа сохраните для следующих опытов.
Опыт 3. Коагуляция золя под влиянием электролита.
К части раствора, полученного в опыте 2, прилейте раствор соды Na2CO3 до коагуляции. Объясните наблюдаемое явление.
Опыт 4. Коллоидная защита.
Налейте в 2 пробирки по 5 мл гидрозоля окиси железа. В одну добавьте 2 – 3 мл раствора желатина или крахмального клейстера, а в другую – такой же объем дистиллированной воды. В обе пробирки добавьте по 2 мл раствора соды и перемешайте. Почему коагуляция заметна только в одном случае? Объясните этот опыт, используя понятие о стабилизаторах коллоидных растворов.
Вопросы для самоконтроля
1.Какие системы называются дисперсными?
2.Чем различаются истинные и коллоидные растворы?
3.Объясните, почему коллоидные растворы относительно устойчивы?
4.Напишите схему строения коллоидной частицы золя иодида серебра, полученного в избытке: а) KI; б)AgNO3. К какому электроду будут двигаться коллоидные частицы в том и другом случаях?
5.Что такое коагуляция и какие факторы ее вызывают?
6.Золь гидроксида железа с положительно заряженными частицами коагулирует под действием таких электролитов: NaCl, Na2CO3, Na3PO4. Объем добавленного электролита и его молярная концентрация во всех случаях одинаковы. В каком случае коагуляция идет наиболее эффективно?
58
7. Золь иодида серебра, сформированный в избытке KI, коагулирует под действием следующих электролитов: NaCl, Ca(NO3)2, AlCl3. Объем добавленного электролита и его молярная концентрация постоянны. В каком случае коагуляция проходит наиболее энергично?
8. Как в строительстве используются явления тиксотропии, коагуляции?
Тест для подготовки к экзамену
1.Гомогенной является система
1)лед – вода жидкая – пар;
2)вода – глицерин;
3)растительное масло – песок – вода;
4)известняк – вода.
2.Гетерогенными являются системы
1)поваренная соль – вода;
2)мел – вода;
3)спирт – глицерин – вода;
4)щебень – песок – вяжущее – вода.
3.Размер коллоидных частиц соответствует
1)r 10–5 см;
2)r 10–7 см;
3)10–5 r 10–7 см;
4)r 10–2 .
4.Золь – это
1)коллоидный раствор;
2)истинный раствор;
3)грубодисперсная система;
4)механическая смесь.
5.Коагуляцией называется
1)химическое взаимодействие веществ дисперсной фазы и дисперсионной среды;
2)процесс слипания коллоидных частиц;
3)процесс разложения коллоидных частиц;
4)измельчение коллоидных частиц.
59