одинаковая. Например, золи золота могут быть синими, фиолетовыми, вишневыми, рубиново-красными.
Вотличие от истинных растворов для золей характерен эффект Тиндаля, т. е. дифракционное рассеяние света коллоидными частицами. При пропускании через золь пучка света появляется светлый конус, видимый в затемненном помещении. Так можно распознать, является данный раствор коллоидным или истинным.
Одним из важных свойств золей является то, что их частицы имеют электрические заряды одного знака. Благодаря этому они не соединяются в более крупные частицы и не осаждаются. При этом частицы одних золей, например металлов, сульфидов, кремниевой и оловянной кислот, имеют отрицательный заряд, других, например гидроксидов, оксидов металлов, — положительный заряд. Возникновение заряда объясняется адсорбцией коллоидными частицами ионов из раствора.
Коллоидные частицы настолько малы, что направление их движения непрерывно изменяется в результате случайных столкновений с молекулами дисперсионной среды, в которой они находятся.
Врезультате частицы движутся по непредсказуемой зигзагообразной траектории. Это явление в 1827 г. впервые наблюдал британский учёный Роберт Броун в воде с частицами цветочной пыльцы. Его имя и легло в основу названия «броуновское движение», а затем основные положения теории этого явления и его макроскопического проявления - диффузии - были разработаны Альбертом Эйнштейном и экспериментально подтверждены французским физиком Жаном Перреном.
Коллоидные системы являются основными компонентами живых организмов, в том числе человека. В науке существует отдельное направление – коллоиднохимическая физиология человека, - изучающее функционирование систем организма, образующих коллоидные соединения. Нарушение коллоидных свойств биологических жидкостей приводит к возникновению различных заболеваний. Например, в крови образуются тромбы, и, как следствие, может произойти инсульт или инфаркт. В желчи и моче образуются
141
камни, в суставной ткани - выпадение солей мочевой кислоты (подагра).
Условия образования коллоидных растворов:
1.Наличие лиофобного растворителя.
2.Малая концентрация частиц ДФ (1-2%).
3.Наличие в системе стабилизаторов – веществ, препятствующих процессу самопроизвольного укрупнения коллоидных частиц и поддерживающих устойчивость системы. Роль стабилизаторов выполняют электролиты, ПАВ, ВМС.
Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между истинными растворами (молекулярноили ионно-дисперсными системами)
игрубодисперсными системами. Поэтому коллоидные растворы могут быть получены либо путем ассоциации (конденсации) молекул и ионов истинных растворов, либо дальнейшим раздроблением частиц дисперсной фазы грубодисперсных систем.
Методы получения коллоидных растворов также можно разделить на две группы: методы конденсации и диспер-
гирования.
Дисперсионные методы
Дисперсионные методы основаны на раздроблении твердых тел до частиц коллоидного размера и образовании, таким образом, коллоидных растворов. Процесс диспергирования осуществляется различными методами. В зависимости от способа измельчения различают:
1.Физическое диспергирование
1.1.Механическое диспергирование - механическое размалывание твердого вещества в т.н. коллоидных мельницах;
1.2.Электрическое диспергирование - электродуговое распыление металлов;
1.3.Ультразвуковое диспергирование - дробление вещества при помощи ультразвука.
2. Химическое диспергирование (пептизация) - химическое разъединение частиц ДФ путем неполного растворения осадка.
142
Конденсационные методы
Конденсационные методы основаны на объединении молекул (ионов) в более крупные коллоидные частицы. Различают физическую и химическую конденсацию.
1. Физическая конденсация
1.1.Пары вещества конденсируются при охлаждении в более крупные частицы жидкого или твердого вещества
1.2.Вещество, находящееся в молекулярно-дисперсном состоянии, можно перевести в коллоидное состояние при замене одного растворителя другим – т.н. методом замены растворителя. Молекулы растворенного вещества, находящегося
всостоянии молекулярной дисперсности в одном растворителе, попадая в условия плохой растворимости при замене растворителя, начинают конденсироваться в более крупные коллоидные частицы. В качестве примера можно привести получение золя канифоли (или йода), которая не растворяется в воде, но хорошо растворима в этаноле. При постепенном добавлении спиртового раствора канифоли (или йода) к воде происходит резкое понижение растворимости канифоли, в результате чего образуется коллоидный раствор канифоли в воде. Аналогичным образом может быть получен гидрозоль серы.
2. Химическая конденсация Коллоидные растворы можно получать методом
химической конденсации, основанном на проведении химических реакций, сопровождающихся образованием нерастворимых или малорастворимых веществ. Для этой цели используются различные типы реакций.
1.1.Рекции ионного обмена, когда два сложных вещества обмениваются составными частями. При этом берется избыток одного из реагирующих веществ, которое выполняет роль стабилизатора
1.2.Реакции гидролиза – взаимодействия соли с водой с образованием слабого электролита. При этом роль стабилизатора выступает соль, подвергающаяся гидролизу
1.3.Окислительно-восстановительные реакции.
143
Строение структурной единицы лиофобных коллоидов – мицеллы – может быть показано лишь схематически, поскольку мицелла не имеет определенного состава. Рассмотрим строение коллоидной мицеллы на примере гидрозоля иодида серебра, получаемого взаимодействием разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия (метод химической конденсации по реакции обмена):
AgNO3+ KI → AgI + KNO3
Если исходные вещества взяты в эквивалентных отношениях и концентрация их велика, коллоидного раствора не получится. Образуется осадок AgI. Если взять одно из исходных веществ в избытке, оно будет выполнять роль стабилизатора. При этом видимого глазу осадка не образуется, а получается
ультрагетерогенная коллоидная |
система, состоящая из |
микрокристаллов AgI. |
|
Если образование коллоидной частицы происходит в результате реакции обмена, то
1.Чтобы не выпал осадок одно из исходных веществ берется в избытке.
2.То вещество, которое взято в избытке является стабилизатором.
3.То вещество, которое должно выпасть в осадок входит в состав ядра коллоидной частицы.
Например, возьмем в избытке нитрат серебра
AgNO3(избыток) + KI → AgI(микрокристаллы) + KNO3
Запишем уравнение диссоциации стабилизатора. Учтем, что в растворе присутствует n моль AgNO3.
nAgNO3→ nAg+ + nNO3-
Ионы стабилизатора избирательно адсорбируются на поверхности микрокристаллов согласно правилам ПанетаФаянса. Коллоидная мицелла золя иодида серебра (см. рис. 1) образована микрокристаллом иодида серебра, который способен к избирательной адсорбции из окружающей среды катионов Ag+
или йодид-ионов. По первому правилу Панета-Фаянса на поверхности полярного сорбента в первую очередь адсорбируются ионы, входящие в состав кристаллической решетки сорбента. Поскольку реакция проводится в избытке нитрата серебра на поверхности микрокристалла, в первую
144
очередь адсорбируются ионы Ag+. В результате этого микрокристалл приобретает положительный заряд; ионы, сообщающие ему этот заряд, называются потенциалопределяющими (ПОИ). Они придают поверхности ядра заряд. Далее по второму правилу Панета-Фаянса на заряженной поверхности из раствора адсорбируются ионы с противоположным зарядом – противоионы; на поверхности раздела фаз образуется двойной электрический слой. Некоторая часть противоионов адсорбируется на заряженной поверхности ядра, образуя вместе с потенциалопределяющими ионами т.н. адсорбционный слой; ядро вместе с адсорбционным слоем называют коллоидной частицей или гранулой. Остальные противоионы, число которых определяется, исходя из правила электронейтральности мицеллы, составляют диффузный слой противоионов; противоионы адсорбционного и диффузного слоев находятся в состоянии динамического равновесия адсорбции – десорбции.
Обозначения, применяемые при схематической записи мицеллы
mAgI – ядро мицеллы(микрокристалл), нерастворимый в воде агрегат
n – число потенциалопределяющих ионов Ag+ стабилизатора AgNO3
nAg+ - слой потенциалопределяющих ионов, определяют знак заряда гранулы
(n-х) – число противоионов NO3-стабилизатора AgNO3 (n-х) NO3- - слой противоионов
х –количество ионов NO3- , которое на ядре не адсорбируется, а располагается в ДС в качестве диффузионного слоя.
хNO3- - диффузный слой. Ионы Ag+ и часть ионов NO3- адсорбируется на ядре, сообщая грануле заряд «х+», что обуславливает агрегативную устойчивость. Заряд гранулы противоположен заряду диффузионной части мицеллы. В целом мицелла электронейтральна.
уН2О - гидратная оболочка Схематически мицелла золя иодида серебра,
полученного в избытке нитрата серебра может быть изображена
145