Лекция «Коллоидные системы»

1. 
   Предмет и значение коллоидной химии.
   
2. 
   Дисперсные системы.
   
3. 
   Строение коллоидной мицеллы.
   
4. 
   Методы получения лиофобных коллоидов (СР).
   

1. 
   Предмет и значение коллоидной химии.
   

Коллоидная химия является химией реальных тел, поскольку реальные объекты живой и неживой природы, продукты и материалы, создаваемые и используемые человеком, практически всегда находятся в дисперсном состоянии, т. е. содержат в своем составе малые частицы, тонкие пленки, мембраны, волокна с четко выраженными поверхностями раздела. При этом поверхностные явления и дисперсные системы встречаются и далеко пределами Земли. Например, межзвездная материя – это газопылевые облака. Метеорологические явления – грозовые разряды, дождь, снег, град, туман и другие – являются коллоидными процессами.

Коллоидная химия составляет научную основу производства пластических масс, резины, синтетических волокон, клеев, лакокрасочных и строительных материалов, продуктов питания, лекарств и т.п. Практически нет ни одной области промышленности, которая в той или иной степени не имела бы дела с коллоидными системами.

Велика роль коллоидной химии и в решении комплекса задач охраны окружающей среды, включая очистку сточных вод, водоподготовку, улавливание аэрозолей, борьбу с эрозией почв и др.

Коллоидная химия открывает новые подходы к изучению истории земной коры, установлению связей между коллоидно-химическими свойствами почвы и ее плодородием, выяснению условий возникновения жизни, механизмов жизнедеятельности; она является одной из ведущих основ современной биологии, почвоведения, геологии, метеорологии. Вместе с биохимией и физикохимией полимеров она составляет основу учения о возникновении и развитии жизни на Земле. Тот факт, что все живые системы являются высокодисперсными, подчеркивает значение коллоидной химии для развития современной в целом.

Огромно значение коллоидных процессов в сельском хозяйстве (создание дымов и туманов для борьбы с вредителями сельского хозяйства, грануляция удобрений, улучшение структуры почв и т.д.). Кулинарные процессы: старение студней (черствление хлеба, отделение жидкости от киселей, желе и т.п.), адсорбции (осветление бульонов) относятся к коллоидным процессам, которые лежат в основе хлебопечения, виноделия, пивоварения и других пищевых производств.

2. Дисперсные системы.

Дисперсные системы – это такие системы, в которых одно вещество в виде частиц различной величины распределено в другом веществе.

В дисперсных системах различают дисперсную фазу (ДФ) – мелкораздробленное вещество и дисперсионную среду (ДС) – однородное вещество, в котором распределена дисперсная фаза (в мутной воде, содержащей глину, ДФ являются твердые частички глины, а ДС – вода).

Важной характеристикой дисперсных систем является степень дисперсности – средний размер частиц дисперсной фазы.

По степени дисперсности выделяют обычно следующие классы дисперсных систем:

Иногда выделяют молекулярно(ионно)-дисперсные системы, которые, строго говоря, являются истинными растворами, т.е. гомогенными системами, поскольку в них нет поверхностей раздела фаз. Размер частиц дисперсной фазы менее 10^-9 м. Растворенное вещество находится в виде молекул или ионов. Например, растворы электролитов, сахара.

Коллоидные системы, в свою очередь, подразделяются на две группы, резко отличные по характеру взаимодействий между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды – лиофобные коллоидные растворы (золи) и растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), которые ранее называли лиофильными коллоидами.

К лиофобным коллоидам относятся системы, в которых частицы дисперсной фазы слабо взаимодействуют с дисперсионной средой; эти системы могут быть получены только с затратой энергии и устойчивы лишь в присутствии стабилизаторов.

Лиофобные коллоиды и растворы ВМС различаются также и структурой частиц, составляющих дисперсную фазу. Для лиофобных коллоидов единицей структуры является сложный многокомпонентный агрегат переменного состава – мицелла, для растворов ВМС – макромолекула.

Дисперсные системы разделяют на группы, различающиеся по природе и агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды:

- если дисперсионной средой является жидкость, а дисперсной фазой – твердые частицы, система называется взвесью или суспензией;

- если дисперсная фаза представляет собой капельки жидкости, то систему называют эмульсией. Эмульсии, в свою очередь, подразделяют на два типа: прямые, или "масло в воде" (когда дисперсная фаза – неполярная жидкость, а дисперсионная среда – полярная жидкость) и обратные, или "вода в масле" (когда полярная жидкость диспергирована в неполярной).

Среди дисперсных систем выделяют также пены (газ диспергирован в жидкости) и пористые тела (твердая фаза, в которой диспергированы газ либо жидкость). Основные типы дисперсных систем приведены в таблице.

Частицы ДФ в лиофобных коллоидах имеют сложную структуру, зависящую от состава ДФ, ДС и условий получения коллоидного раствора. Необходимым условием получения устойчивых золей является присутствие 3-го компонента, играющего роль стабилизатора.

Дисперсная частица – мицелла состоит из:

1. 
   ядра, находящегося в кристаллическом или жидком состоянии;
   
2. 
   мономолекулярного адсорбционного слоя потенциалопределяющих ионов;
   
3. 
   жидкостной оболочки, более уплотненной у поверхности частицы и постепенно переходящей в обыкновенную дисперсионную среду;
   
4. 
   прочно связанного слоя противоионов, т.е. ионов несущих заряд противоположный знаку заряда потенциалопределяющих ионов;
   
5. 
   диффузионного слоя противоионов, свободно сдвигающихся при электрофорезе или электроосмосе.
   

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:

Коллоидная мицелла золя иодида серебра образована микрокристаллом AgI, который способен к избирательной адсорбции из окружающей среды катионов Ag⁺ или I^-. Для получения устойчивого золя необходимо, чтобы один из электролитов AgNO₃ или KI присутствовали в избытке в качестве стабилизатора.

Если реакция проводится в избытке иодида калия, то кристалл будет адсорбировать I^-; при избытке нитрата серебра микрокристалл адсорбирует ионы Ag⁺. В результате этого микрокристалл приобретает отрицательный либо положительный заряд.

1. Избыток KI

Нерастворимые молекулы AgI образуют ядро коллоидной частицы (мицеллы) m[AgI].

На поверхности ядра адсорбируются ионы I^- (обычно адсорбируются те ионы, которые входят в состав ядра, т.е. в данном случае Ag⁺ или I^-), сообщающие ему отрицательный заряд. Они достраивают кристаллическую решетку ядра, прочно входя в его структуру, образуя адсорбционный слой m[AgI] · nI^– . Ионы, адсорбирующиеся на поверхности ядра и придающие ему соответствующий заряд, называются потенциалопределяющими ионами.

Адсорбированные потенциалопределяющие ионы притягивают из раствора ионы противоположного знака противоионы (К⁺), причем часть их (n-x) адсорбируется на частице {m[AgI] · nI^– · (n-x)K⁺}^x– . Ядро + адсорбционный слой = гранула.

Оставшаяся часть противоионов образует диффузный слой ионов.

Ядро с адсорбционным и диффузными слоями представляет мицеллу.

Схематически мицелла золя иодида серебра, полученного в избытке иодида калия (потенциалопределяющие ионы – анионы I^–, противоионы – ионы К⁺) может быть изображена следующим образом:

{m[AgI] · nI^– · (n-x)K⁺}^x– · xK⁺

2. При получении золя иодида серебра в избытке нитрата серебра коллоидные частицы будут иметь положительный заряд: