Лекция 13. Дисперсные системы. Коллоидные растворы
Дисперсные системы. Основные типы дисперсных систем. Коллоидные растворы. Гидрофильные и гидрофобные коллоиды. Методы получения: дисперсионные, конденсации, замены растворителя. Свойства коллоидных растворов: оптические, кинетические, электрические. Агрегативная устойчивость и коагуляция золей. Коллоидные растворы в природе и технике.
Гомогенные однофазные растворы называют истинными. Дисперсные (раздробленные) системы являются гетерогенными. Они состоят из сплошной непрерывной фазы – дисперсионной среды и находящихся в этой среде раздробленных частиц того или иного размера и формы – дисперсной фазы.
Обязательным условием получения дисперсных систем является взаимная нерастворимость диспергируемого вещества и дисперсионной среды. Например, нельзя получить коллоидные растворы сахара или хлорида натрия в воде, но они могут быть получены в керосине или в бензоле, в которых эти вещества практически нерастворимы.
Таблица 5
Основные типы дисперсных систем
Тип дисперсной системы
| Фазовое состояние | Примеры
| |
дисперсионной среды | дисперсной фазы | ||
Аэрозоль Аэрозоль Пена Эмульсия Золь Твердая эмульсия Гель | Газ Газ Жидкая Жидкая Жидкая Твердая Твердая | Жидкая Твердая Газ Жидкая Твердая Жидкая Жидкая | Туман, облака Дым, пыль Взбитые сливки, мыльная пена Молоко, майонез, латекс Краски Масло Желе, агар-агар |
Из коллоидных систем наибольшее значение для химического анализа имеют гидрозоли — двухфазные микрогетерогенные дисперсные системы, характеризующиеся предельно высокой дисперсностью, в которых дисперсионной средой является вода — наиболее часто применяемый в аналитической практике растворитель. Встречаются также органозоли, в которых дисперсионной средой являются неводные (органические) растворители.
При образовании геля вся дисперсионная среда (например, вода в гидрозоле) прочно связывается поверхностью частиц дисперсной фазы и в ячейках пространственной структуры геля. Гели способны обратимо восстанавливать свою пространственную структуру во времени, но после высушивания наступает разрушение их структуры, и они теряют эту способность.
Дисперсные системы могут быть свободнодисперсными и связнодисперсными в зависимости от отсутствия или наличия взаимодействия между частицами дисперсной фазы. К свободнодисперсным системам относятся аэрозоли, лиозоли, разбавленные суспензии и эмульсии. Они текучи. В этих системах частицы дисперсной фазы не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием силы тяжести. Связнодисперсные системы – твердообразны, они возникают при контакте частиц дисперсной фазы, приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки. Такая структура ограничивает текучесть дисперсной системы и придаёт ей способность сохранять форму. Подобные структурированные коллоидные системы называют гелями. Переход золя в гель, происходящий в результате понижения устойчивости золя, называют гелеобразованием (или желатинированием). Сильно вытянутая и плёночно-листочковая форма дисперсных частиц повышает вероятность контакта между ними и благоприятствует образованию гелей при малой концентрации дисперсной фазы. Порошки, концентрированные эмульсии и суспензии (пасты), пены – примеры связнодисперсных систем. Почва, образовавшаяся в результате контакта и уплотнения дисперсных частиц почвенных минералов и гумусовых (органических) веществ, также представляет собой связнодисперсную систему.
Коллоидные системы – системы, размер частиц дисперсной фазы в которых составляет 10-7 – 10-9 м. В области размеров коллоидных частиц (100 ммк– 1 ммк) степень дисперсности вещества (т. е. отношение поверхности к объему) огромна. В связи с этим для коллоидов особенно характерны все процессы, протекающие на поверхности раздела двух фаз, в частности, адсорбция. Поверхностный слой характеризуется поверхностной энергией и способностью адсорбировать те или иные частицы, в том числе ионы из раствора. Характерной особенностью коллоидных частиц является наличие на их поверхности заряда, обусловленного избирательной адсорбцией ионов. Коллоидная частица имеет сложное строение. Она включает себя ядро, адсорбированные ионы, противоионы и растворитель.
Существуют лиофильные (гидрофильные) коллоиды, в которых растворитель взаимодействует с ядрами частиц, и лиофобные (гидрофобные) коллоиды, в которых растворитель не взаимодействует с ядром частиц. Растворитель входит в состав гидрофобных частиц лишь как сольватная оболочка адсорбированных ионов или при наличии стабилизаторов (ПАВ), имеющих лиофобную и лиофильные части. Гидрофильные коллоидные растворы приближаются по свойствам и истинным растворам. Это, как правило, золи органического происхождения. Коллоидные растворы большинства неорганических веществ имеют гидрофобный характер.
Термин «коллоиды», что означает «клееподобные» (от греч. «колла» - клей, «еидос» - вид), возник в 1861 г., когда шотландский химик Томас Грэм для разделения веществ применил диализ (рис. ). Метод диализа основан на неодинаковой способности компонентов растворов к диффузии через тонкие пленки – мембраны (из целлофана, пергамента, нитроцеллюлозы, ацетилцеллюлозы). Этот метод широко применяют для очистки коллоидных растворов и растворов высокомолекулярных соединений. Вещества, не проникающие через мембраны при диализе, Грэм назвал коллоидами, а вещества, способные к диализу, – кристаллоидами, так как при выпаривании их растворов образовывались кристаллические осадки.
Рис 12. Схема диализа:
1-внутренний диализируемый раствор; 2- наружная жидкость; 3-диализационная мембрана (через ее поры проходят только низкомолекулярные вещества); 4 - шкив для вращения мембраны с внутренним раствором.
Деление веществ на кристаллоиды и коллоиды оказалось ошибочным. П. П. Веймарн, доцент Петербургского горного института, получил ряд типичных «кристаллоидов» в коллоидном состоянии, тем самым, доказав (1906 г.), что любое вещество при подходящих условиях может быть получено в коллоидном состоянии.
Примеры коллоидных частиц:
Как видно, ядро состоит из электронейтрального агрегата частиц с адсорбированными ионами элементов, входящих в состав ядра (в данных примерах ионами Ag+, HS-, Fe3+). Коллоидная частица кроме ядра имеет противоионы и молекулы растворителя. Адсорбированные ионы и противоионы с растворителем образуют адсорбированный слой. Суммарно заряд частицы равен разности зарядов адсорбированных ионов и противоионов. Вокруг частиц находится диффузный слой ионов, заряд которых равен заряду коллоидной частицы. Коллоидная частица и диффузный слой образуют электронейтральную мицеллу.
Адсорбции ионов является специфической: катионы и анионы адсорбируются в разной степени; это зависит от химической природы адсорбента и электролита. Предсказать, какие ионы будут адсорбироваться предпочтительнее, можно, пользуясь правилом Панета-Фаянса: На поверхности твердого тела адсорбируются ионы, входящие в состав кристаллической решетки либо изоморфные им.
Следовательно, из раствора избирательно адсорбируются те ионы, которые могут достраивать кристаллическую решетку. Рассмотрим некоторые примеры.
Пример 1. С целью получения осадка или золя иодида серебра подействовали избытком иодида калия на раствор нитрата серебра.
AgNO3+ KI(изб.) = AgI↓ + KNO3
После образования осадка или коллоидных частиц в растворе останется избыток ионов К+ и I-. В соответствии с правилом Панета-Фаянса на межфазной поверхности будут адсорбироваться ионы I-, поскольку такие ионы входят в состав кристаллической решетки. Ионы I- прочно адсорбируются на поверхности, благодаря чему поверхность приобретает отрицательный заряд. Поэтому специфически адсорбирующиеся ионы называют потенциалопределяющими: от них зависят знак и величина потенциала поверхности. К отрицательно заряженной поверхности притягиваются оставшиеся в растворе ионы К+ — образуется двойной электрический слой. Внутреннюю обкладку двойного слоя образуют ионы I-, а наружную — непрочно связанные ионы К+, называемые проти-воионами.
Пример 2. Золь иодида серебра был получен в результате действия избытка нитрата серебра на раствор иодида калия.
В этом случае, в соответствии с правилом Панета-Фаянса, на поверхности частиц будут адсорбироваться ионы Ag+, которые будучи потенциалобразующими ионами, обусловят положительный заряд частиц. Наружную обкладку двойного слоя создадут менее прочно связанные с поверхностью частиц нитрат-ионы.
Пример 3. При взаимодействии раствора серной кислоты с избытком хлорида бария получен золь сульфата бария:
H2SO, + ВаС12 (изб.)_= BaSO4↓ + 2HC1
В данном случае потенциалопределяющими являются ионы Ва2+, которые образуют положительно заряженную внутреннюю обкладку двойного слоя, отрицательно заряженные противоионы Сl- образуют наружную обкладку.
Твердая фаза относительно жидкой будет заряжена положительно.
- Е.С. Денисова
- Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство морского и речного транспорта___
- Е.С. Денисова
- Раздел 1. Общая и неорганическая химия Лекция 1. Количественные законы химии и стехиометрические расчёты
- Лекция 2. Строение атома и периодическая система Менделеева
- Электронные конфигурации атомов элементов Периодической системы.
- Периодическая система д.И. Менделеева
- Лекция 3. Химическая связь
- Металлическая связь
- Водородная связь
- Лекция 4. Химия элементов
- Химия s- элементов
- Химия р- элементов
- Атомы элементов подгруппы в основном состоянии имеют следующее строение внешней электронной оболочки: ns2np2 , в возбужденном ns1np3.
- Характеристика элементов главной подгруппы V группы Атомы элементов подгруппы имеют следующее строение внешней электронной оболочки: ns2np3.
- Лекция 5. Основные классы неорганических соединений
- Кислоты
- Основания или гидроксиды металлов
- Раздел 2. Физическая химия Лекция 6. Энергетика химических процессов
- Скорость химической реакции
- Химическое равновесие
- Лекция 8. Растворы
- Растворы электролитов
- Гидролиз солей
- Лекция 9. Окислительно-восстановительные реакции
- Лекция 10. Электролиз как окислительно-восстановительный процесс
- Теоретическое обоснование процессов электролиза.
- Равен 2,010 в, что значительно превышает стандартный потенциал окисления воды (1,228 в). Стандартный потенциал окисления иона f- имеет ещё большее значение (2,87 в).
- Лекция 11. Коррозия металлов и методы защиты от коррозии
- Раздел 3. Коллоидная химия Лекция 12. Поверхностные явления и адсорбция
- Лекция 13. Дисперсные системы. Коллоидные растворы
- Методы получения лиофобных коллоидов.
- Свойства коллоидных растворов
- Ответ: для коагуляции требуется 0,17 мл раствора сульфата алюминия. Коллоидные растворы в природе и технике.
- Качественный анализ вещества
- Примеры качественных реакций на катионы
- Примеры качественных реакций на анионы
- Лекция 15. Количественный анализ вещества
- Инструментальные методы анализа
- Раздел 5. Высокомолекулярные соединения Лекция 16. Полимеры
- Общая характеристика и классификация
- Методы получения полимеров
- Свойства полимеров
- Лекция 17. Применение полимеров
- Углеводы
- Нуклеотиды Известно четыре нуклеотида, которые называются аденин, гуанин, тимин, цитозин и урацил, они являются азотистыми основаниями.
- Библиографический список
- 644099, Г. Омск, ул. И. Алексеева, 4
- 644012, Г. Омск, ул. 9 Дунайская, 20