9.1. загальні положення
Системи, в яких одна складова частина розподілена в мелкораздробленном стані в середовищі іншої, називаються дисперсними.
Складова частина, розподілена у вигляді окремих дрібних твердих частинок, крапельок рідини або бульбашок газу, становить дисперсную фазу,
а інша частина, що оточує частинки дисперсної фази, називається дисперсійним середовищем.
Дими і тумани в повітрі, суспензії глини і піску в воді, колоїдні системи, що містять частинки, більші, ніж звичайні молекули, і, нарешті, справжні розчини - молекулярні або іонні - все це різні дисперсні системи.
Залежно від розміру часток дисперсної фази системи діляться на
а) Грубодисперсні (суспензії) - діаметр частинок більше 10 -5 см;
б) колоїдно-дисперсні (золи) - 10 -5 - 10 -7 см;
в) істинні розчини - розмір часток менше 10 -7 см.
Суспензії можуть існувати у вигляді суспензій або емульсій. У першому випадку тверда речовина зважено в рідини (крейда в воді), у другому - рідка речовина в рідини (жир у воді).
Частинки грубодисперсних систем помітні візуально і, якщо вони розподілені в рідині або газі, то поступово осідають або спливають.
У колоїдних системах дисперсна фаза нерастворима в дисперсійному середовищі і відділена від неї поверхнею розділу; таким чином, колоїдні системи є гетерогенними системами на відміну від істинних розчинів, які є однорідними, однорідними. Якщо дисперсійнаСереда - рідина, а дисперсна фаза - тверда речовина, колоїдна система називається золем; якщо дисперсна фаза - рідина, система називається емульсією.
Високорозвинена поверхня розділу між дисперсною фазою і дисперсійним середовищем в колоїдних системах створює великий надлишок поверхневої енергії. Тому зі збільшенням дисперсності (або питомої поверхні) колоїдні системи стають менш стійкими. Вони завжди прагнуть до мимовільного зменшення міжфазної поверхні, тобто до зниження дисперсності: частинки укрупнюються, утворюючи більші агрегати.
Властивість колоїдних систем збільшувати розмір часток шляхом їх агрегації називається агрегативной нестійкістю.
Для отримання стійкої колоїдної системи необхідна присутність в системі стабілізатора. У більшості випадків стабілізатором є електроліт, що знаходиться в розчині. Один з іонів електроліту адсорбується на поверхні колоїдних частинок, повідомляючи їм однойменний заряд, що перешкоджає їх агрегатування (злипання). Іони протилежного знака знаходяться в дисперсійному середовищі.
9.2. Отримання колоїдних систем
Завдяки тому, що колоїдні системи займають проміжне положення між грубодисперсними і молекулярно-дисперсними системами, їх можна отримати принципово різними методами.
а) дисперсійні методи: дроблення більших за розміром частинок до колоїдної ступеня дисперсності механічним подрібненням частинок, електричним диспергированием і ультразвуковим методом;
б) конденсаційні методи: укрупнення частинок шляхом з'єднання (конденсації) атомів і молекул в агрегати з колоїдно-дисперсної ступенем дисперсності; до цієї групи методів відносять отримання золів конденсацією парів, заміною розчинника та за допомогою різних хімічних реакцій (метод хімічної конденсації).
Основні умови. необхідні для отримання і тривалого зберігання колоїдних систем, незалежно від способів їх отримання, такі:
1) нерозчинність частинок дисперсної фази в дисперсійному середовищі;
2) досягнення колоїдної ступеня дисперсності (10 --5 - 10 --7 см) частинками дисперсної фази;
3) наявність в системі третього компонента - стабілізатора, який повідомляє системі агрегатівную стійкість.
9.3. Будова мицелл золів
В даний час загальноприйнятою теорією будови колоїдних частинок є мицеллярная теорія, згідно з якою міцела - це агрегат молекул і іонів, що складається з ядра і подвійного електричного шару. А подвійний електричний шар складається з адсорбційного шару родинних іонів і противоионов і дифузного шару протиіонів. Міцела електронейтральна, тому що в ній число позитивних іонів дорівнює числу негативних. В електричному полі колоїдні частки переміщаються з постійною швидкістю до одного з електродів. тому мають однойменною зарядом (або позитивним, або негативним). Наявність однойменного заряду у всіх частинок даного золю є важливим фактором його стійкості. Заряд перешкоджає злипанню, укрупнення і випадання в осад колоїдного речовини.
Найчастіше причиною виникнення заряду є процес адсорбції іонів того чи іншого знака поверхнею частинок. За правилом Пєскова-Фаянсу: на будь-який твердої поверхні будуть адсорбуватися ті іони, які мають з цією поверхнею загальну споріднену атомну угруповання і знаходяться в розчині в надлишку.
Приклад 1. Прикладом отримання золю методом подвійного обміну може служити реакція 2H3 AsO3 + 3H2 S à As2 S3 + 6H2 O. в разі, якщо одне з речовин взято в надлишку (воно буде виконувати роль стабілізатора), а інше - в нестачі (що запобігає зростання зародків колоїдних частинок до великих розмірів). При надлишку, наприклад, H2 S, йде реакція
У даних умовах молекули As2 S3. конденсуючись, утворюють ядро міцели m [As2 S3].
Відомо, що речовина, яка береться в надлишку, є стабілізатором. В даному случаe їм буде H2 S. яка дисоціює за рівнянням:
За правилом Пєскова-Фаянсу на ядрі m [As2 S3] будуть адсорбуватися іони nHS - (як родинні і знаходяться в розчині в надлишку). Ці іони щільно прилягають до ядра і називаються потенціалопределяющего. Вони визначають напрямок руху колоїдної частинки при електролізі.
Далі негативно заряджені іони HS - притягують з розчину частина знаходяться в надлишку іонів Н +. утворюють адсорбційний шар протиіонів (n-x) H +.
Ядро m [As2 S3], адсорбційний шар іонів nHS - і противоионов
(N-х) Н + утворюють гранулу, яка несе негативний заряд, тому що іонів nHS - більше, ніж (n-х) H + на число х.
Інша частина протиіонів ХН + утворюють дифузну частина подвійного електричного шару, навколишнього ядро міцели.
Схема будови міцели золю сульфіду миш'яку:
| <ядро>| <адсорбционный>| <диффузный |
В електричному полі гранула, що має негативний заряд, переміщається до анода, а протівоіони - до катода.
9.4. явище коагуляції
Коагуляція - процес злипання частинок з утворенням більш великих агрегатів. Зовні коагуляція проявляється в помутнінні золю, в зміні забарвлення золю, в випаданні твердої фази в осад або в освіті студнеобразной маси.
Коагуляція відбувається внаслідок зменшення електрокінетичного
(Або потенціалу або внаслідок втрати сольватной оболонки.
Коагуляцію колоїдних розчинів можна викликати нагріванням, заморожуванням, інтенсивним перемішуванням, додатком до золю електроліту.
Найбільш вивчена коагуляція при додаванні до золю електролітів. Коагуляція електролітами підпорядковується правилам Шульце-Гарді, які можна сформулювати наступним чином:
1) коагуляцію викликає іон, заряджений протилежно гранулі золю;
2) чим більше заряд коагулюючого іона, тим сильніше його коагулююча дія.
Мінімальна кількість електроліту, додаємо до золю, яке може викликати коагуляцію золю, називають порогом коагуляції С (пор) моль / л.
Приклади розв'язання задач
Приклад 2. Визначення заряду колоїдних частинок.
Золь йодиду срібла AgJ отриманий при додаванні до 0,02 л 0,01н. розчину KJ 0,028 л 0,005 н. AgNO3. Визначте заряд отриманого золю і напишіть формулу його міцели.
При змішуванні розчинів AgNO3 і KJ протікає реакція:
Визначаємо кількості AgNO3 і KJ, що беруть участь в реакції:
Розрахунок показує, що в розчині надлишок KJ, отже, ядром колоїдних частинок золю йодиду срібла будуть адсорбуватися іони J - і частки золю набувають негативний заряд. Протиіонами є іони К +. Формула міцели золю йодиду срібла за умови надлишку KJ має вигляд:
Приклад 3. Визначення мінімального обсягу електроліту, необхідного для отримання золю.
Який обсяг 0,002 н. розчину BaCl2 треба додати до 0,03 л 0,0006 н.Al2 (SO4) 3. щоб отримати позитивно заряджені частинки золю сульфату барію. Напишіть формулу міцели золю BaSO4.
Освіта золю BaSO4 відбувається за рівнянням:
Якщо речовини беруть участь в стехіометричних співвідношеннях, то для реакції необхідно:
(Л) розчину BaCl2
Для отримання позитивних частинок золю BaSO4 в розчині повинен бути надлишок хлориду барію в порівнянні з сульфатом алюмінію. Отже, для реакції потрібно взяти більше 0,009 л 0,002 н. розчину BaCl2.
Формула міцели золю сульфату барію:
Приклад 4. Обчислення порога коагуляції електроліту з урахуванням його концентрації.
У кожну з трьох колб налито по 0,01 л золю хлориду срібла. Для коагуляції цього золю в першу колбу додано 0,002 л 1 н. NaNO3. в другу - 0,012 л. 0,01н. Сa (NO3) 2; в третю - 0,007 л. 0,001н. Al (NO3) 3. Обчисліть пороги коагуляції електролітів, визначте знак заряду частинок золю.
Мінімальна кількість електроліту, що додається до золю, яке може викликати коагуляцію золю, називається порогом коагуляції Суперечка (ммоль / л). Поріг коагуляції може бути розрахований за формулою:
де СЕ - еквівалентна концентрація електроліту (моль / л);
VЕл. VЗ - відповідно обсяги електроліту і зола, л.
Обчислюємо пороги коагуляції додаються електролітів:
Додаються електроліти - NaNO3. Ca (NO3) 3 і Al (NO3) 3 Cодержат аніон NO3 - і катіони Na +. Ca 2+. Al 3+ різної зарядності. Найменший поріг коагуляції у Al (NO3) 3. отже, частки золю хлориду срібла заряджені негативно.
Приклад 5. Розрахунок порога коагуляції.
Нехай молярна концентрація вихідного електроліту буде дорівнює С, обсяг його, що викликав коагуляцію, V; тоді число миллимолей електроліту:
Поріг коагуляції відноситься до одного літра золю, і якщо для його визначення було взято w мл золю, то величина порога коагуляції буде: