Лекція «Колоїдні системи»
план:
Предмет і значення колоїдної хімії.
Дисперсні системи.
Будова колоїдної міцели.
Методи отримання ліофобних колоїдів (СР).
Поверхневі явища - це наука про дисперсних системах і поверхневих явищах. що виникають на кордонах розділу фаз.
Поверхневі явища є хімією реальних тел. оскільки реальні об'єкти живої і неживої природи, продукти і матеріали, що створюються і використовуються людиною, практично завжди знаходяться в дисперсному стані. т. е. містять в своєму складі малі частинки, тонкі плівки, мембрани, волокна з чітко вираженими поверхнями розділу. При цьому поверхневі явища і дисперсні системи зустрічаються і далеко межами Землі. Наприклад, міжзоряне матерія - це газопилові хмари. Метеорологічні явища - грозові розряди, дощ, сніг, град, туман і інші - є колоїдними процесами.
Поверхневі явища становить наукову основу виробництва пластичних мас. гуми, синтетичних волокон, клеїв, лакофарбових і будівельних матеріалів, продуктів харчування, ліків і т.п. Практично немає жодної галузі промисловості, яка в тій чи іншій мірі не мала б справи з колоїдними системами.
Велика роль колоїдної хімії та в рішенні комплексу завдань охорони навколишнього середовища. включно з очищенням стічних вод, водопідготовку, уловлювання аерозолів. боротьбу з ерозією грунтів та ін.
Поверхневі явища відкриває нові підходи до вивчення історії земної кори, встановлення зв'язків між колоїдно-хімічними властивостями грунту і її родючістю, з'ясування умов виникнення життя, механізмів життєдіяльності; вона є однією з провідних засад сучасної біології. ґрунтознавства, геології, метеорології. Разом з біохімією і фізикохімії полімерів вона становить основу вчення про виникнення і розвитку життя на Землі. Той факт, що всі живі системи є високодисперсними, підкреслює значення колоїдної хімії для розвитку сучасної в цілому.
Величезне значення колоїдних процесів в сільському господарстві (створення димів і туманів для боротьби зі шкідниками сільського господарства. Грануляція добрив, поліпшення структури грунтів і т.д.). Кулінарні процеси: старіння холодців (черствленіе хліба, відділення рідини від киселів, желе і т.п.), адсорбції (освітлення бульйонів) відносяться до колоїдних процесів, які лежать в основі хлібопечення, виноробства, пивоваріння та інших харчових виробництв.
2. Дисперсні системи.
Дисперсні системи - це такі системи, в яких одна речовина у вигляді частинок різної величини розподілено в іншу речовину.
У дисперсних системах розрізняють дисперсну фазу (ДФ) - мелкораздробленного речовина і дисперсійне середовище (ДС) - однорідна речовина. в якому розподілена дисперсна фаза (в каламутній воді, що містить глину, ДФ є тверді частинки глини, а ДС - вода).
Важливою характеристикою дисперсних систем є ступінь дисперсності - середній розмір часток дисперсної фази.
За ступенем дисперсності виділяють зазвичай такі класи дисперсних систем:
Грубодисперсні системи - системи, розмір часток дисперсної фази в яких перевищує 10 -7 м (суспензії і емульсії).
Колоїдні системи - системи, розмір часток дисперсної фази в яких становить 10 -7 - 10 -9 м. Це мікрогетерогенні системи з добре розвиненою поверхнею розділу між фазами. Їх частки не осідають під дією сили тяжіння, проходять через паперові фільтри, але затримуються рослинними і тваринними мембранами. Наприклад, розчини білків. грунтові колоїди і т.д.
Іноді виділяють молекулярно (іонно) -дісперсние системи, які, строго кажучи, є істинними розчинами. тобто гомогенними системами, оскільки в них немає поверхонь розділу фаз. Розмір частинок дисперсної фази менше 10 -9 м. Розчинене речовина знаходиться у вигляді молекул або іонів. Наприклад, розчини електролітів, цукру.
Колоїдні системи, в свою чергу. підрозділяються на дві групи, різко відмінні за характером взаємодій між частинками дисперсної фази і дисперсійного середовища - ліофобні колоїдні розчини (золі) і розчини високомолекулярних сполук (ВМС), які раніше називали ліофільними колоїдами.
До ліофобних колоїдів відносяться системи, в яких частинки дисперсної фази слабо взаємодіють з дисперсійним середовищем; ці системи можуть бути отримані тільки з витратою енергії і стійкі лише в присутності стабілізаторів.
Розчини ВМС утворюються спонтанно завдяки сильному взаємодії частинок дисперсної фази з дисперсійним середовищем і здатні зберігати стійкість без стабілізаторів.
Ліофобні колоїди та розчини ВМС відрізняються також і структурою частинок. складових дисперсну фазу. Для ліофобних колоїдів одиницею структури є складний багатокомпонентний агрегат змінного складу - міцела. для розчинів ВМС - макромолекула.
Дисперсні системи поділяють на групи, що розрізняються за своєю природою і агрегатному стані дисперсної фази і дисперсійного середовища:
- якщо дисперсійним середовищем є рідина, а дисперсною фазою - тверді частинки, система називається суспензією або суспензією;
- якщо дисперсна фаза являє собою крапельки рідини. то систему називають емульсією. Емульсії, в свою чергу, поділяють на два типи: прямі. або "масло в воді" (коли дисперсна фаза - неполярная рідина, а дисперсійне середовище - полярна рідина) і зворотні. або "вода в маслі" (коли полярна рідина дисперговані в неполярной).
Серед дисперсних систем виділяють також піни (газ диспергирован в рідини) і пористі тіла (тверда фаза, в якій дисперговані газ або рідина). Основні типи дисперсних систем наведені в таблиці.
3.Строеніе колоїдної міцели.
Частинки ДФ в ліофобних колоїдах мають складну структуру, що залежить від складу ДФ. ДС і умов отримання колоїдного розчину. Необхідною умовою отримання стійких золів є присутність 3-го компонента, що грає роль стабілізатора.
Дисперсная частка - міцела складається з:
ядра. що знаходиться в кристалічному або рідкому стані;
мономолекулярного адсорбційного шару потенциалопределяющих іонів;
рідинної оболонки, більш ущільненої у поверхні частинки і поступово переходить в звичайну дисперсійне середовище;
міцно пов'язаного шару протиіонів. тобто іонів несучих заряд протилежний знаку заряду потенциалопределяющих іонів;
дифузійного шару протиіонів, вільно зрушуються при електрофорезі або електроосмос.
Вся така система називається міцели.
Будова структурної одиниці ліофобних колоїдів - міцели - може бути показано лише схематично, оскільки міцела не має певного складу. Розглянемо будову колоїдної міцели на прикладі гідрозолі йодиду срібла. одержуваного взаємодією розбавлених розчинів нітрату срібла і йодиду калію:
Колоїдна міцела золю йодиду срібла утворена мікрокристалів AgI. який здатний до вибіркової адсорбції з навколишнього середовища катіонів Ag + або I -. Для отримання стійкого золю необхідно, щоб один з електролітів AgNO3 або KI були присутні в надлишку як стабілізатор.
Якщо реакція проводиться в надлишку йодиду калію, то кристал буде адсорбувати I -; при надлишку нітрату срібла мікрокристал адсорбує іони Ag +. В результаті цього мікрокристал набуває негативний або позитивний заряд.
Нерозчинні молекули AgI утворюють ядро колоїдної частинки (міцели) m [AgI].
На поверхні ядра адсорбуються іони I - (зазвичай адсорбуються ті іони, які входять до складу ядра, тобто в даному випадку Ag + або I -), повідомляють йому негативний заряд. Вони добудовують кристалічну решітку ядра, міцно входячи в його структуру. утворюючи адсорбційний слойm [AgI] · nI-. Іони, адсорбуватися на поверхні ядра і додають йому відповідний заряд, називаються потенціалопределяющего іонами.
Адсорбовані потенціалопределяющего іони притягують з розчину іони протилежного знаку протівоіони (К +), причому частина їх (n-x) адсорбується на частці m [AgI] · nI- · (n-x) K +> x-. Ядро + адсорбційний шар = гранула.
Частина, що залишилася противоионов утворює дифузний шар іонів.
Ядро з адсорбційним і дифузними шарами представляє міцелу.
Схематично міцела золю йодиду срібла, отриманого в надлишку йодиду калію (потенціалопределяющего іони - аніони I -. Протівоіони - іони К +) може бути зображена наступним чином:
2. При отриманні золю йодиду срібла в надлишку нітрату срібла колоїдні частинки матимуть позитивний заряд: