Коллоидные системы

Коллоидная химия
Дисперсная система
Дисперсная фаза
(раздробленная часть
дисперсной системы)
Дисперсионная среда
(непрерывная часть дисперсной системы)
Дисперсные системы – гетерогенные системы, в которых одна из фаз находится в дисперсном (раздробленном состоянии).
Поверхностные явления – совокупность явлений, связанных с физическими особенностями границ раздела между соприкасающимися фазами.

Признаки объектов коллоидной химии

Поперечный размер частицы (а) – диаметр для сферических частиц (d) и длина ребра для кубических частиц (l).
Дисперсность (D) – величина, обратная поперечному размеру частицы: D=1/a.
Удельная поверхность (Sуд) – межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема или массы дисперсной фазы:

Зависимость удельной поверхности от размера частиц
II – высокодисперсные, коллоидные (наносистемы)
10-9 < a < 10-7
III – среднедисперсные (микрогетерогенные)
10-7 < a < 10-5
IV – грубодисперсные
a > 10-5

Пример:
Дисперсность частиц коллоидного золота 108 м-1. Принимая частицы золота в виде кубиков определить, какую поверхность они могут покрыть, если их плотно уложить в один слой. Масса коллоидных частиц золота 1 г. Плотность золота 19,6·103 кг/м3.

Особенности коллоидных систем
2. Термодинамическая неустойчивость
3. Невоспроизводимость (индивидуальность)
4. Способность к структурообразованию

Виды дисперсных систем

Получение дисперсных систем
измельчение крупных образцов вещества до частиц дисперсных размеров;
химический состав и агрегатное состояние вещества не меняется;
затрачивается внешняя работа;
используют для получения грубодисперсных систем – производство цемента (1 млрд.т в год), измельчении руд полезных ископаемых, помол муки и т.д.

Для облегчения диспергирования используют понизители твердости (электролиты, эмульсии, ПАВ и др.)
Понизители твердости составляют 0,1 % от общей массы измельчаемых веществ и при этом снижают энергозатраты на получение дисперсных систем более чем в два раза.

основаны на ассоциации молекул в агрегаты из истинных растворов;
используют для получения высокодисперсных систем;
не требуют затраты внешней работы;
появление новой фазы происходит при пересыщении среды.
Конденсационные методы

Стадии конденсации
2. Рост зародышей.
3. Формирование слоя стабилизатора (ДЭС).

Физические конденсационные методы

Химические конденсационные методы

3. Реакции окисления
Образование золя серы.
2H2Sр-р + O2 = 2S ↓+ 2H2O
Строение мицеллы:

4. Реакции гидролиза
Получение золя гидроксида железа.
FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 ↓ + 3HCl
Cтроение мицеллы:

Метод пептизации

Низкомолекулярные примеси (чужеродные электролиты) разрушают коллоидные системы.
Диализ – отделение золей от низкомолекулярных примесей с помощью полупроницаемой мембраны.
Электродиализ – диализ, ускоренный внешним электрическим полем.
Ультрафильтрация – электродиализ под давлением (гемодиализ).
Методы очистки дисперсных систем

Особенности коллоидных растворов
Опалесценция (светорассеяние) наблюдается когда λ > d.
Чем короче длина волны падающего света, тем больше рассеяние.
400 нм - синий, 780 нм - красный
При боковом свечении дисперсные системы имеют голубоватую окраску (атмосфера Земли), а в проходящем свете – красноватую (восход и закат Солнца).
Светомаскировка - синий свет.
Сигнализация – красный, оранжевый свет.
Окраска драгоценных камней и самоцветов
Рубин – коллоидный раствор Cr или Au в Al2O3,
Сапфир - коллоидный раствор Ti в Al2O3,
Аметист – коллоидный раствор Mn в SiO2.

2. Способность к электрофорезу - явление перемещения частиц ДФ относительно неподвижной ДС по действием внешнего электрического поля.
Причина электрофореза - наличие двойного электрического слоя (ДЭС) на поверхности частиц ДФ.

Строение коллоидных мицелл

Пример 1:

Устойчивость и коагуляция дисперсных систем

Коагуляция золей электролитами
Все электролиты при определенной концентрации могут вызвать коагуляцию золя.
Правило знака заряда: коагуляцию золя вызывает тот ион электролита, знак заряда которого противоположен заряду коллоидной частицы.
Этот ион называют ионом-коагулятором.
Каждый электролит по отношению к коллоидному раствору обладает порогом коагуляции (коагулирующей способностью).

Порог коагуляции (γ, Скр) – наименьшая концентрация электролита, достаточная для того, чтобы вызвать коагуляцию золя
Коагулирующая способность (Р) – величина, обратная порогу коагуляции
Влияние заряда иона-коагулятора (правило Шульце-Гарди): коагулирующая способность электролита возрастает с увеличением заряда иона – коагулятора
n = 2 ÷ 6