Коллоидные растворы

Дисперсные системы — это микрогетерогенные системы с сильно развитой внутренней поверхностью раздела между фазами.

Дисперсионная среда - непрерывная фаза (тело), в объёме которой распределена другая (дисперсная) фаза в виде мелких твёрдых частиц, капелек жидкости или пузырьков газа.
Дисперсная фаза - совокупность мелких однородных твёрдых частиц, капелек жидкости или пузырьков газа, равномерно распределённых в окружающей (дисперсионной) среде.

I. По степени дисперсности
дисперсной фазы
1. Грубодисперсные системы
>10-7 м или >100 нм
2. Коллоидно-дисперсные системы
≈ 10-7 - 10-9 м, 1 - 100 нм
3.Молекулярно-ионные (истинные) растворы:
< 10-9 м, < 1 нм

Классификация дисперсных систем

По агрегатному состоянию

Дисперсная среда: твердое вещество
Дисперсная фаза – газ:
Почва, текстильные ткани, кирпич и керамика, пористый шоколад, порошки.
Дисперсная фаза – жидкость:
Влажная почва, медицинские и косметические средства.
Дисперсная фаза – твердое вещество:
Горные породы, цветные стекла, некоторые сплавы.

Дисперсная среда: газ
Дисперсная фаза – газ:
Всегда гомогенная смесь (воздух, природный газ)
Дисперсная фаза – жидкость:
Туман, попутный газ с капельками нефти, аэрозоли.
Дисперсная фаза – твердое вещество:
Пыли в воздухе, дымы, смог, песчаные бури.

Дисперсная среда: жидкость
Дисперсная фаза – газ:
Шипучие напитки, пены.
Дисперсная фаза – жидкость: Эмульсии: нефть, крем, молоко; жидкие среды организма, жидкое содержимое клеток.
Дисперсная фаза – твердое вещество:
Золи, гели, пасты. Строительные растворы.

2.По степени взаимодействия между частицами дисперсной фазы
Свободнодисперсные – частицы не связаны, это системы, обладающие текучестью, как обычные жидкости и растворы (коллоидные растворы, взвеси, суспензии)
Связнодисперсные – это структурированные системы, имеющие пространственную сетку, каркас и приобретающие свойства полутвердых тел (гели, пористые тела, аморфные осадки)
при dпор < 2нм – микропористые
2 – 200нм – переходные
> 200нм – макропористые

Коллоидные растворы
Золи получают дисперсионными и конденсационными методами. Диспергирование чаще всего производят при помощи особых “коллоидных мельниц”. При конденсационном методе коллоидные частицы образуются за счет объединения атомов или молекул в агрегаты. При протекании многих химических реакций также происходит конденсация и образуются высокодисперсные системы (выпадение осадков, протекание гидролиза, окислительно-восстановительные реакции и т.д.) - кровь, лимфа…
Гели. При определенных условиях коагуляция (явление слипания коллоидных частиц и выпадения их в осадок) золей приводит к образованию студенистой массы, называемой гелем. В этом случае вся масса коллоидных частиц, связывая растворитель, переходит в своеобразное полужидкое-полутвердое состояние. - желатин, желе, мармелад.

Методы получения дисперсных систем
Диспергационные (вещества тонко измельчаются – диспергируют в состав дисперсионной среды)
Конденсационные (коллоидное состояние возникает в результате объединения молекул или ионов вещества)

Диспергационные методы
1.Механическое дробление (все природные коллоидные системы).
2.Ультрозвуковое дробление
3.Электрическое дробление
4.Химическое дробление – пептизация Fe(OH)3 + NaCl → Fe(OH)2Cl + NaOH

Конденсационные методы
А.Физические
1.Конденсация пара в газовой среде (туман).
2.Конденсация пара в жидкости (ртуть в холодной воде), золи металлов в электрической дуге
3.Конденсация частиц при замене растворителя (канифоль – замена спирта на воду)
4.Совместная конденсация веществ не растворимых друг в друге (золи металлов Al, Na, K в органических растворителях) – испарение и совместная конденсация в вакууме.

Конденсационные методы
Б.Химические
(называются по типу химической реакции)
1.Восстановление
2HAuCl4 + 3H2O2 → 2Au + 8HCl + 3O2
2.Гидролиз
FeCl3 + 3H2O → Fe(OH)3 +3HCl(золь гидроксида железа)
3.Окисление-восстановление
3O2 + 2H2S → 3S + 2H2O (золь серы)
4.Реакция обмена
Na2SO4 +BaCl2 = BaSO4 +2NaCl

Коллоидный раствор наночастиц золота в воде

Условия получения золя:
1. плохая растворимость Д.Ф. в Д.С., т.е. наличие границы раздела фаз;
2. размер частиц 10-7 -10-9 м (1-100 нм) ;
3. наличие иона стабилизатора, который
сорбируясь на ядре препятствует
слипанию частиц (ион-стабилизатор определяется правилом Панетта-Фаянса)

агрегат
m моль
Na2SO4 взят в избытке n моль:
n Na2SO4 → 2n Na+ + n SO42-
ПОИ
противоионы
{ [m BaSO4]
агрегат
• nSO42-
ПОИ
ядро
• 2(n-x) Na+
адсорбционный слой
}2х-
гранула
• 2x Na+
мицелла
часть противоионов
диффузный слой
Х – не вошли в адсорбционный слой
Na2SO4 + BaCl2 → BaSO4↓+2NaCl

BaCl2 взят в избытке n моль;
n BaCl2 → n Ba2+ + n 2Cl-
противоионы
ПОИ
{ m(BaSO4)
агрегат
• n Ba2+
ПОИ
ядро
• 2(n-x) Cl-
часть противоионов
адсорбционный слой
}
гранула
2x+
• 2x Cl-
диффузный слой
мицелла
Na2SO4 + BaCl2 → BaSO4↓+ 2NaCl

Правило ПАНЕТТА-ФАЯНСА:
кристаллическую решетку ядра достраивает тот ион, который находится в растворе в избытке и содержится в агрегате или родственен ему.

Эффект Тиндаля —оптический эффект, рассеяние света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса (конус Тиндаля), видимого на тёмном фоне. Характерен для растворов коллоидных систем (например, золей, металлов, разбавленных латексов, табачного дыма), в которых частицы и окружающая их среда различаются по показателю преломления. На эффекте Тиндаля основан ряд оптических методов определения размеров, формы и концентрации коллоидных частиц и макромолекул. Эффект Тиндаля назван по имени открывшего его Джона Тиндаля.
Эффект Тиндаля

Схематически процесс рассеяния света выглядит так:

Кинетическая устойчивость
связана со способностью частиц дисперсной фазы к самопроизвольному тепловому движению в растворе, которое известно под названием броуновского движения.
Агрегатная устойчивость
обусловлена тем, что на поверхности коллоидных частиц имеет место адсорбции ионов из окружающей среды.

Факторы, вызывающие коагуляцию:
увеличение концентрации золя;
действие света;
изменение температуры;
облучение;
добавление электролитов.
КОАГУЛЯЦИЯ –
процесс укрупнения частиц дисперсной фазы золя с последующим выпадением в осадок.

Зависимость скорости коагуляции
от концентрации электролита
скрытая
явная
медленная
быстрая

наименьшее количество электролита, которое вызывает явную коагуляцию 1л золя
γ = C· V / Vо
γ - порог коагуляции, моль/л;
С - концентрация электролита, моль/л;
V - объем раствора электролита, л;
Vo - объем золя, л.
Р = 1/ γ - коагулирующая способность электролита
Порог коагуляции -

Правило Шульце-Гарди:
Для разновалентных ионов их коагулирующее действие прямо пропорционально зарядам ионов в шестой степени
Р(Al+3) : Р(Ca+2) : Р(K+1) ≈
Гранула ( - )
36 : 26 : 16 ≈ 729 : 64 : 1
γ(Al+3):γ(Ca+2):γ(K+1) ≈ 1/36:1/26:1/16
Гранула ( + )
Р(PO4 3-) : Р(SO42-) : Р(Cl-) ≈ 36 : 26 : 16
γ(PO4 3-): γ(SO42-): γ(Cl-) ≈ 1/36:1/26:1/16