В истинных растворах не происходит рассеивания света. Частицы в грубодисперсных системах отражают свет, их величину и форму часто можно установить без оптического увеличения.

 

3.4.1 Строение коллоидной частицы. При взаимодействии водных растворов нитрата серебра и иодида калия продуктами реакции являются осадок иодида серебра и растворимая соль нитрат калия:

AgNO₃ + KJ = AgJ¯ + KNO₃.

Но данную реакцию можно провести так, что получится тонкая взвесь иодида серебра – коллоидный раствор – дисперсная система, структурными единицами которой будут являться т. н. коллоидные частицы (гранулы), а дисперсионной средой явлается водный раствор нитрата калия; данная гетерогенная система способна достаточно долго сохранять равномерное распределение частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде.

Рассмотрим случай, когда к избытку KJ будем приливать мелкими порциями AgNO₃.

Агрегат твердых частиц mAgJ обладает избыточной поверхностной энергией. Для того чтобы ее уменьшить, он адсорбирует находящиеся в жидкой дисперсионной среде одноименные ионы, в нашем случае – это nJ^–, и приобретает электрический заряд. Поэтому ионы nJ^– называются зарядообразующими (или потенциалопределяющими). Агрегат и адсорбированные зарядообразующие ионы образуют ядро коллоидной частицы, которое притягивает к себе из среды противоионы, т. е. K⁺. Противоионы гидратированы, и поэтому вместе с ними в коллоидную частицу приходит вода, молекулы которой создают гидратную оболочку.

Таким образом, возникает двойной электри­ческий слой (ДЭС), состоящий из ионов на поверхности (потенциалопределяющих ионов) и из компенсирующих заряд поверхности ионов (противоионов) в растворе (рисунок 6); при­чем часть противоионов находится в прилегающем к по­верхности и прочно связанном с ней адсорбционном слое – (n–x)K⁺·yH₂O, а другая часть – в диффузном слое, удаленном от поверх­ности – xK⁺·zH₂O.

Рисунок 6 – Двойной электрический слой мицеллы золя

 

Частицу дисперсной фазы вместе с двойным электрическим слоем называют мицеллой; она является нейтральной.

В общем виде строение мицеллы {[mAgJ·nJ^–·(n –x)K⁺·yH₂O]^{x –}+xK⁺ ·zH₂O}^o

можно представить так:

 

{ агрегат потенциалопределяющие ионы противоионы } противоионы

|_ mAgJ ____| |______ nJ^– __________________| | n –x)K⁺ ·yH₂O | |_ xK⁺ ·zH₂O _|

|_________________________________________| диффузный слой

ядро

|_____________________________________________|

адсорбционный слой

|___________________________________________________________|

коллоидная частица

|____________________________________________________________________________|

мицелла

 

Если приготовить золь, приливая мелкими порциями KJ к избытку AgNO₃, то образуются коллоидные частицы иного строения (рисунок 7). Ядро то же, что в первом случае, – mAgJ. Одноименными ионами из раствора и поэтому потенциал-определяющими будут являться катионы Ag⁺ (они в избытке). Соответственно, противоионами из среды – NO₃^–. В гидратированном виде последние формируют адсорбционный и диффузный слои. Заряд коллоидной частицы – х⁺. Мицелла имеет вид:

{[mAgJ·nAg⁺·(n –x)NO₃^– ·yH₂O]^х+ + xNO₃^– ·zH₂O}^o.

 

а) – при избытке KJ; б) при избытке AgNO₃

Рисунок 7 – Схема строения коллоидной мицеллы золя

 

При движении частицы в растворе происходит разрыв мицеллы на две части: твердую частицу с противоионами адсорбционного слоя, называемую коллоидной частицей, и противоионы диффузного слоя. Границу, по которой про­исходит разрыв мицеллы, называют границей скольжения.Плоскость скольжения, как правило, не совпадает с гра­ницей, разделяющей адсорбционный и диффузный слои, а несколько смещена от нее в сторону раствора. Электриче­ский потенциал на плоскости скольжения называется элек­трокинетическим или дзета-потенциалом.

3.4.2 Электрокинетические свойства коллоидных растворов. Наличием на частицах дисперсной фазы ДЭС обусловле­ны электрокинетические свойства коллоидных растворов: электроосмос, электро­форез.

Перенос частиц дисперсной фазы в электрическом поле к электроду, знак заряда которого противоположен знаку заряда частицы, называется электрофорезом.

Электроосмос – это течение жидкости через капиллярные системы под влиянием разности потенциалов. В случае электроосмоса подвижны гидратированные противоионы, которые увлекают прилегающие к ним слои воды. И так называемый электроосмотический перенос частиц дисперсионной среды направлен к электроду, имеющему тот же знак, что и поверхность капилляра.

Интенсивность всех электрокинетических явлений оп­ределяется значением дзета-потенциала. Введение в золь растворов электролитов приводит к изменению строения ДЭС и, как следствие, значения дзета-потенциала.

 

Гели

 

Большинство лиофильных золей (см. пункт 3.2.4) в определенных условиях способны превращаться в студнеобразные массы, получившие название студней или гелей. Переход золя в гель называют также реакцией желатинирования. Она может вызываться различными факторами: действием электролитов, изменением температуры.

Переход в студнеобразное состояние сопровождается коагуляцией, что придает дисперсной системе ка­чественно новые, структурно-механические свойства;дисперсная структура приобретает прочность и, тем самым, способ­ность служить материалом.

Студни и гели встречаются в природных и в промышленных продуктах. К природным относятся такие минералы, как опал, агаты. Студнями являются многие пищевые продукты – простокваша, мармелад, сыр, кисель. Твердение вяжущих строительных материалов (цементов и др.) проходит через стадию образования гелей.

Рассмотрим процесс дегидратации (обезвоживания) гидроге­лей. Такого рода процессы играют важную роль при формировании минералов и горных пород из некоторых коллоидных отложе­ний, при твердении цементных строительных растворов и бето­нов, при очерствлении хлеба, при некоторых производственных про­цессах сушки и пр.

Обезвоживание геля может происходить различными путями –
испарением воды (частиц дисперсионной среды) при обычных температурах или при нагревании, а также в результате химического связывания ее другими вещест­вами.

По мере обезвоживания геля изменяются его характер пористости и различные свойства. Из мягкой студнеобразной массы гель посте­пенно превращается в твердое камневидное тело с высокой проч­ностью. Высохшие (твердые) гели называют ксерогелями. К ним относятся, например, высохший клей, кремень, опалы и др.

Явление тиксотропии. Некоторые гели обладают способностью обратимо разжижаться при механических воздействиях – встряхи­вании, перемешивании, вибрировании и др. например, при встря­хивании гель разжижается и превращается в золь, который в спокой­ном состоянии вновь переходит в гель. Подобные превращения могут быть повторены несколько раз. Это явление получило название тиксотропии. Оно используется в процессах вибрирования бетона при заполнении форм – вибрирование препятствует структурированию геля, тем самым обеспечивается более плотная укладка материала.

Застудневание золя в общем случае можно объяснить как результат связы­вания его частиц с образованием из них непрочной коагуляционной сетки, в петлях которой удерживаются компоненты дисперсионной среды. Характер связи меж­ду частицами может быть различным. Вопрос этот еще не получил однозначного решения. Тиксотропия свойственна тем гелям, у которых силы, связывающие частицы между собой, являются более слабыми, чем силы валентной связи.

 

Контрольные вопросы

1 Как классифицируются дисперсные системы по размеру частиц дисперсной фазы?

2 Обоснуйте классификацию дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Приведите примеры технического и инженерно-строительного профиля.

3 Как классифицируются дисперсные системы по силе межмолекулярного взаимодействия в них?

4 Объясните, почему коллоидно-дисперсные и грубодисперсные системы являются термодинамически неустойчивыми.

5 Приведите примеры получения золей путем химической конденсации.

6 Объясните причину возникновения конуса Тиндаля при падении луча света на золь.

7 Какими способами можно отличить золь от грубодисперсной системы? На каких свойствах основаны эти способы?

8 Какие явления наблюдаются при наложении разности потенциалов на коллоидный раствор?

9 Сопоставьте два типа устойчивости дисперсных систем, укажите, чем они обусловлены, а также возможные причины потери устойчивости.

 

Задание 1. Укажите диффузный слой противоионов для мицеллы

{[mAgBr∙nBr^– ·(n-x)Na⁺·yH₂O]^x– ·xNa⁺·zH₂O}:

а) mAgBr;	г) [mAgBr∙nBr– ·(n-x)Na+·yH2O]x–;
б) mAgBr∙nBr–;	д) xNa+·zH2O;
в) (n-x)Na+·yH2O;	е) nBr–.

Задание 2. Укажите структуру ядра для мицеллы

{[mAgBr∙nBr^– ·(n-x)Na⁺·yH₂O]^x– ·xNa⁺·zH₂O}:

а) mAgBr;	г) [mAgBr∙nBr– ·(n-x)Na+·yH2O]x–;
б) mAgBr∙nBr–;	д) xNa+·zH2O;
в) (n-x)Na+·yH2O;	е) nBr–.

Задание 3. Укажите, какие ионы являются потенциалопределяющими для мицеллы

{[mAgBr∙nBr^– ·(n-x)Na⁺·yH₂O]^x– ·xNa⁺·zH₂O}:

а) xNa+·zH2O;	г) mAgBr;
б) (n-x)Na+·yH2O;	д) [mAgBr∙nBr– ·(n-x)Na+·yH2O]x–;
в) mAgBr∙nBr–;	е) nBr–.

Задание 4. Укажите заряд коллоидной частицы для мицеллы

{[mAgBr∙nBr– ·(n-x)Na+·yH2O]x– ·xNa+·zH2O}:

а) положительный;

б) отрицательный;

в) не имеет заряда;

г) в зависимости от силы тока.

Задание 5. Укажите плотный слой противоионов для мицеллы {[mAgBr∙nBr^– ·(n-x)Na⁺·yH₂O]^x– ·xNa⁺·zH₂O}:

а) mAgBr∙nBr–;	г) (n-x)Na+·yH2O;
б) mAgBr;	д) nBr–;
в) [mAgBr∙nBr– ·(n-x)Na+·yH2O]x–;	е) xNa+·zH2O.

Задание 6. Диффузный слой противоионов для мицеллы

{[mAgBr∙nAg⁺·(n-x)NO₃^– ·yH₂O]^x+ ·xNO₃^–·zH₂O}

имеет состав:

а) mAgBr∙nAg+;	г) xNO3–·zH2O;
б) nAg+;	д) [mAgBr∙nAg+·(n-x)NO3– ·yH2O]x+;
в) mAgBr;	е) (n-x)NO3–.

 

 

Список литературы

 

1 Коровин, Н.В. Общая химия: учебник / Н. В. Коровин. – М.: Высш. шк., 1998. – 559 с.: ил.

2 Глинка, Н. Л. Общая химия: учеб. пособие для вузов / Н. Л. Глинка; под ред. А. И. Ермакова. – 30-е изд., испр. – М.: Интеграл-Пресс, 2006. – 728 с.

3 Щукин, Е. Д. Коллоидная химия: учебник / Е. Д. Щукин, А. В. Перцов, Е. А. Амелина. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 445 с.: ил.

4 Неорганическая химия: Т.1: Физико-химические основы неорганической химии / Под ред. Ю. Д. Третьякова. / М. Е.Тамм, Ю. Д. Третьяков; – М.: Академия, 2004. – 240 с.

5 Гельфман, М. И. Коллоидная химия / М. И. Гельфман, О. В. Ковалевич, В. П. Юстратов. 3-е изд., стер. – СПб.: Лань, 2005. – 336 с.

6 Жарский, И. М. Теоретические основы химии: учеб. пособие / И. М. Жарский, А. Л. Кузьменко, С. Е. Орехова. – Минск: Аверсэв, 2004. – 397 с.: ил.

7 Кругляков, П. М. Физическая и коллоидная химия: учеб. пособие / П. М. Кругляков, Т. Н. Хаскова. – М.: Высш. шк., 2005. – 319 с.: ил.

 

⇐ Предыдущая123456

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: