Какие свойства характерны для коллоидных растворов

Физико-химия дисперсных систем. Коллоидные растворы.

Дисперсные системы

«Жизнь – это особая коллоидная система, это особое царство природных вод» (В.И. Вернадский). Дисперсные системы, в частности коллоидные растворы, широко распространены в природе. Почва, глина, воздух, облака, дым, многие минералы – все это коллоидные системы. Дисперсными являются все живые системы. Биологические жидкости, кровь, лимфа, спинномозговая жидкость представляют собой коллоидные системы, в которых белки, холестерин, гликоген, фосфаты, липиды и другие вещества находятся в коллоидном состоянии. В настоящее время особый интерес представляет разработка моделей клеток, живых мембран, нервных волокон, действующих по законам коллоидной химии.

Важнейшие пищевые продукты – хлеб, молоко, масло – коллоидные системы. От величины капелек жира может зависеть скорость их всасывания через стенки пищеварительных органов. Тонко раздробленный жир в молоке и сливочном масле усваивается организмом лучше, чем жир в сплошной массе, например, сало.

С коллоидными системами человек имел дело с незапамятных времен. Изучение этих систем началось в 19 веке. Итальянский ученый Франческо Сельми в 40 гг 19 века обратил внимание на аномальные свойства некоторых растворов, которые по современным представлениям являются типичными коллоидными системами. Эти растворы сильно рассеивают свет; растворенные в них вещества выпадают в осадок от прибавления к ним даже весьма небольших количеств солей, не взаимодействующих с растворенным веществом. Переход вещества в такой раствор и осаждение из него не сопровождается изменением температуры и объема системы, что обычно имеет место при растворении кристаллов. Сельми назвал эти растворы «псевдорастворами». Позднее их стали называть золями.

Англ. уч. Томас Грэм назвал эти системы «коллоидами» (колла по греч. – клей), т.к. думал, что клей является типичным их представителем.

Коллоидные системы – это гетерогенные системы с размером частиц дисперсной фазы от 1 до 100 нм. Дисперсионная среда – это растворитель, в котором распределено вещество. Дисперсная фаза – частицы растворенного вещества.

Коллоидные системы с жидкой дисперсной средой называются золями, в случае водной среды – гидрозолями.

Коллоидные системы получают двумя способами:

1. дисперсионным – основан на измельчении макроскопических частиц до наноразмеров (1-100 нм).

2. конденсационным – это укрепление мелких частиц раствора.

Дисперсионный метод основан на измельчении макроскопических частиц до наноразмеров (1-100 нм).

Механическое измельчение не получило широкого распространения из-за большой энергоемкости. В лабораторной практике используется ультразвуковое измельчение. При измельчении конкурируют два процесса: диспергирование и агрегирование возникающих частиц. Соотношение скоростей этих процессов зависит от длительности помола, температуры, природы жидкой фазы, присутствия стабилизаторов (чаще всего ПАВ). Подбирая оптимальные условия, можно получить частицы требуемого размера, однако распределение частиц по размерам бывает достаточно широким.

Наиболее интересно самопроизвольное диспергирование твердых тел в жидкой фазе. Подобный процесс может наблюдаться для веществ, имеющих слоистую структуру. В таких структурах имеет место сильное взаимодействие между атомами внутри слоя и слабое Ван-де-Ваальсово взаимодействие между слоями. Например, сульфиды молибдена и вольфрама, имеющие слоистую структуру, самопроизвольно диспергируются в ацетонитриле с образованием бислойных частиц нанометрового размера. При этом жидкая фаза проникает между слоями, увеличивает межслойное расстояние, взаимодействие между слоями ослабевает. Под действием тепловых колебаний происходит отрыв наночастиц с поверхности тв фазы.

Конденсационные методы подразделяются на физические и химические. Формирование наночастиц осущствляется через ряд переходных состояний при образовании промежуточных ансамблей, приводящих к возникновению зародыша новой фазы, спонтанному его росту и появлению физической поверхности раздела фаз. Важно обеспечить высокую скорость образования зародыша и малую скорость его роста.

Физические методы широко используются для получения металлических ульрадисперсных частиц. Эти методы по сути являются дисперсионно-конденсационными. На первой стадии металл диспергируют до атомов при испарении. Затем за счет пересыщения паров происходит конденсация.

Метод молекулярных пучков применяют для получения покрытий толщиной около 10 нм. Исходный материал в камере с диафрагмой нагревают до высоких температур в вакууме. Испарившиеся частицы, проходя через диафрагму, образуют молекулярный пучок. Интенсивность пучка и скорость конденсации частиц на подложке можно менять, варьируя температуру и давление пара над исходным материалом.

Аэрозольный метод заключается в испарении металла в разреженной атмосфере инертного газа при пониженной температуре с последующей конденсацией паров. Этим методом были получены наночастицы Au, Fe, Co, Ni, Ag, Al; их оксидов, нитридов, сульфидов.

Криохимический синтез основан на конденсации атомов металла (или соединений металла) при низкой температуре в инертной матрице.

Химическая конденсация. Коллоидный раствор золота (красного) с размером частиц был получен в 1857 г Фарадеем. Этот золь демонстрируют в Британском музее. Устойчивость его объясняется образованием ДЭС на поверхности раздела твердая фаза-раствор и возникновением электростатической составляющей расклинивающего давления.

Часто синтез наночастиц проводят в растворе при протекании химических реакций. Для получения металлических частиц применяют реакции восстановления. В качестве восстановителя используют алюмо- и борогидриды, гипофосфиты и др. Например, золь золота с размером частиц 7 нм получают восстановлением хлорида золота боргидридом натрия.

Наночастицы солей или оксидов металлов получают в реакциях обмена или гидролиза.

В качестве стабилизаторов используют природные и синтетические ПАВ.

Основной недостаток всех методов – это широкое распределение наночастиц по размерам. Один из методов регулирования размеров наночастиц связан с получением наночастиц в обратных микроэмульсиях. В обратных микроэмульсиях дисперсная фаза – вода, дисперсионная среда – масло. Размер капель воды (или другой полярной жидкости) может меняться в широких пределах в зависимости от условий получения и природы стабилизатора. Капля воды играет роль реактора, в котором образуется новая фаза. Размер образующейся частицы ограничен размерами капли, форма этой частицы повторяет форму капли.

Золь-гелевый метод содержит следующие стадии: 1. приготовление исходного раствора, обычно содержащего алкоксиды металлов М(ОR)n, где М-это кремний, титан, цинк, алюминий, олово, церий и др., R- алкал или арил; 2. образование геля за счет реакций полимеризации; 3. сушка; 4. термообработка. В органических растворителях проводят гидролиз

М(ОR)4+4H2O®M(OH)4+4ROH.

Затем происходит полимеризация и образование геля

mM(OH)n®(MO)2 +2mH2O.

Метод пептизации. Пептизацией называют процесс перехода свежеполученного при коагуляции осадка в золь под действием веществ, называемых пептизаторами. Пептизацию можно вызвать отмыванием коагулята водой от электролита, вызвавшего коагуляцию золя. Пептизация поверхностно-активными веществами связана с тем, что дифильные молекулы ПАВ адсорбируются на частицах осадка, повышая сродство дисперсной фазы к дисперсионной среде. Чаще всего пептизацию вызывают добавлением веществ, которые способны восстановить утраченный заряд коллоидных частиц.

Различают адсорбционную (при промывании осадка, пептизацию осадка электролитом; пептизацию поверхностно-активными веществами) и химическую (диссолюционную) пептизацию. Примером адсорбционной пептизации может служить переход в золь свежеполученного и промытого водой осадка гидроксида железа (III) при добавлении к нему небольших количеств раствора хлорида железа (III), которые сообщают частицам положительный заряд:

{m[Fe(OH)3]nFe3+3(n-x)Cl-}3x+3xCl-

Механизм химической пептизации состоит в том, что при добавлении электролита происходит его взаимодействие с частицами осадка, в результате которого образуется пептизатор. Его ионы адсорбируются на частицах осадка, сообщая им заряд. Примером является переход в золь осадка Fe(OН)3 при добавлении небольших объемов HCl, который сам не является стабилизатором, но химически взаимодействует с поверхностью осадка с образованием собственно пептизатора FeOCl

Fe(OH)3 + HCl = FeOCl + 2H2O

FeOCl→ FeO+ + Cl-

Строение мицеллы образующегося золя может быть представлено следующим образом:

{m[Fe(OH)3]nFeО+(n-x)Cl-}x+xCl-

Пептизация при промывании осадка сводится к удалению из осадка электролита, вызвавщего коагуляцию. При этом толщина ДЭС увеличивается, силы ионно-электростатического отталкивания преобладают над силами межмолекулярного притяжения.

Пептизация осадка электролитом связана со способностью одного из ионов электролита адсорбироваться на частицах, что способствует формированию ДЭС на частицах.

Пептизация поверхностно-активными веществами. Макромолекулы ПАВ адсорбируясь на частицах или придают им заряд (ионогенные ПАВ) или формируют адсорбционно-сольватный барьер, препятствующий слипанию частиц в осадке.

Химическая пептизация происходит, когда добавляемое в систему вещество взаимодействует с веществом осадка. При этом образуется электролит, формирующий ДЭС на поверхности частиц.

Длительное хранение уменьшает способность осадка к пептизации вследствие рекристаллизации (срастания частиц осадка). Происходит старение осадка.

Свойства коллоидных растворов

1. Все коллоидные растворы способны рассеивать свет, т.е. опалесцировать. Опалесценция становится особенно заметна, если через коллоидный раствор пропускать пучок сходящихся лучей, поставив между источником света и кюветой с коллоидным раствором линзу. Тогда при наблюдении сбоку виден ярко светящийся конус (конус Тиндаля), что указывает на неоднородность коллоидных растворов.

2. Диффузия частиц в коллоидных растворах протекает весьма медленно.

3. Коллоидные растворы имеют весьма низкое осмотическое давление.

Два последних свойства указывают на относительно крупные по сравнению с молекулами или ионами размеры коллоидных частиц.

4. Коллоидные растворы способны к диализу. Т.е. с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны) могут быть отделены от растворенных в них низкомолекулярных веществ, которые проходят через поры мембраны в отличие от крупных коллоидных частиц.

5. В отличие от истинных растворов коллоидные растворы неустойчивы. Коллоидно растворенное вещество способно выделяться (коагулировать) из раствора под влиянием незначительных внешних воздействий, образуя коагулят. Коагулят представляет собой агрегаты из слипшихся первичных частиц. Коагуляцию может вызвать нагревание, вымораживание, интенсивное перемешивание, введение в коллоидные растворы небольших количеств индифферентного электролита, ультразвуковые воздействия. Т.о. коагуляция – это физический, а не химический процесс.

6. Коллоидные растворы обнаруживают явление электрофореза, т.е. перенос коллоидных частиц в электрическом поле к тому или иному электроду, что свидетельствует о наличии заряда у коллоидных частиц.

Коллоидные системы могут быть твердыми, жидкими и газообразными.

Одно и то же вещество в зависимости от условий может образовывать и истинный, и коллоидный раствор. Например, канифоль в спирте образует истинный, а в воде коллоидный раствор. Хлорид натрия в воде образует истинный, а в бензоле – коллоидный раствор.

Коллоидные cистемы можно рассматривать как микрогетерогенные системы с предельной дисперсностью и огромной поверхностью раздела между дисперсной фазой (растворенное вещество) и дисперсионной средой (растворитель).

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Дисперсные
системы

Чистые
вещества в природе встречаются очень редко. Смеси разных веществ в различных
агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы —
дисперсные системы и растворы.
Дисперсными
называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде очень мелких
частиц равномерно распределено в объеме другого.
То вещество, которое присутствует в меньшем количестве и распределено в объеме
другого, называют дисперсной фазой. Она может состоять из нескольких веществ.
Вещество, присутствующее в большем количестве, в объеме которого распределена
дисперсная фаза, называют дисперсионной средой. Между ней и
частицами дисперсной фазы существует поверхность раздела, поэтому дисперсные
системы называют гетерогенными (неоднородными).
И дисперсионную среду, и дисперсную фазу могут представлять вещества,
находящиеся в различных агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном.
В зависимости от сочетания агрегатного состояния дисперсионной среды и
дисперсной фазы можно выделить 9 видов таких систем.

По величине частиц веществ, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы
делят на грубодисперсные (взвеси) с размерами частиц более 100 нм (1 нм = 10-9 м) и
тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоидные системы) с размерами частиц
от 100 до 1 нм. Если же вещество раздроблено до молекул или ионов размером
менее 1 нм, образуется гомогенная система — раствор. Она однородна (гомогенна),
поверхности раздела между частицами и средой нет.

Уже беглое знакомство с дисперсными системами и растворами показывает,
насколько они важны в повседневной жизни и в природе.

Судите
сами: без нильского ила не состоялась бы великая цивилизация Древнего Египта;
без воды, воздуха, горных пород и минералов вообще бы не существовала живая
планета — наш общий дом — Земля; без клеток не было бы живых организмов и т. д.

Классификация дисперсных систем и
растворов

Взвеси

Взвеси
— это дисперсные системы, в которых размер частиц фазы более 100 нм. Это
непрозрачные системы, отдельные частицы которых можно заметить невооруженным
глазом. Дисперсная фаза и дисперсионная среда легко разделяются отстаиванием.
Такие системы разделяют на:
1)  эмульсии (и среда, и фаза — нерастворимые друг в друге
жидкости). Это хорошо известные вам молоко, лимфа, водоэмульсионные краски и т.
д.;
2)  суспензии (среда — жидкость, а фаза —
нерастворимое в ней твердое вещество). Это строительные растворы (например,
«известковое молоко» для побелки), взвешенный в воде речной и морской ил, живая
взвесь микроскопических живых организмов в морской воде — планктон, которым питаются
гиганты-киты, и т. д.;
3)  аэрозоли — взвеси в газе (например,
в воздухе) мелких частиц жидкостей или твердых веществ. Различают пыли, дымы,
туманы. Первые два вида аэрозолей представляют собой взвеси твердых частиц в
газе (более крупные частицы в пылях), последний — взвесь мелких капелек
жидкости в газе. Например, природные аэрозоли: туман, грозовые тучи — взвесь в
воздухе капелек воды, дым — мелких твердых частиц. А смог, висящий над
крупнейшими городами мира, также аэрозоль с твердой и жидкой дисперсной фазой.
Жители населенных пунктов вблизи цементных заводов страдают от всегда висящей в
воздухе тончайшей цементной пыли, образующейся при размоле цементного сырья и
продукта его обжига — клинкера. Аналогичные вредные аэрозоли — пыли — имеются и
в городах с металлургическими производствами. Дым заводских труб, смоги,
мельчайшие капельки слюны, вылетающие изо рта больного гриппом, также вредные
аэрозоли.
Аэрозоли играют важную роль в природе, быту и производственной деятельности
человека. Скопления облаков, обработка полей химикатами, нанесение
лакокрасочных покрытий при помощи пульверизатора, распыление топлив, выработка
сухих молочных продуктов, лечение дыхательных путей (ингаляция) — примеры тех
явлений и процессов, где аэрозоли приносят пользу. Аэрозоли — туманы над
морским прибоем, вблизи водопадов и фонтанов, возникающая в них радуга
доставляет человеку радость, эстетическое удовольствие.
Для химии наибольшее значение имеют дисперсные системы, в которых средой
является вода и жидкие растворы.
Природная вода всегда содержит растворенные вещества. Природные водные растворы
участвуют в процессах почвообразования и снабжают растения питательными
веществами. Сложные процессы жизнедеятельности, происходящие в организмах
человека и животных, также протекают в растворах. Многие технологические
процессы в химической и других отраслях промышленности, например получение
кислот, металлов, бумаги, соды, удобрений, протекают в растворах.

Коллоидные системы

Коллоидные системы — это
такие дисперсные системы, в которых размер частиц фазы от 100 до 1 нм. Эти
частицы не видны невооруженным глазом, и дисперсная фаза и дисперсионная среда
в таких системах отстаиванием разделяются с трудом.
Их подразделяют на золи (коллоидные растворы) и гели (студни).
1. Коллоидные растворы, или золи. Это большинство жидкостей
живой клетки (цитоплазма, ядерный сок — кариоплазма, содержимое органоидов и
вакуолей) и живого организма в целом (кровь, лимфа, тканевая жидкость,
пищеварительные соки, гуморальные жидкости и т. д.). Такие системы образуют
клеи, крахмал, белки, некоторые полимеры.
Коллоидные растворы могут быть получены в результате химических реакций;
например, при взаимодействии растворов силикатов калия или натрия
(«растворимого стекла») с растворами кислот образуется коллоидный раствор
кремниевой кислоты. Золь образуется и при гидролизе хлорида железа (Ш) в
горячей воде. Коллоидные растворы внешне похожи на истинные растворы. Их
отличают от последних по образующейся «светящейся дорожке» — конусу при
пропускании через них луча света.

Это явление называют эффектом Тиндаля. Более
крупные, чем в истинном растворе, частицы дисперсной фазы золя отражают свет от
своей поверхности, и наблюдатель видит в сосуде с коллоидным раствором
светящийся конус. В истинном растворе он не образуется. Аналогичный эффект, но
только для аэрозольного, а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в
кинотеатрах при прохождении луча света от киноаппарата через воздух кинозала.

Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов нередко не оседают даже при
длительном хранении из-за непрерывных соударений с молекулами растворителя за
счет теплового движения. Они не слипаются и при сближении друг с другом из-за
наличия на их поверхности одноименных электрических зарядов. Но при определенных
условиях может происходить процесс коагуляции.

Коагуляция — явление
слипания коллоидных частиц и выпадения их в осадок — наблюдается при
нейтрализации зарядов этих частиц, когда в коллоидный раствор добавляют
электролит. При этом раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые
органические коллоиды коагулируют при нагревании (клей, яичный белок) или при
изменении кислотно-щелочной среды раствора.

2. Гели, или студни,
представляющие собой студенистые осадки, образующиеся при коагуляции золей. К
ним относят большое количество полимерных гелей, столь хорошо известные вам
кондитерские, косметические и медицинские гели (желатин, холодец, желе,
мармелад, торт «Птичье молоко») и конечно же бесконечное множество природных
гелей: минералы (опал), тела медуз, хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и
нервная ткани и т. д. Историю развития жизни на Земле можно одновременно
считать историей эволюции коллоидного состояния вещества. Со временем структура
гелей нарушается — из них выделяется вода. Это явление называют синерезисом.

Растворы

Раствором называют гомогенную
систему, состоящую из двух и более веществ.
Растворы всегда однофазны, то есть представляют собой однородный газ, жидкость
или твердое вещество. Это связано с тем, что одно из веществ распределено в
массе другого в виде молекул, атомов или ионов (размер частиц менее 1 нм).
Растворы называют истинными,
если требуется подчеркнуть их отличие от коллоидных растворов.
Растворителем считают то вещество, агрегатное состояние которого не изменяется
при образовании раствора. Например, вода в водных растворах поваренной соли,
сахара, углекислого газа. Если же раствор образовался при смешении газа с
газом, жидкости с жидкостью и твердого вещества с твердым, растворителем
считают тот компонент, которого больше в растворе. Так, воздух — это раствор
кислорода, благородных газов, углекислого газа в азоте (растворитель). Столовый
уксус, в котором содержится от 5 до 9% уксусной кислоты, представляет собой
раствор этой кислоты в воде (растворитель — вода). Но в уксусной эссенции роль
растворителя играет уксусная кислота, так как ее массовая доля составляет 70—
80%, следовательно, это раствор воды в уксусной кислоте.

При
кристаллизации жидкого сплава серебра и золота можно получить твердые растворы
разного состава.
Растворы
подразделяют на:
•    молекулярные — это
водные растворы неэлектролитов — органических веществ (спирта, глюкозы,
сахарозы и т. д.);
•    молекулярно-ионные — это
растворы слабых электролитов (азотистой, сероводородной кислот и др.);
•    ионные — это растворы
сильных электролитов (щелочей, солей, кислот — NaOH, K2S04,
HN03, НС1О4).
Раньше существовали две точки зрения на природу растворения и растворов:
физическая и химическая. Согласно первой растворы рассматривали как
механические смеси, согласно второй — как нестойкие химические соединения
частиц растворенного вещества с водой или другим растворителем. Последняя
теория была высказана в 1887 г. Д. И. Менделеевым, который посвятил
исследованию растворов более 40 лет. Современная химия рассматривает
растворение как физико-химический процесс, а растворы как физико-химические
системы.
Более точное определение раствора таково:
Раствор — гомогенная (однородная) система,
состоящая из частиц растворенного вещества, растворителя и продуктов их
взаимодействия.

Поведение и свойства растворов электролитов, как вы хорошо знаете, объясняет
другая важнейшая теория химии — теория электролитической диссоциации,
разработанная С. Аррениусом, развитая и дополненная учениками Д. И. Менделеева,
и в первую очередь И. А. Каблуковым.

Вопросы для закрепления:
1.    Что такое дисперсные системы?
2.    При повреждении кожи (ранке) наблюдается свертывание крови
— коагуляция золя. В чем сущность этого процесса? Почему это явление выполняет
защитную функцию для организма? Как называют болезнь, при которой свертывание
крови затруднено или не наблюдается?
3.    Расскажите о значении различных дисперсных систем в быту.
4.    Проследите эволюцию коллоидных систем в процессе развития
жизни на Земле.

 Ссылка на источник