Каким свойством обладают коллоидные растворы

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:

Когда речь идет об агрегатном состоянии веществ, то принято выделять четыре основных типа:

• плазма;
• твердое;
• жидкость;
• газ.

Однако большинство биологических сред, жидкостей, природных явлений представляет собой некую смесь из нескольких вариантов. Значительная часть всех растворов обладает особыми свойствами. Они отличаются и внешними признаками, и внутренним строением. Называют их так: коллоидные системы. Это совокупная смесь веществ разной природы, находящихся в разных агрегатных состояниях. Чтобы лучше разобраться в данном вопросе, следует рассмотреть все свойства и характеристики подобных растворов, что мы и сделаем в ходе данной статьи.

Коллоидно-дисперсная система: характеристика

Если говорить простым обыденным языком, то данная система – это нечто среднее между истинным раствором, который является 100% гомогенной средой и грубодисперсными взвесями, в которых четко прослеживается граница раздела фаз.

Вообще коллоидные системы являются частью дисперсных систем, одной из их разновидностей. Поэтому неудивительно, что свойства их во многом схожи. Чтобы лучше представить себе, что же такое описываемое состояние вещества, приведем несколько примеров из жизни.

1. Гели и гелеподобные тела. Например, те, что применяются для укладки прически. Также сюда можно отнести гелеобразные и студнеобразные крема, в том числе и кондитерские. Раствор агар-агара, набухший крахмал, раствор куриного белка – все это коллоидные системы. Химия, которая занимается изучением подобных структур, именуется физколлоидной или физической.
2. Золи. Другими словами, это деструктурированные гели. Именно они и стоят на границе между грубодисперсными системами и истинными растворами. Примеры данного состояния: туман, дым или пыль в воздухе.

Также можно привести еще несколько общеизвестных соединений, которые считают коллоидами:

• пыль;
• аэрозоль;
• эмульсия;
• суспензия;
• туман и прочие.

Для каждого приведенного примера можно привести свои специфические свойства. Однако существуют и те, что являются для них общими.

Классификация коллоидных систем

Так как разнообразие рассматриваемых соединений велико, то естественно, что имеется их классификация. В основу положены признаки строения – структурированность, размеры дисперсной фазы по отношению к среде и прочие. Если все коллоидные системы разделить на типы по характеру входящих в их состав частиц, то можно выделить основные из них:

• жидкость в газе – туман, например;
• твердые частицы в газовой среде – дым, пыль;
• жидкость в жидкости – различные эмульсии;
• твердые частицы в жидкости – суспензии;
• жидкость в твердом – эмульсии;
• твердые частицы в твердой среде – твердые золи.

Также существует еще один признак, который ложится в основу разделения рассматриваемых систем. Это взаимодействие частиц фазы и среды друг с другом. Классификация коллоидных систем в этом случае принимает следующий вид.

1. Лиофильные. Включают в себя те системы, в которых происходит взаимодействие и даже растворение частиц фазы в среде.
2. Лиофобные. Не происходит ни взаимодействия между средой и фазой, ни их взаимного растворения.

Если речь идет о такой среде, как вода, то можно эти же группы назвать, соответственно, гидрофильными и гидрофобными.

Еще один вариант подразделения рассматриваемых систем следующий:

1. Свободнодисперсные. Это такие, в которых частицы находятся в постоянном движении, взаимодействуют друг с другом и не формируют определенной структуры, то есть находятся в неком хаосе. Примеры: мелкодисперсные суспензии, эмульсии, лиозоли, аэрозоли.
2. Связнодисперсные – это коллоидные системы, в которых внутренняя структура четко упорядочена и представляет собой некий молекулярный каркас из среды, заполненный внутри фазой. Примерами могут служить гели, пасты, порошки, густые эмульсии и суспензии.

Возможен самопроизвольный переход золя в гель, этот процесс имеет название гелеобразования. Однако нередко наблюдается и обратный процесс.

Лиофобные системы: золи

Это такая коллоидная система, фазы которой достаточно четко отделены друг от друга границей раздела. Однако увидеть это сложно, ведь размеры частиц дисперсных – не более 100 нм. Именно поэтому золи – промежуточное состояние между истинными растворами и грубодисперсными составами.

У данных систем есть своя классификация. Их разделяют в зависимости от вида дисперсионной среды. Можно выделить несколько основных вариантов:

• гидрозоли – среда водная;
• алкозоли – спирт;
• этерозоли – эфирная;
• органозоли – более общее обозначение органической природы среды.

Именно для лиозолей (среда – жидкая) характерно такое понятие, как мицелла. Им обозначают фазные частицы в совокупности с внешней сферой – частицами (ионами) окружающей среды. Для любой зольной системы можно записать свое химическое выражение, отражающее ее состав в виде мицеллы.

Пример: красный золь золота с составом NaAuO2 + HCOH + Na2CO3 → Au + HCOONa + H2O имеет мицеллу следующего вида: {[Au]m· n AuO2–· (n-x) Na+}x– · xNa+.

Свойства золей можно описать несколькими пунктами:

1. Существует граница раздела фаз, у которой сильное поверхностное натяжение.
2. Частица фазы и среды находятся в постоянном броуновском движении.
3. Частицы способны к агрегации – слипанию и осаждению. Это объясняется их постоянным взаимодействием.

Если же говорить об использовании золей в промышленности, то оно достаточно широко. Если вспомнить, что все аэрозоли, суспензии и эмульсии относятся именно к ним, то становится ясно, что без подобных коллоидных систем не обходятся:

• химическая промышленность;
• фармацевтика;
• военное дело;
• пищевая отрасль и прочие.

При определенных условиях золи могут начать структурироваться. То есть выстраивать внутренний каркас из дисперсных частиц, ячейки в которых будут заполнены молекулами среды. Еще одно название происходящего – коагуляция или слипание. В этом случае говорят о гелеобразовании, так как продуктом станет гель.

Лиофильные системы

Данные структуры образуются благодаря тесному взаимодействию частиц среды и фазы. Это приводит к тому, что они растворяются друг в друге, набухают и образуются студенистые гелеобразные по консистенции соединения. Внутри же они представляют собой трехмерную пространственную сетку, в которой все поры заполняются частицами жидкой или твердой среды. Благодаря такому строению все лиофильные гели обладают следующими свойствами:

• упругость;
• способность сохранять постоянную форму;
• прочность;
• пластичность;
• нетекучесть.

Такие молекулярные коллоидные системы встречаются очень часто. Ведь по своей природе это как высокомолекулярные, так и низкомолекулярные вещества, подвергшиеся воздействию для изменения свойств. Приведем несколько всем известных вариантов:

• косметические гели для бритья, для волос;
• лекарственные препараты – от болей, ушибов, ран и прочего;
• бытовая химия;
• адсорбенты в химической промышленности.

Особое свойство данных веществ – способность самопроизвольно необратимо разрушаться при высушивании. Наверняка многие замечали, что есть обычный гель для волос оставить открытым, то через два-три дня от него останется лишь маленькая сухая масса, непригодная к использованию.

Это происходит из-за разрушения пространственной структуры и испарения влаги. Иногда влагу специально убирают из состава гелей, чтобы получить нужный продукт. Но делается это химическим путем, без разрушения общей структуры. Так получают силикагели, алюмогели.

Особенные и общие свойства коллоидов

Свойства коллоидных систем (или коллоидов) следующие:

1. Отличительный внешний вид, особенно если речь идет о гелях, эмульсиях и суспензиях, аэрозолях.
2. Особое отношение к проходящему сквозь вещество свету: большинство из них не препятствует этому, а часть (прозрачные) вообще рассеивают направленный пучок.
3. Постоянное движение частиц не позволяет в коллоидных системах образовываться осадку.
4. Так как среда и фаза могут быть очень разными по отношению друг к другу, то выделить общие физические параметры сложно. Они должны относиться к каждому конкретному веществу.

Если говорить об особых свойствах рассматриваемых состояний веществ, то следует указать на броуновское движение структурных элементов и на эффект Тиндаля, то есть на рассеивание света.

Эффект Тиндаля

Данное явление входит в особые оптические свойства коллоидных систем. Суть его заключается в следующем: пучок света, проходящий через раствор (или аэрозоль) системы, рассеивается. Однако делает это не совсем обычно. Так как способность отражать или поглощать пучки света у всех частиц разная, показатель преломления варьируется, то получается, что можно наблюдать конусообразное пятно на темном фоне.

Этот эффект используется для определения качества, количества и размеров частиц, составляющих данную систему. Впервые методика была разработана и введена в использование Джоном Тиндалем, за что и получила такое название.

Очень простой и доступный опыт в домашних условиях позволит убедиться в наличии данного эффекта. Нужно приготовить раствор куриного белка в воде. Получится типичная лиофильная коллоидная система. Затем пропустить через него лазерный луч и обеспечить позади сосуда темный фон. Таким образом, конус Тиндаля будет виден очень отчетливо, а свет внутри раствора рассеется.

Броуновское движение частиц

Это еще одно особое свойство рассматриваемых систем. Заключается в постоянном движении частиц фазы в среде раствора как газообразной, так и жидкой. Молекулы, атомы, ионы находятся в беспрерывном хаотическом круговороте. Это позволяет коллоиду существовать в неизменном виде. Кроме того, благодаря их одинаковым зарядам слипания между ними не происходит. Это позволяет системе быть достаточно устойчивой.

Это явление характерно лишь для тех частиц, размер которых не превышает 3 мкм. Иначе наступает седиментация раствора.

Способы образования коллоидов

Методы получения коллоидных систем достаточно разнообразны, поскольку и сами системы неодинаковы. Можно выделить несколько наиболее часто применяемых приемов.

1. Конденсация.
2. Диспергирование.
3. Пептизация.

Все эти методы коллоидных систем имеют широкое промышленное значение при работе с ними, при их получении и изучении свойств. Рассмотрим более подробно каждый из них.

Конденсация – это метод, в основе которого лежит способность молекул и ионов ассоциироваться друг с другом, слипаться, образуя более крупные частицы. Таким образом, формируется новая система, чаще всего обладающая свойствами коллоида. Сделать это можно двумя путями:

• заменой растворителя (то есть среды);
• химической конденсацией, то есть рядом последовательных взаимодействий, приводящих к укрупнению частиц.

И в том, и в другом случае получаются настоящие коллоиды, в которых твердые частицы удерживаются броуновским движением во взвешенном состоянии.

Диспергирование, напротив, заключается в измельчении фазового компонента смеси до того состояния, когда раствор станет коллоидом. Делают это несколькими способами:

• механическим дроблением;
• электродуговым распылением;
• измельчением ультразвуком и прочее.

Пептизация – химическое расщепление слипшихся коагулированных частиц на более мелкие структуры. Таким способом получают растворы в промышленности. При этом обязательное участие принимают специфические агенты – пептизаторы.

Условия устойчивого состояния

Устойчивость коллоидных систем требует определенных условий. Ведь мы уже говорили, что с течением времени они могут разрушаться, иногда необратимо. Особенно это касается лиофобных систем – золей. Поэтому существуют методы, позволяющие сохранить и повысить устойчивость коллоидов:

1. Добавление специальных антикоагулянтов – стабилизаторов.
2. Введение постоянных и временных электролитов для изменения значения электродного потенциала участников системы.

Остальные способы являются узкоспецифичными для каждого конкретного коллоида, когда учитываются все свойства раствора.

Распространение и значение коллоидных систем

Встретиться с коллоидами можно как в химической лаборатории, так и в природе. Известно, что практически все внутренние биологические вещества живого организма представляют собой именно такие дисперсные системы. Например:

• цитоплазма;
• строма;
• костный мозг и прочие.

Среди строительных материалов очень много именно коллоидных систем, которые обладают хорошими техническими характеристиками. Это бетон, металлические сплавы, глиносодержащие соединения, пены, аэрозоли и так далее.

Фармацевтика вообще невозможна без коллоидов. Все пасты, мази, гели, суспензии и эмульсии – это лекарственные средства, представляющие собой рассматриваемые нами системы. Поэтому переоценить значение и распространение коллоидов сложно, они одни из самых распространенных и широко используемых видов агрегатного состояния вещества.