системы – это системы, в которых одно вещество в виде мельчайших частиц распределено в другом веществе.
В котором распределено – дисперсная среда. Которое в мельчайших частицах – дисперсная фаза.
По размерам дисперсной фазы различают:
1.грубодисперсные – 10-5см <a
Д (степень дисперсности) = 1/aсм-1
Смысл: сколько частиц может уместиться в единице длины.
Д <10-5см
2.Коллоидные – 10-7<a<10-5см
10-7<Д<10-5
3.истинные растворы – a<10-7см
Д<10-7см
К дисперсным системам относятся обычные (истинные) растворы, коллоидные растворы, а также суспензии и эмульсии. Они отличаются друг от друга, прежде всего размерами частиц, т.е. степенью дисперсности, а также состояниями дисперсионной среды и дисперсионной фазы.
Суспензия (взвесь) – это дисперсная система, в которой дисперсной фазой является твёрдое вещество, а дисперсионной средой – жидкость, причём твёрдое вещество практически нерастворимо в жидкости. Например, масляные краски, взвесь гидроксида кальция.
Эмульсии – это дисперсные системы, в которых и ДФ и ДС являются жидкостями, взаимно не смешивающимися. Например, молоко, водоэмульсионная краска, майонез.
Коллоидные растворы – это высокодисперсные системы (диаметр частиц от 1 до 500нм) с жидкой дисперсной средой. Коллоидные растворы по размерам частиц являются промежуточными между истинными растворами и суспензиями и эмульсиями. Коллоидные частицы обычно состоят из большого числа молекул или ионов.
Коллоидные растворы = золи
Гель – ДС твёрдая, а ДФ жидкая. Например, желе, желатин, косметические гели. Гели –связанная коллоидная система.
При определённых условиях (понижение температуры) золи утрачивают текучестьи переходят (тиксотропия) в гели. При повышении температуры гели становятся золями (синерезис).
Лиофильные – обратимые коллоиды.
Лиофобные – необратимые коллоиды.
Получение коллоидных растворов.
Методы основаны либо на дроблении крупных (методы диспергирования), либо на укрупнении мелких (методы конденсации) частиц. И диспергирование, и конденсация могут протекать как без участия химических или физико-химических процессов, так и с их участием, поэтому условно выделяют физические и химические методы получения дисперсных систем.
Диспергирование проводят с использованием коллоидных и шаровых мельниц, с помощью электричества, ультразвука, вибрации (физические методы) и пептизации (химический метод). Пептизация – переход частиц осадка снова в раствор.
Физические конденсационные методы основаны на создании в гомогенной системе пересыщения путём изменения температуры или состава растворителя. Химические конденсационные методы заключаются в проведении реакций, заканчивающихся образованием нерастворимых веществ. Реакции проводят таким образом, чтобы скорость образования частиц дисперсной фазы превышала скорость их роста, так как от соотношения скоростей этих процессов зависит степень дисперсности получаемой системы. Такое условие достигается подбором концентраций реагентов, температурного режима, введением ингибиторов роста кристаллов. Для получения золей методом химической конденсации можно использовать ОВР и обменные реакции.
Коллоидные растворы, полученные одним из таких способов, содержат примеси растворённых низкомолекулярных веществ и грубодисперсных частиц, наличие которых может отрицательно сказываться на свойствах золей, снижая их устойчивость.
Для очистки коллоидных растворов от примесей используют фильтрацию, диализ, электродиализ, ультрафильтрацию.
Фильтрация основана на способности коллоидных частиц проходить через поры обычных фильтров. При этом более крупные частицы задерживаются. Фильтрацию используют для очистки коллоидных растворов от примесей грубодисперсных частиц.
Диализ – удаление с помощью мембран низкомолекулярных соединений из коллоидных растворов и растворов высокомолекулярных соединений. При этом используют свойства мембран пропускать молекулы и ионы малого размера и задерживать коллоидные частицы и макромолекулы. Малые молекулы и ионы диффундируют через мембрану в растворитель и при его достаточно частой замене почти нацело удаляются из диализуемой жидкости. В качестве мембран для диализа применяют различные плёнки: естественные (бычий или свиной мочевой пузырь, плавательный пузырь рыб) и искусственные (из целлофана, желатина и других материалов).
Электродиализ используют для увеличения скорости диализа низкомолекулярных электролитов. С этой целью в диализаторе создают постоянное электрическое поле с разностью потенциалов. Проведение диализа в электрическом поле позволяет ускорить очистку коллоидного раствора в несколько десятков раз.
Ультрафильтрацию применяют для очистки систем, содержащих частицы коллоидных размеров (золи, взвеси бактерий и вирусов) . В основе метода лежит продавливание разделяемой смеси через фильтры с порами, пропускающими только молекулы и ионы низкомолекулярных веществ. В определённой степени ультрафильтрацию можно рассматривать как диализ под давлением. Ультрафильтрацию широко используют для очистки воды, белков, НК, ферментов, а также в микробиологии для определения размеров вирусов и бактериофагов.
Устойчивость коллоидных растворов.
Различают седиментационную и агрегативную устойчивость.
Седиментационная устойчивость – это устойчивость частиц к оседанию под действием силы тяжести; седиментационно неустойчивые системы с течением времени расслаиваются: легкие частицы всплывают на поверхность, а тяжелые – оседают на дно.
Агрегативная устойчивость – это способность дисперсных систем сохранять размер частиц и их индивидуальность. В агрегативно неустойчивых системах проходят процессы укрупнения частиц.
Коллоидные растворы являются седиментационно устойчивыми, т.к. частицы их дисперсных фаз принимают участие в броуновском движении. Однако они являются агрегативно неустойчивыми. Это связано с большой удельной поверхностью дисперсной фазы, и, как следствие, большим избытком энергии Гиббса на границе раздела фаз.
Потеря коллоидным раствором агрегативной устойчивости называется коагуляцией. Коагуляция – это процесс укрупнения коллоидных частиц, приводящий к разрушению коллоидного раствора.
До тех пор, пока процессы агрегации не приводят к нарушению седиментационной устойчивости (частицы становятся крупнее, но по размерам не выходят за границу коллоидно-дисперсного состояния), внешне коагуляция может проявляться только в изменении цвета золя. По мере укрупнения частиц система начинает постепенно терять и седиментационную устойчивость – появлявляется помутнение, а затем выпадает осадок.
Особенно золи чувствительны к добавлению электролитов, которые уменьшают заряд коллоидных частиц за счёт сжатия диффузного слоя. Электролитическая коагуляция золей проявляется только при достижении некоторой критической концентрации ионов в золе, называемой порогом коагуляции. Величину, обратную порогу коагуляции, называют коагулирующей способностью.
γ =1/ n6 – порог коагуляции обратно пропорционален заряду иона, имеющего противоположный знак по сравнению с коллоидной частицей в шестой степени.
Процесс дезагрегации частиц, обратный процессу коагуляции называют пептизацией. Пептизация тем более вероятна, чем меньше времени прошло с момента коагуляции. Это объясняется тем, что коагулят (осадок) «стареет», частицы фазы срастаются и коагуляция принимает необратимый характер.
Строение мицелл.
Структурную единицу коллоидного раствора называют мицеллой. Множество формульных единиц (до нескольких тысяч), соединяясь вместе образуют агрегат. Ионы, сообщающие поверхности агрегата определённый заряд, называют потенциалопределяющими ионами. ПИ удерживаются на поверхности агрегата за счёт межмолекулярных взаимодействий. Агрегат вместе со слоем ПИ принято называть ядром коллоидной частицы. Противоионы имеют знак заряда, противоположный ПИ.
На противоионы со стороны ядер коллоидных частиц действует электростатическое притяжение. В то же время противоионы могут принимать участие в тепловом движении как кинетически самостоятельные единицы.
Таким образом, одни противоионы достаточно прочно связаны с поверхностью ядер, вместе с ПИ они образуют адсорбционный слой. Другие противоионы образуют диффузный слой. Агрегат вместе с адсорбционным слоем образует гранулу мицеллы. Знак заряда гранулы определяется знаком заряда ПИ, а размер заряда – толщиной диффузного слоя. Гранула и противоионы диффузного слоя образуют мицеллу. Мицелла электронейтральна.
Свойства коллоидных растворов.
Золи обладают рядом специфических свойств, так, золи в зависимости от размеров частиц могут иметь различную окраску. Например, золи золота могут быть синими, фиолетовыми, вишнёвыми, рубиново-красными.
В отличии от истинных растворов для золей характерен эффект Тиндаля, т.е. рассеяние света коллоидными частицами. При пропускании через золь пучка света появляется светлый конус, видимый в затемнённом помещении. Так можно распознать, является данный раствор коллоидным или истинным.
Одно из важных свойств золей является то, что их частицы имеют электрические заряды одного знака. Благодаря этому они не соединяются в более крупные частицы и не осаждаются. При этом частицы одних золей имеют отрицательный заряд (металлов, кремниевой кислоты - силикагель), а других положительный (оксидов металлов). Возникновение заряда объясняется адсорбцией коллоидными частицами ионов из раствора.
