Даниловская Л. П. / Лекция 3. Строение коллоидных растворов

Лекция 3 КХ21

СТРОЕНИЕ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Коллоидные системы, в которых дисперсионная среда  жидкость, называют золями или коллоидными растворами. Коллоидные растворы содержат в дисперсионной среде такие вещества, которые неспособны давать истинный раствор, т. е. содержащий отдельные молекулы или ионы. Иначе говоря, коллоидные растворы образуются малорастворимыми веществами, такими, как сера, металлы, гидроксиды металлов, кремниевая кислота. Водные коллоидные растворы играют важную роль в природе и в технике: это водоподготовка, лекарственные препараты, очистка сточных вод, продукты питания и др.

Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов называют коллоидными частицами. Их размер соответствует размерам нескольких десятков, сотен, а иногда и тысяч атомов. Коллоидная частица состоит из нейтрального ядра, которое адсорбирует (т.е. притягивает и удерживает) из окружающей среды ионы одного вида. Эти ионы называют зарядообразующими или потенциалопределяющими, их химическая природа близка химической природе ядра коллоидной частицы.

Ядро коллоидной частицы вместе с адсорбированными зарядообразующими ионами притягивает к себе из среды ионы противоположного знака заряда  противоионы. Зарядообразующие ионы и противоионы гидратированы и поэтому вместе с ними в коллоидную частицу входит вода, молекулы которой создают гидратную оболочку. Весь этот комплекс перемещается в растворе как единое целое, его и называют коллоидной частицей.

В состав коллоидной частицы входит только часть имеющихся в системе противоионов, их называют связанными. Другая часть противоиоонов остается в дисперсионной среде, т.е. в жидкой фазе. Эти противоионы называют свободными. Свободные противоионы, также, как и связанные, гидратированы. Они придают заряд дисперсионной среде. Очевидно, что заряд свободных противоионов и заряд коллоидной частицы противоположны по знаку.

Свободные ионы вместе с их гидратной оболочкой называют также диффузным слоем. Он находится на некотором удалении от коллоидной частицы.

Все сочетание, состоящее из коллоидной частицы и гидратированных свободных противоионов, называют мицеллой, в переводе с греческого – «крошка». Заряд мицеллы равен нулю. Мицеллу считают структурной единицей коллоидного раствора.

Рассмотрим формулы мицелл двух золей. Первый  золь хлорида серебра AgCl, стабилизированный хлоридом калия:

{[m(AgCl) nCl^{- .} (n – x) K^{+ .} yH₂O]^x- + xK^{+ .} zH₂O}⁰

коллоидная частица

мицелла

Второй золь  золь гидроксида железа Fe(OH)₃, стабилизированный хлоридом железа FeCl₃:

{[mFe(OH)₃ nFe³⁺ 3(n – x)Cl^{- .} yH₂O]^3x+ + 3xCl^{- .} zH₂O}⁰

коллоидная частица

мицелла

В рассмотренных формулах мицелл m  число молекул, образующих ядро коллоидной частицы; n  число потенциалопределяющих ионов; (n- x)  число связанных противоионов адсорбционного слоя; х --- число свободных противоионов; y  число молекул воды в гидратной оболочке коллоидной частицы; z  число молекул воды, связанных со свободными противоионами.

В соответствии с правилом Панета  Фаянса, на поверхности твердой частицы (ядра) избирательно адсорбируются только те ионы, которые способны достроить ее кристаллическую решетку или изоморфны с ней.

В первом золе на поверхности твердой коллоидной частицы будут адсорбироваться ионы Cl^-, так как они входят в состав кристаллической решетки AgCl. Коллоидная частица при этом имеет отрицательный заряд.

В золе Fe(OH)₃ кристаллическую решетку ядра частицы достраивают ионы Fe³⁺, поэтому данная коллоидная частица приобретает положительный заряд.

Заряд коллоидной частицы определяется зарядом ионов, адсорбированных на ядре. Иногда одна и та же крупная частица (ядро) может адсорбировать либо катионы, либо анионы. Это зависит от конкретных условий получения коллоидного раствора: соотношения концентраций компонентов, рН среды, температуры и т. д. Таким образом, заряд коллоидных частиц с одинаковым составом ядра может быть положительным или отрицательным при разных условиях получения коллоидного раствора.

На рис. (см. ниже), показано схематичное строение мицеллы золя Fe(OH)₃. Молекулы Fe(OH)₃ объединяются друг с другом и получившиеся крупные частицы Fe(OH)₃ образуют ядро. Оно адсорбирует ионы Fe³⁺, образуя коллоидную частицу. На этом рисунке обозначение «n» - это число молекул, объединенных в ядро. Предположительно, «n» =400 – 600.

Как видно из рисунка, часть противоионов Cl^-, более или менее прочно связаны с коллоидной частицей, а другая часть, диффузный слой, находится на некотором удалении от нее.

Различают лиофобные и лиофильные золи (с греческого: лио  растворяю, фобос  страх, филео  люблю). Общими условиями получения лиофобных золей являются нерастворимость или очень малая растворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде, а также наличие в среде веществ, которые способны стабилизировать частицы дисперсной фазы  стабилизаторов. Процесс диспергирования является несамопроизвольным, требует затраты энергии. Наличие четко выраженной межфазной границы и избытка свободной поверхностной энергии обусловливает стремление к коагуляции. Примерами гидрофобных золей являются гидрозоли металлов, сульфидов, эмульсии масла в воде и др.

Образование лиофильных золей происходит самопроизвольно, часто с выделением энергии. Имеет место сильное межмолекулярное взаимодействие между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды. Лиофильные золи термодинамически устойчивы, что означает постоянство во времени концентрации и размеров частиц. К лиофильным золям относятся коллоидные поверхностноактивные вещества (ПАВ), а также растворы высокомолекулярных соединений (ВМС).

  Вопросы для самоконтроля по теме: «Строение коллоидных растворов» (Лекция 3)

1.  Какие вещества образуют коллоидные растворы - хорошо растворимые или малорастворимые?

2. Как называется структурная единица коллоидного раствора?

3. Какие заряды (положительный, отрицательный, нулевой) имеют: - мицелла, - коллоидная частица, - ядро коллоидной частицы?

4. Назовите ионы, придающие заряд дисперсионной среде.

5. Назовите ионы, придающие заряд коллоидной частице.

6. Объясните, что такое гидратация и за счет чего образуются гидратные оболочки в мицелле.

7. В чем различие между лиофильными и лиофобными золями и какие из них образуются самопроизвольно.