6.2. Электрические свойства коллоидных систем

Теоретическое пояснение: частицы в коллоидных системах вследствие адсорб-ции ионов из окружающей среды приобретают заряд. Ионы образуют на поверх-ности частиц двойной электрический слой (ДЭС). Он состоит из потенциалопре-деляющих ионов (ионов, непосредственно связанных с поверхностью частиц) и части противоионов (ионов, притянутых к потенциалопределяющим ионам). Часть противоионов, за счет электростатического отталкивания, располагаются подальше от поверхности в растворе. Частицы при движении проявляют некото-рый свободный заряд, хотя весь коллоидный раствор в целом остается электронейтральным.

Наличие ДЭС у коллоидных частиц или на поверхности капилляров пористых сред является причиной возникновения в дисперсных системах электрокинетических явлений (электрофорез и электроосмос, потенциалы протекания и оседания).

Заряд коллоидных частиц можно определить различными методами (электро-форезом, методом капиллярного поднятия и др.).

Метод капиллярного поднятия основан на нейтрализации коллоидных частиц на стенках капилляров бумаги. Бумага состоит из высокомолекулярного вещества – целлюлозы, молекулы которой имеют карбоксильные группы. В воде эти группы диссоциируют и придают стенкам капилляров бумаги отрицательный заряд. Когда под действием сил поверхностного натяжения коллоидный раствор движется (просачивается) по капиллярам, возникает электростатическое взаимо-действие между заряженными стенками капилляров бумаги и коллоидными частицами. Если частицы заряжены отрицательно, они отталкиваются от стенок капилляров и движутся с водой, окрашивая бумагу. Если же частицы золя заряжены положительно, то они притягиваются к стенкам капилляров, их заряд нейтрализуется и они образуют в капиллярах осадок. В этом случае в бумагу всасывается только вода. Таким образом, по окрашиванию бумаги (поднятию окрашенной зоны или расплыванию капли) можно судить о знаке заряда частиц в коллоидном растворе.

91

Лабораторная работа

Определение знака заряда коллоидных частиц

Задачи работы: определение заряда окрашенного золя методом капиллярного поднятия.

Оборудование и реактивы: золь гидроксида железа (III), золь красного конго, 2 стаканчика, стеклянные палочки, полоски фильтровальной бумаги.

Выполнение работы: в отдельности в стаканчики налить золи гидроксида железа (III) и красного конго на высоту 0,5 – 1 см. В растворы на глубину 2 – 3 мм опустить полоски фильтровальной бумаги так, чтобы они не касались стенок стаканчиков. Верхние концы полосок закрепить на стеклянных палочках, опирающихся на стенки стаканчиков. Через 10-15 мин полоски фильтровальной бумаги вынуть и делать вывод о заряде коллоидных частиц.

Порядок оформления работы: в журнале записать суть определения заряда коллоидных частиц окрашенного золя методом капиллярного поднятия, зарисовать стаканчики с полосками бумаги и сформулировать вывод о заряде коллоидных частиц.

6.3. Коагуляция в коллоидных растворах

Теоретическое пояснение: лиофобные коллоидные системы термодинамически мало устойчивы. Коллоидные частицы склонны объединяться и выпадать в оса-док. Процесс самопроизвольного объединения и укрупнения коллоидных частиц с последующим выпадением агрегатов в осадок называется коагуляцией. При действии особых факторов, коллоидные системы могут существовать длительное время без видимых изменений. Различают кинетическую и агрегативную устойчивость коллоидных систем.

Устойчивость коллоидной системы к процессу объединения (агрегации) час-тиц называется агрегативной устойчивостью. Факторами агрегативной устойчи-вости являются наличие у частиц одноименных зарядов и сольватной оболочки из молекул дисперсионной среды (растворителя). Одноименно заряженные частицы взаимно отталкиваются и тем самым удерживаются в дисперсионной среде. Сольватные оболочки препятствуют объединению частиц благодаря своей упругости и повышенной вязкости.

Под кинетической устойчивостью понимают устойчивость системы против потери однородности вследствие оседания частиц (разделения на дисперсную фазу и дисперсионную среду). Фактором кинетической устойчивости является степень дисперсности (измельчённости частиц). Чем меньше размер частиц, тем медленнее они оседают и тем более устойчива система.

При коагуляции коллоидные частицы объединяются под действием сил меж-молекулярного притяжения. Эти силы действуют на малом расстоянии (0,01 – 0,1 радиуса частиц). Сближение частиц на такое расстояние возможно при их столкновениях в ходе броуновского движения, если этому не препятствуют факторы агрегативной устойчивости. Поэтому в основе механизма коагуляции лежит преодоление сил электростатического отталкивания частиц и барьерного эффекта сольватных оболочек. Этому способствуют воздействия, увеличиваю-

92

щие скорость движения и число столкновений частиц, например, механическое перемешивание раствора, изменение температуры и концентрации раствора. Во многих случаях необходима предварительная нейтрализация заряда частиц, например, пропусканием электрического тока, добавление электролита.

При добавлении электролита коагуляция начинается только при определенной концентрации добавляемого электролита. Минимальная концен-трация электролита (ммоль/л), необходимая для вызова явной коагуляции, назы-вается порогом коагуляции: .

Электролиты обладают разной коагулирующей способностью. Она обратно пропорциональна порогу коагуляции: . Чем выше коагулирующая способность электролита, тем меньше его нужно, чтобы вызвать коагуляцию.

Закономерности коагулирующего действия электролитов сформулированы в виде правил Шульце и Гарди: коагулирующим действием обладают те ионы добавляемого электролита, заряд которых противоположен заряду гранул кол-лоидных частиц; коагулирующая способность ионов возрастает с увеличением их заряда в геометрической прогрессии. Оказывается коагулирующее действие двухзарядных ионов в десятки, а трехзарядных в сотни раз больше, чем у одноза-рядных ионов. Это объясняется большей способностью многозарядных ионов проникать в адсорбционный слой и нейтрализовать потнциалопределяющих ионов. Коагулирующая способность ионов также зависит от их массы (радиуса) и степени гидратации. При одинаковом заряде чем больше масса ионов, тем меньше степень их гидратации и тем сильнее коагулирующее действие.

При концентрациях ниже порога коагуляции добавляемые электролиты не ока-зывают на золь видимого влияния, т.к. концентрация коагулирующих ионов не-достаточно для нейтрализации и снижения заряда коллоидных частиц. При этом объединяются лишь отдельные частицы и поэтому коагуляция незаметна на глаз.

Этот вид коагуляции называется скрытой коагуляцией. С повышением концен-трации наблюдается последовательное снижение заряда частиц вплоть до полной их нейтрализации. При достижении пороговой концентрации коагуляция стано-вится заметной на глаз, и она называется явной. Различают явную медленную коагуляцию (заряд частиц мал, но не равен нулю) и явную быструю (заряд частиц нейтрализован до нуля). О наступлении коагуляции визуально судят по изменению окраски золя, увеличению светорассеяния, появлению хлопьев и их осаждению.

Коагуляция и стабилизация коллоидных систем широко используется в произ-водстве промышленных изделий и продуктов питания, в сельском хозяйстве и биологии. На использовании процессов коагуляции основано получение каучука, мыла, выделка кож, приготовление строительных растворов, бетона и др. Взаим-ная коагуляция используется при очистке питьевой воды на водоочистительных станциях. Электролитная коагуляция взвешенных и коллоидно-растворенных веществ имеет место при образовании почвы, торфа, речных отмелей.

93

В организме растворимость и устойчивость труднорастворимых солей фос-форной, мочевой, желчных кислот, холестерина повышена белками. Снижение их устойчивости может привести к выпадению кристаллов мочевой кислоты в тканях (при подагре), образованию камней в желче- и мочевыводящих путях, к отложению холестерина в стенках сосудов при атеросклерозе.

Лабораторная работа