Раздел 7-8. Коллоидная химия (стр. 1 )

РАЗДЕЛ 7-8.  КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Дисперсные системы обладают большим запасом поверхностной энергии, т. е. высоким термодинамическим потенциалом. Поэтому, согласно второму закону термодинамики, они склонны к сокращению площади поверхности раздела фаз, что сообщает им склонность к самопроизвольному слипанию (слиянию) частиц дисперсной фазы, приводящему к разделению фаз, расслаиванию системы. Стабилизирующее действие электролитов рассмотрим на примере образования иодида серебра по реакции:

Если в раствор постепенно при интенсивном перемешивании вливать раствор , то осадок иодида серебра формируется в присутствии ионов (ионы в этих условиях сразу же связываются в и потому в системе отсутствуют). В таких условиях на поверхности кристаллов в момент их зарождения будут адсорбироваться согласно правилу Панета-Фаянса ионы . В результате образуются ядра коллоидных частиц, несущие в среднем по m положительных электрических зарядов, поступивших с ионами   (потенциалопределяющие ионы); .

Под действием сил электростатического взаимодействия из раствора к ядрам притягиваются в среднем по (m-x) присутствующих в системе противоионов (ионы, знак электрических зарядов которых противоположен знаку зарядов ядер). В итоге образуются положительно заряженные коллоидные частицы:

.

Средний электрический заряд х коллоидных частиц равен алгебраической сумме электрических зарядов потенциалопределяющих ионов и противоионов, входящих в состав этих частиц: x = m – (m – x).

Наряду с силами электростатического взаимодействия, в дисперсной системе действуют и силы диффузии. Вследствие этого часть противоионов остается в растворе и обладает свободой движения. Совместно с этими свободными противоионами коллоидные частицы составляют так называемые мицеллы, средний состав которых можно описать формулой (здесь рассматривается случай недостатка реактива-осадителя; при его избытке в системе протекают более сложные процессы, сопровождающиеся изменениями строения мицелл и знака среднего электрического заряда коллоидных частиц):

  {    } 

ПОИ – потенциалопределяющие ионы

Если изменять условия формирования осадка иодида серебра: раствор вливать в раствор , то процесс будет идти в присутствии ионов , , (ионы в этих условиях сразу же связываются в и потому в системе отсутствуют). Это влечет за собой изменение знака электрических зарядов ядер коллоидных частиц и приводит к изменению знака электрических зарядов самих коллоидных частиц. Наряду с этим изменится и средний состав мицелл:

.

Как следует из вышеизложенного, в любом случае мицеллы электронейтральны. Они как бы представляют собой структурные единицы коллоидной системы.

Значение среднего электрического заряда коллоидных частиц определяется разностью электростатических потенциалов, возникающей между коллоидными частицами и раствором при установлении равновесия в системе. Эта разность в системе называется -потенциалом (дзета-потенциал) системы. Чем больше-потенциал системы, тем больше значение среднего электрического заряда коллоидных частиц.

Наличие у коллоидных частиц одноименных электрических зарядов приводит к их взаимному отталкиванию. Это обстоятельство препятствует возможному слипанию (слиянию) частиц дисперсной фазы и, тем самым, сообщает системе так называемую коллоидную устойчивость. Чем больше средний заряд коллоидных частиц, тем больше силы их взаимного отталкивания. Следовательно, чем больше -потенциал системы, тем больше ее коллоидная устойчивость. Электролит, в состав которого входят ионы, адсорбирующиеся на поверхности дисперсных частиц (потенциалопределяющие ионы), называется электролитом-стабилизатором.

Коагулирующие действия оказывают лишь те ионы электролита, знак электрического заряда которых противоположен знаку заряда коллоидных частиц рассматриваемой дисперсной системы. Эти ионы называются ионами-коагуляторами, а электролит, в состав которого они входят – электролитом-коагулятором.

Минимальная концентрация электролита-коагулятора, вызывающая в системе коагуляцию, называется порогом коагуляции или критической концентрацией [моль/], где - объем образца коллоидной системы, ; - объем раствора электролита-коагулятора, введение которого вызвало во взятом образце коллоидной системы быструю коагуляцию, ; c и n – концентрация (моль/) и количество (моль) ионов коагуляторов в использованном объеме , раствора электролита-коагулятора.

Установлено, что порог коагуляции обратно пропорционален шестой ступени электрического заряда (валентности) ионов-коагуляторов (Дерягин):

,

где Т – температура системы, К; k – коэффициент, зависящий от физических свойств фаз системы.

Важнейшими свойствами полимеров, определяющие их технологические качества, являются лиофобность («боязнь» растворителя) и лиофильность («любовь» к растворителю). Полимеры не растворяются в веществах, к которым они лиофобны: гидрофобные полимеры нерастворимы в воде и других полярных растворителях, а олеофобные – нерастворимы в углеводородах нефти. Растворение полимеров возможно лишь в тех растворителях, к которым они лиофильны: гидрофильные полимеры могут быть растворены в воде и других полярных растворителях, а олеофильные – растворимы в нефтепродуктах.

Растворение полимеров проходит через предварительное набухание, которое заканчивается образованием жидкотекучих растворов. Если молекулы полимера имеют пространственно-развитое строение или «сшиты» между собой, то процесс растворения полимера «затормаживается» на стадии набухания – происходит ограниченное набухание. Таковы, например, желатин в холодной воде, различные сорта резины и некоторые пластмассы в углеводородах. Ограниченное набухание полимера характеризуется степенью набухания , определяемой как отношение приращения объема () испытуемого образца полимера к его первоначальному объему :

,

где - объем набухшего образца полимера.

На практике степень набухания часто определяют и как отношение приращения массы () испытуемого образца полимера к его первоначальной массе :