Лекции по «Коллоидной химии»

Верхний предел обусловлен тем, что  при дальнейшем дроблении частицы  в системе будут находится  уже отдельные молекулы, а не их агрегаты т.е. теряется свойство фазы.

Нижний предел дисперсности определяется снижением интенсивности теплового движения частиц с поперечным размером более 100 нм.

В курсе коллоидной химии рассматриваются  обычно и более грубодисперсные системы, называемые микрогетерогенными, поскольку свойства таких систем во многом совпадают со свойствами коллоидных систем.

К микрогетерогенным системам относят  порошки, эмульсии, пены и др., имеющие большое практическое значение. В этих системах решающий вклад в свойства вносят поверхностные явления.

 

Классификация дисперсных систем

Классификацию дисперсных систем  проводят на основе различных признаков, а именно: по размеру частиц, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по характеру взаимодействия частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды.

 

Классификация по размеру  частиц

(дисперсности)

При этой классификации используется понятие дисперсность или степень дисперсности Д – это мера раздробленности вещества.

;

где а – размер частицы (диаметр  или длина ребра), м^-1.

 

С другой стороны, для характеристики степени раздробленности служит величина удельной поверхности S_уд – отношение поверхности частицы к ее объему V или массе m:

 

S_уд и Д связаны между собой прямопропорциональной зависимостью:

К – коэффициент пропорциональности.

 

Физический смысл понятия «удельная  поверхность» - это суммарная поверхность всех частиц, общий объем которых составляет 1 м³ или общая масса которых равна 1 кг.

По дисперсности системы делят на три типа:

грубодисперсные (грубые взвеси, эмульсии, порошки)	коллоидно-дисперсные (золи)	молекулярные или ионные растворы
размер частиц (радиус), м
10-4 – 10-7	10-7 – 10-9 Основной объект изучения коллоидной химии. Здесь изучаются не ионы и молекулы, а агрегаты, состоящие из обычных молекул – мицеллы (макромолекулы) от 100 до 1 нм. кишечная палочка 3×10-6м вирус гриппа 10-7м золь золота 10-8 м	менее 10-9 Это истинные растворы – наиболее изучены. Системы равновесные, термодинамически устойчивые.

По мере изменения размеров частиц изменяются кинетические, оптические, каталитические и другие свойства:

не прозрачны, отражают свет; не проходят через фильтр; гетерогенны; видны в оптический микроскоп; оседают или всплывают.

прозрачны, опалесцирующие – рассеивают свет; фильтруются; гетерогенны; видны в электронный микроскоп; оседают постепенно.

прозрачны; фильтруются; гомогенны; не видны в современные микроскопы.

Это деление условно и границы  между ними приблизительные.

Дисперсные системы с частицами  коллоидных размеров называют золями. Частицы в коллоидных системах распределяются по всему объему жидкости или газа.

 

Классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

Три агрегатных состояния (твердое, жидкое, газообразное) позволяют выделить девять типов дисперсных систем. Их обозначают дробью, числитель которой указывает на агрегатное состояние дисперсной фазы, а знаменатель – дисперсионной среды.

Таблица 1.2

Классификация дисперсных систем по

агрегатному состоянию

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Условное  обозначение	Название системы и  примеры
Твердая	Твердая       Жидкая     Газообразная	Т/Т       Ж/Т     Г/Т	Твердые гетерогенные системы: минералы, сплавы, бетон, цветные смеси, композиционные материалы. Капиллярные системы: почвы, грунты, жидкость в пористых телах, опал, жемчуг, хризокола. Пористые тела: пемза, силикагель, активные угли.
Жидкая	Твердая   Жидкая Газообразная	Т/Ж   Ж/Ж Г/Ж	Суспензии и золи: пасты, взвеси, ил, пульпа. Эмульсии: нефть, кремы, молоко. Газовые эмульсии: пены.
Газообразная	Твердая   Жидкая Газообразная	Т/Г   Ж/Г Г/Г	Аэрозоли: (пыли, дымы), порошки. Аэрозоли: туманы, облака. Коллоидные системы отсутствуют.

 

Системы с газовой дисперсионной  средой независимо от природы газа называют аэрозолями.

Системы с жидкой средой – лиозолями. В зависимости от природы жидкости лиозоли делят на гидрозоли, органозоли, бензозоли и т.д.

Из табл. 1.2 видно, что все дисперсные системы по кинетическим свойствам дисперсной фазы делятся на два класса: свободнодисперсные системы, в которых дисперсная фаза подвижна, и связнодисперсные системы – системы с твердой дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной фазы не могут свободно передвигаться.

 

Классификация по степени  взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой

По взаимодействию дисперсной фазы с дисперсионной средой различают системы:

1. Лиофильные (если дисперсионная среда вода – гидрофильные). Системы в которых сильно выражено взаимодействие частиц дисперсной фазы с растворителем (от греческого «лио» – растворяю; «филиа» - любовь). Системы термодинамически устойчивы. Дисперсная фаза в таких средах может подвергаться самопроизвольному диспергированию. Дисперсии некоторых глин; поверхностно-активные вещества (ПАВ); растворы высокомолекулярных веществ.
2. Лиофобные (гидрофобные). Дисперсная фаза слабо взаимодействует с дисперсионной средой. («лио» - растворяю; «фобиа» - ненависть). Системы термодинамически неустойчивы и требуют специальных методов стабилизации. Золи металлов, лиозоли, аэрозоли, эмульсии, пены.

 

Примечания:

Опал – минерал подкласса гидроксилов SiO₂·nH₂O, образуется при коагуляции коллоидных растворов кремнезема. При потере воды превращается в халцедон. Слоистая форма халцедона – агат.

 

Силикагель – микропористое тело, получается при прокаливании геля поликремниевой кислоты, состоит из SiO₂.

 

Лекция 2. Получение коллоидных систем (КС) и их очистка.

 

Условия получения КС.

Методы получения КС.

Методы диспергирования. Пептизация.

Методы конденсации.

Очистка и концентрирование коллоидных систем.

Электродиализ. Ультрафильтрация. Электроультрафильтрация.

 

По размеру частиц золи занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами – порошками, суспензиями, эмульсиями.

Поэтому, все методы получения коллоидных систем можно разбить на 2 основные группы:

1. диспергирование – дробление крупных частиц грубодисперсных систем до коллоидной дисперсности;
2. конденсация – соединение атомов, ионов или молекул в более крупные частицы (агрегаты) коллоидных размеров.

 

Истинный раствор (10-8 см)	Коллоидный раствор (10-7-10-5 см)		Грубодисперсные системы (>10-5см)
Методы конденсации		Методы диспергирования

Независимо от применяемых  методов получения коллоидных систем, к общим условиям их получения относятся следующие:

1. Нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде.
2. Достижение коллоидной дисперсности частицами дисперсной фазы.
3. Наличие в системе, в которой образуются частицы дисперсной фазы, третьего компонента – стабилизатора, который сообщает системе агрегативную устойчивость (чаще всего ПАВ (поверхностно-активные вещества), в том числе высокомолекулярные соединения).

Молекулы стабилизатора создают  вокруг частиц дисперсной фазы защитный слой, предохраняющий частицы от агрегирования. (Так получают дисперсии полимеров в воде, эмульсии, пены, суспензии)

Рис. 2.1. Стабилизация коллоидной системы  с помощью ПАВ.

Рис. 2.2. Стабилизация дисперсии полимера (макромолекула полимера свернута в глобулу) с помощью ПАВ.

Рис.2.3. Самодиспергирующаяся частица.

 

При соблюдении этих условий синтеза КС любое вещество можно получить в коллоидном состоянии.

Например, натрия хлорид можно получить в коллоидном состоянии при диспергировании его в бензоле, в котором он не растворяется и не дает истинного раствора.

Сера, которая хорошо растворяется в этаноле с образованием истинного раствора, в воде дает коллоидный раствор, т.к. она в ней не растворяется.

 

Методы конденсации.

Основаны на создании условий, когда  будущая дисперсионная среда пересыщается веществом будущей дисперсной фазы.

Различают следующие методы.

Методы физической конденсации.

I. Метод конденсации из паров.

Один из методов конденсации  предложен С.З. Рогинским и А.И. Шальниковым: основан на конденсации паров в вакууме на поверхности сосуда, охлажденной жидким воздухом.

 

 

 

 

Рис.2.4. Схема прибора Рогинского и Шальникова.

 

В отростках 1 и 3 прибора подвергаются испарению одновременно диспергируемое вещество (например, Натрий) и дисперсионная среда (например, бензол) при Т=673К.

Пары веществ конденсируются на поверхности сосуда 4, охлаждаемого жидким воздухом до 193К – охлажденный твердый бензол содержит затвердевший Натрий. После удаления из сосуда 4 жидкого воздуха температура повышается, оттаявшая смесь бензола с натрием попадает в отросток 2 – получен коллоидный раствор натрия в бензоле.

II. Метод замены растворителя.

Растворенное вещество, оказавшись в иной среде (в которой оно  не растворимо), конденсируется с образованием частиц дисперсной фазы.

Например, мастика, растворенная в  спирте и внесенная в воду, в которой нерастворима, образует коллоидные частицы.

Таким образом получают золи канифоли, золи серы в воде и т.д.

По этому методу  получают уретановый загуститель печатных красок и дисперсий – лапрол ДЗ.

Лапрол ДЗ представляет собой блоксополиуретан.

Макромолекула полимера состоит из участков двух типов: короткого жесткого, образованного из остатков диизоцианата и длинного гибкого, образованного из остатков простого полиэфира:

Нужна система растворителей, каждый из компонентов которой будет растворять отдельные фрагменты, например: спирт, гептан, вода.

 

 

Рис. 2.5. Схема расположения макромолекул полимера в растворе.

 

Рис. 2.6. Схема расположения макромолекул в твердом

полимере.

Рис. 2.7. Изменение расположения макромолекул полимера при добавлении к раствору воды (образование геля).

 

Методы химической конденсации.

Основаны на проведении в растворе химических реакций, сопровождающихся образованием нерастворимых или труднорастворимых веществ.

Это могут быть реакции: восстановления, окисления, разложения, гидролиза и др.

Восстановление: получают золи металлов.

Красный золь золота – реакция  восстановления соли золота (аурата натрия) формальдегидом:

 аурат натрия формальдегид

 

на образующихся частичках (микрокристаллах  золота) адсорбируются ионы - потенциалобразующие ионы. Противоионы - .

Строение частиц можно представить  схемой:

частицы золота имеют отрицательный  заряд Х-.