Устойчивость коллоидных системобъясняется особенностямиих строения

Любой коллоидный раствор состоит из мицелл и интермицеллярной жидкости. Под интермицеллярной жидкостью понимают дисперсионную среду, содержащую растворенные электролиты-стабилизаторы и неэлектролиты. Мицеллы – твердые частицы коллоидной дисперсности или дисперсная фаза. Если коллоидная частица является лиофобной (гидрофобной в случае водного раствора), то интермицеллярная жидкость непосредственно окружает только частицы стабилизатора, взаимодействующие с нерастворимой фазой коллоида. Если же мы имеем дело с лиофильным (гидрофильным) коллоидом, то интермицеллярная жидкость взаимодействует также и с частицами нерастворимой фазы. Учитывая изложенные особенности, распишем схемы образования гидрофобных и гидрофильных коллоидных мицелл отдельно.

Случай первый – образование гидрофобных коллоидов. Основную часть мицеллы составляет агрегат или зародыш, состоящий из большого числа (m) молекул (атомов или ионов) нерастворимого в воде вещества и имеющий кристаллическое строение, на схеме зародыш записывается как m(нераств. частиц). Для получения устойчивого золя, например, в водном растворе, один из реагентов, участвующих в образовании нерастворимой фазы, должен быть взят в избытке по отношению к другому. Избыточный компонент называют электролитом-стабилизатором коллоидного раствора.

Тогда на поверхности твердого кристаллического агрегата адсорбируется тот из ионов стабилизатора, который входит в состав кристаллической решетки или может образовывать с одним из ионов решетки мало растворимое соединение (правило Пескова-Фаянса). Эти ионы, называемые потенциалопределяющими ионами, потому что они определяют знак и величину термодинамического потенциала коллоидной системы, будут вместе с зародышем формировать ядро коллоидной частицы. При этом заметим, что ионы-стабилизаторы в водных растворах окружены гидратной оболочкой, она обозначается как р(Н₂О):

[m(нераств. частиц)·nMe⁺·р(Н₂О)]ⁿ⁺ или [m(нераств. частиц)·nАn^-·р(Н₂О)]^n-.

|__ зародыш _______| |_ зародыш _______|

|______________ _ ядро ___| |_______________ ядро __|

потенциалопределяющие ионы

Вокруг ядра располагаются ионы стабилизатора противоположного знака, также окруженные гидратной оболочкой из (q+ℓ)Н₂О, поэтому их называют противоионами. Причем, в силу подвижности противоионов они располагаются вокруг ядра двумя слоями:

- первый слой – адсорбционный, в нём (n-x) противоинов, они непосредственно примыкают к поверхности ядра, частично снижая его заряд, и вместе с ядром образуют гранулу коллоидной частицы

{[m(нераств. частиц)·nMe⁺·р(Н₂О)]ⁿ⁺·(n-x)An^-·q(Н₂О)}^x+

|__ зародыш _______|

|_______________ ядро ___|

|____________________ _ _ гранула _____|

потенциалопределяющие ионы противоионы

или {[m(нераств. частиц)·nАn^-·р(Н₂О)]^n-·(n-x)Me⁺·q(Н₂О)}^x-

|_ зародыш _______|

|_______________ ядро __|

|___________________ _ гранула ___|

- второй слой – диффузионный, в нем х противоионов, они занимают определённый объем вокруг гранулы, понижая её заряд до нуля

{[m(нераств. частиц)·nMe⁺·р(Н₂О)]ⁿ⁺·(n-x)An^-·q(Н₂О)}^x+ + xAn^-·ℓ(Н₂О)⁰ (4)

|__ зародыш _______|

|_______________ ядро ___|

|_____________________ _ гранула _____|

|_____________________ _ __ мицелла ________|

адсорбц. слой диффузн. слой

противоинов

или {[m(нераств. частиц)·nАn^-·р(Н₂О)]^n-·(n-x)Me⁺·q(Н₂О)}^x- + хМе⁺·ℓ(Н₂О)⁰ (5)

|_ зародыш _______|

|___________ _ ___ ядро __|

|___________________ гранула __ _ |

|_________________________ мицелла _ |

адсорбц. слой диффузн. слой

противоинов

Случай второй – образование гидрофильных коллоидов. В отличие от гидрофобной мицеллы в данном случае сама нерастворимая фаза (зародыш), находясь не в кристаллическом, а в аморфном состоянии, способна адсорбировать на своей поверхности молекулы интермицеллярной жидкости в силу высокой гигроскопичности. Следовательно, агрегат или зародыш в гидрофильной мицелле обозначается так:

[m(нераств. частиц)·y(Н₂О)].

Дальнейший механизм образования коллоидной мицеллы аналогичен первому случаю. В окончательном виде схемы строения коллоидных гидрофильных мицелл могут быть представлены так:

{[m(нераств.частиц)·y(H₂O)]·nMe⁺·р(Н₂О)]ⁿ⁺·(n-x)An^-·q(Н₂О)}^x+ + xAn^-·ℓ(Н₂О)⁰ (6)

|__ зародыш _______|

|_______________ ядро ___|

|_____________________ _ гранула ____| |_____________________ _ __ мицелла ________|

потенциалопределяющие ионы адсорбц. слой диффузн. слой

противоинов

или {[m(нераств. частиц)·у(Н₂О)]·nАn^-·р(Н₂О)]^n-·(n-x)Me⁺·q(Н₂О)}^x- + хМе⁺·ℓ(Н₂О)⁰ (7)

|_ зародыш _______|

|___________ _ ___ ядро __|

|___________________ гранула __ _ |

|_________________________ мицелла _ |

Формулы (4, 5, 6 и 7) отражают все случаи образования гидрофобных и гидрофильных коллоидных частиц.

Коллоидные частицы теряют агрегативную устойчивость при снижении заряда на грануле. Этого можно добиться путём увеличения концентрации противоионов (тогда не образуется диффузный слой), либо путём добавления других противоионов с бóльшим зарядом. При столкновении между собой гранул с низким или нулевым зарядом они слипаются и выпадают в осадок под действием гравитационных сил. Этот процесс называется коагуляцией коллоида. Процесс коагуляции подчиняется правилу Шульце-Гарди: коагулирующим действием обладает лишь тот ион электролита, заряд которого противоположен заряду потенциалопределяющих ионов мицеллы, причем, его коагулинрующая способность выражается тем сильнее, чем выше заряд.

Минимальная концентрация электролита-коагулятора, вызывающая разрушение коллоидной системы, называется порогом коагуляции, или критической концентрацией электролита. Ее можно рассчитать по формуле, вытекающей из закона эквивалентов:

V_эл.С_N ν_э

С_N(крит) = ———— = ————, (8)

V + V_эл V + V_эл

где: V – объем коллоидного раствора; V_эл – объем электролита-коагулятора; ν_э – количество вещества эквивалента электролита-коагулятора; С_N – молярная концентрация эквивалента электролита-коагулятора; С_N(крит) – наименьшая концентрация электролита-коагулятора, при которой разрушается коллоидный раствор.

Процесс коагуляции является самопроизвольным, а потому и обратимым. На практике коагуляцию называют «старением золя», а обратный процесс – образование золя из осадка – «пептизацией коллоида». Для обеспечения обратного процесса необходимо, как правило, сильное разбавление раствора с осадком и умеренное нагревание в присутствии электролитов-стабилизаторов.

Раздел 2. Обучающие задания с алгоритмами решения для закрепления темы

«Коллоидные растворы»

Дата добавления: 2015-07-13