Электрические свойства коллоидных растворов

Кинетические свойства коллоидных растворов

Для коллоид­ных растворов характерно движение частиц дисперсной фазы, вызы­ваемое беспорядочными ударами со стороны молекул среды, нахо­дящихся в тепловом движении. Его впервые наблюдал шотландский ботаник Броун. Именно поэтому движение частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде золя называется броуновским. Если час­тица велика, то она испытывает одновременно множество ударов со всех сторон, в результате чего эти удары взаимно уравновешивают­ся. Частица коллоидной степени дисперсности, как очень малая, ни­когда не испытывает одинаково сильных и частых ударов со всех сторон, и в одно мгновение более сильным оказывается удар с одной стороны, а в следующее мгновение - с другой. В результате направ­ление движения каждой частицы подвергается непрерывному и при­том беспорядочному изменению.

Изучение броуновского движения показало, что кинетические свойства коллоидных растворов близки кинетическим свойствам ис­тинных растворов. Однако скорости перемещения частиц в коллоидных растворах меньше, чем в истинных (это связано с размерами частиц).

Кроме того, движение частиц молекулярной степени дисперсно­сти нельзя наблюдать в микроскоп.

В 1909 г. проф. Московского университета Ф.Рейсе наблюдал воздействие постоянного электрического тока на диспергированную в воде глину и на этом основании описал электрические свойства коллоидных растворов. Частицы дисперсной фазы (глины) перемещались к аноду, где вследствие их большого скопления наблюдалось помутнение раство­ра. Частицы же дисперсионной среды (воды) перемещались к катоду, где наблюдалось повышение уровня прозрачной жидкости. Направленное движение частиц к электродам говорило об их заряде, причем стало ясным, что дисперсная фаза несет на себе заряд, проти­воположный по знаку заряду среды. Движение частиц дисперсной фазы к одному из электродов при пропускании через золь постоян­ного электрического тока получило название электрофореза, а движение частиц дисперсионной среды -электроосмос.

Итак, электрофорез и электроосмос обусловлены наличием раз­ноименного заряда у частиц дисперсной фазы и дисперсионной сре­ды. На границе раздела фаз возникает двойной электрический слой, состоящий из тонкой (адсорбционной) части и протяжен­ной диффузной части. Между фазами возникает разность потенциа­лов, называемая электротермодинамическим потенциа­лом. Часть скачка потенциала, обусловленная диффузным слоем, называется электрокинетическим или L, (дзета)-потенциалом (рис. 8.9). Электрокинетический потенциал определяется толщиной и зарядом диффузного слоя, которые зависят от концентрации и заряда противоионов и температуры. Его значение можно регулировать, на­пример, введением противоионов с высоким значением зарядов.

12.7 Кинетическая и агрегативная устойчивость коллоидных сис­тем

Кинетические свойства коллоидных растворов определяют их кинетическую устойчивость, которая состоит в том, что концентра­ция коллоидных растворов одинакова по всему объему системы и при правильном хранении не изменяется во времени.

Электрические свойства коллоидных растворов объясняют их агрегативную устойчивость, которая проявляется в том, что частицы дисперсной фазы в коллоидном растворе не укрупняются, не слипа­ются. Сохранение коллоидной степени дисперсности во времени обу­словлено прежде всего наличием одноименного электрического за­ряда частиц дисперсной фазы, вызывающего их взаимное отталкива­ние. С увеличением электрокинетического потенциала растет устой­чивость коллоидных систем.

Наличие электрического заряда у частиц дисперсной фазы приво­дит к их значительной гидратации (полярные молекулы воды опреде­ленным образом ориентируются относительно заряженных частиц и вступают с ними во взаимодействие). Гидратная оболочка заметно снижает поверхностную энергию дисперсной фазы и тем самым уменьшает стремление частиц к укрупнению. Гидратная оболочка приводит также к разобщению частиц в коллоидном растворе, что повышает агрегативную устойчивость, а иногда даже обеспечивает сохранение коллоидной степени дисперсности.

Частицы дисперсной фазы некоторых веществ, склонных к обра­зованию золей, проявляют большое сродство к молекулам среды, адсорбируя их в первую очередь. Ядро коллоидной частицы таких золей имеет собственную гидратную оболочку. Формула мицеллы золя:

Такие коллоидные растворы называют гидрофильными. Гидрофильные коллоидные растворы приближаются по свойствам к истинным растворам. Это, как правило, золи органического происхо­ждения. Коллоидные растворы большинства неорганических веществ имеют гидрофобный характер*.

Агрегативная устойчивость гидрофильных золей особенно вели­ка, так как при наличии защитного действия одноименного заряда коллоидных частиц и общей гидратной оболочки ядра добавляется еще защитное действие гидратной оболочки ядра /Н₂О.

Гели и твердые коллоиды.

При длительном хранении гидро­фильные золи переходят в особое "студнеобразное" коллоидное со­стояние. В таком виде их называют гелями. Структура геля такова, что мицеллы не разрушаются, а просто связываются друг с другом, образуя своеобразные ячейки, внутри которых сохраняется среда Н₂0. Гель можно высушить, превратив его в твердый коллоид (рис. 8.10).

Примером гидрофильного золя может служить золь желатина. В продаже имеется твердый коллоид желатина. При набухании в воде образуется гель. При нагревании геля («студня») образуется золь. Все процессы обратимы:

Золь Гель Твердый коллоид

Сохранение во всех состояниях мицеллярной структуры связано с высокой устойчивостью гидрофильной коллоидной системы.

Коагуляция коллоидных рас­творов

Рисунок 12.2 – Коагуляция коллоидных растворов

Устойчи­вость золя можно нарушить, устранив одноименный заряд коллоидных частиц и защитную гидратную оболочку. На границе раздела коллоидная частица - среда устанавли­ваются два равнове­сия:

Противоины в коллоидной частице Противоины в среде (а)

Вода в коллоидной частице Вода в среде (б)

Если сместить равновесие (а) влево, то возрастет число противоионов в коллоидной частице и уменьшится ее заряд. Уменьшение заряда частицы приведет, в свою очередь, к уменьшению числа молекул воды в гидратной оболочке коллоидной частицы, т.е. к смещению равнове­сия (б) в правую сторону. Устойчивость коллоидной системы нару­шится. При некоторых условиях число противоионов в коллоидной частице может стать таким, что их заряд полностью нейтрализует за­ряд зарядообразующих ионов, т. е. коллоидная частица станет неза­ряженной. При этом ^-потенциал становится равным нулю. Такое со­стояние коллоидной частицы называется изоэлектрическим. Гидратная оболочка частицы в изоэлектрическом состоянии в значи­тельной мере разрушена. Коллоидные частицы не защищены и при столкновениях слипаются, укрупняются. Процесс укрупнения час­тиц, потеря агрегативно устойчивости золя называется коагуляцией. Коагуляция золя приводит к потере его кинетической устойчивости, которая выражается в образовании осадка.

Одним из основных методов коагуляции служит введение в кол­лоидную систему электролита, имеющего противоионы по отноше­нию к заряженным коллоидным частицам. Например, в растворе с отрицательно заряженными коллоидными частицами вводят сульфа­ты алюминия или железа. В результате заряд коллоидных частиц нейтрализуется. Кроме того, при этом происходит гидратация ионов электролита за счет молекул Н₂О из дисперсионной среды. Эффективность коа­гуляции возрастает при введении флокулянтов, например полиакриламидов, способствующих укрупнению частиц. Коагуляцию также проводят путем анодного растворения алюминия и железа с перехо­дом в раствор ионов А1³⁺ и Fe²⁺.

Дата добавления: 2014-01-04