Дисперсные системы. Классификация, получение дисперсных систем

Дисперсные системы 1. Классификация дисперсных систем Дисперсная система – это гетерогенная система, в которой одно вещество находится в мелкораздробленном состоянии и равномерно распределено в другом. Вещество, которое находится в мелко-раздробленном состоянии, называют дисперсной фазой. Сплошная среда, в которой равномерно распределена дисперсная фаза, называется дисперсионной средой. Фаза считается дисперсной, если вещество раздроблено хотя бы в одном направлении. Вещество, раздробленное по высоте, образует пленки. Вещество, раздробленное по высоте и ширине, образует нити, волокна, капилляры. Вещество, раздробленное по всем трем направлениям пространства, состоит из мелких дискретных частиц. Дисперсная система характеризуется наличием большой межфазной поверхности. По размеру частиц дисперсной фазы различают: – грубодисперсные системы – размер частиц более 10−3см; – микрогетерогенные системы – размер частиц составляет от 10−5 до 10−3см; – тонкодисперсные системы (коллоидные растворы) – размер частиц от 10−7 до 10−5см. В истинных растворах размер частиц (молекул, ионов) не превышает 10−7см, такие системы являются гомогенными. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды приведена в табл. 2. Таблица 2 Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию Агрегатное состояние дисперсионной среды Агрегатное состояние дисперсной фазы Газ Жидкость Твердое вещество Газ Не образует Аэрозоль, туман Аэрозоль, дым, пыль Жидкость Пены Эмульсии Золи, суспензии Твердое вещество Твердые пены Твердые эмульсии, минералы, почвы, сорбенты Сплавы, цветные стекла По межфазному взаимодействию дисперсные системы делятся на лиофобные и лиофильные. В лиофобных системах дисперсная фаза не способна взаимодействовать с дисперсионной средой. Это неустойчивые, необратимые дисперсные системы. Из-за стремления системы к снижению общей энергии мелкие частицы стремятся соединиться в более крупные, поэтому такая система не может долго существовать без добавления специальных веществ, называемых стабилизаторами. Если лиофобная система была разрушена, то есть дисперсная фаза отделена от дисперсионной среды, то нельзя получить вновь дисперсную систему смешиванием частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды. Поэтому лиофобные системы являются необратимыми. В лиофильных системах дисперсионная среда взаимодействует с дисперсной фазой, поэтому такие системы образуются самопроизвольно (они обратимы) и являются устойчивыми во времени. Избыточная энергия, обусловленная большой межфазной поверхностью, компенсируется энергией, выделяющейся при взаимодействии дисперсной фазы и дисперсионной среды. В зависимости от способности фаз свободно перемещаться друг относительно друга дисперсные системы делятся на свободнодисперсные и связнодисперсные. В свободнодисперсных системах отсутствует структура, частицы дисперсной фазы не связаны между собой и способны свободно перемещаться в дисперсионной среде. В связнодисперсной системе частицы дисперсной фазы связаны друг с другом за счет межмолекулярных сил, образуя пространственную сетку (структуру). В таких системах частицы дисперсной фазы не могут свободно перемещаться относительно дисперсионной среды, а только совершают колебательные движения. Коллоидными растворами, или золями, называют тонко-дисперсную систему, в которой твердые частицы размером от 10−7 до 10−5см равномерно распределены в жидкой дисперсионной среде. В зависимости от образующих их веществ золи подразделяются на три вида: суспензоиды, ассоциативно-мицеллярные и молекулярные коллоидные растворы. Суспензоиды – это лиофобные (то есть плохо взаимодействуют с растворителем) необратимые коллоидные растворы, образованные металлами, оксидами, гидроксидами и солями, нерастворимыми в дисперсионной среде. Они похожи на суспензии, только размер частиц дисперсной фазы меньше. Примерами могут служить золь гидроксида железа и золь иодида серебра. Ассоциативно-мицеллярные коллоидные растворы образованы молекулами поверхностно-активных веществ (ПАВ). Молекулы ПАВ образуют в дисперсионной среде ассоциаты, или мицеллы. Такие золи лиофильные (хорошо взаимодействуют с растворителем) и обратимые, то есть могут быть получены вновь после разделения дисперсной фазы и дисперсионной среды. Молекулярные коллоидные растворы получают растворением молекул высокомолекулярных веществ (ВМС). По своей сути это истинный раствор, но по размерам частиц дисперсной фазы его можно отнести к золям. 2. Получение дисперсных систем Дисперсные системы можно получать диспергационными и конденсационными методами. Диспергационные методы заключаются в измельчении крупных частиц. Измельчать можно механическим методом – в шаровых и коллоидных мельницах, с помощью ультразвука, а также электрическим методом (распыление металла в вольтовой дуге). Конденсационные методы заключаются в создании условий для укрупнения ионов и молекул до коллоидных размеров. К конденсационным методам относятся прямая конденсация (конденсация из паров), метод замены растворителя и химическая конденсация. В ходе реакций гидролиза, ионного обмена и окисления – восстановления образуются частицы коллоидных размеров. Чтобы полученные золи (коллоидные растворы) были устойчивы, добавляют стабилизаторы – поверхностно-активные вещества или электролиты. Примером реакций, в которых получают коллоидные растворы, являются: 1.Окислительно-восстановительная реакция 2H2S + SO2 = 3S (золь) + Н2О 2.Реакция гидролиза FeCl3 + 3H2O = (100 0C) Fe(OH)3 (золь) + 3HCl 3.Реакция ионного обмена AgNO3 + KI = AgI (золь) + KNO3 Некоторые коллоидные растворы можно получать методом пептизации – осадок, состоящий из частиц коллоидного размера, промывают небольшим количеством раствора, содержащего специальное вещество – пептизатор. При пептизации происходит нарушение связей между слипшимися частицами. Получать коллоидные растворы методом пептизации можно только из рыхлых, студенистых осадков. Плотные, тяжелые осадки пептизации не поддаются. 3. Механизмы образования и строение коллоидных частиц Мицеллой называется коллоидная частица с прилегающим к ней слоем ионов. Мицелла в целом электронейтральна, а коллоидная частица заряжена. Формироваться мицелла может по одному из двух механизмов. 1.Образование мицеллы за счет избирательной адсорбции избыточных ионов. При получении золей с помощью химических реакций один из электролитов обязательно должен быть в избытке (ионы этого электролита будут стабилизаторами). Нерастворимые частицы, образующиеся в ходе реакции, обладают большой поверхностью, следовательно, большой избыточной энергией. На такой поверхности будет легко проходить адсорбция, причем в первую очередь адсорбироваться (притягиваться из раствора и удерживаться на поверхности) будут избыточные ионы, одноименные с ионами, входящими в состав ядра. Таким образом, мельчайшие нерастворимые частицы оказываются окруженными слоем ионов. Эти ионы называются потенциалопределяющими. К слою потенциалопределяющих ионов будут притягиваться ионы противоположного заряда – противоионы. На поверхности нерастворимой частицы формируется двойной электрический слой. Но из-за теплового движения ионов в растворе, под действием диффузии, часть противоионов перейдет в раствор. Заряд потенциалопределяющих ионов будет не полностью скомпенсирован зарядом противоионов, коллоидная частица окажется заряжена. Заряд коллоидной частицы называется электрокинетическим потенциалом. Противоионы, ушедшие в раствор под действием диффузионных сил, образуют вокруг коллоидной частицы диффузный слой. Суммарный заряд ионов диффузного слоя равен по величине и противоположен по знаку заряду коллоидной частицы. Рассмотрим строение мицеллы золя AgI. Золь образуется в ходе реакции AgNO3 + KI = AgI + KNO3 Если в избытке взять раствор KI, то на поверхности ядра мицеллы AgI будут адсорбироваться одноименные с ионами, входящими в состав ядра, избыточные ионы I−. К образовавшемуся слою отрицательно заряженных ионов будут притягиваться противоположно заряженные ионы К+. Диффузный слой будет состоять тоже из ионов К+, а заряд коллоидной частицы будет определяться зарядом потенциалопределяющих ионов и равен –x. [m(AgI) nI− (n-x) K+]−x xK+ Если в избытке взять раствор AgNO3, то на поверхности ядра будут адсорбироваться ионы серебра, а слой противоионов образуют нитрат-ионы. Строение мицеллы в этом случае следующее: [m(AgI) nAg+ (n-x) NO3−]+x xNO3−, где m(AgI) – ядро мицеллы; nAg+ – потенциалопределяющие ионы; nNO3− – противоионы адсорбционного слоя; [m(AgI) nAg+ (n-x) NO3−]+x – гранула мицеллы; xNO3− – противоионы диффузного слоя. Примером образования мицеллы в ходе реакции гидролиза является реакция получения золя гидроксида железа. В кипящую воду добавляют немного 2%-ного раствора хлорида железа. Под действием температуры равновесие в реакции гидролиза смещается полностью вправо, то есть гидролиз идет до конца, до образования гидроксида железа. Несмотря на избыток молекул воды, ионов Н+ и ОН─ будет очень мало, так как вода является слабым электролитом. Константа диссоциации воды равна 10─14. Хлорид железа, наоборот, является сильным электролитом, в воде практически все молекулы распадаются на ионы. Поэтому даже небольшое количество хлорида железа в растворе обеспечит избыток ионов железа и хлора по сравнению с ионами водорода и гидроксид-ионами. FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 + 3HCl (t = 100 oC) Ядром мицеллы будет нерастворимый Fe(OH)3, а потенциалопределяющими ионами – ионы трехвалентного железа. Противоионами будут ионы хлора, причем на каждый ион железа приходится три иона хлора. Мицелла золя гидроксида железа имеет строение [m(Fe(OH)3∙nFe+3∙3(n-x)Cl─]+3x 3xCl─ 2.Образование мицеллы за счет ионизации. В тех случаях, когда между молекулами малорастворимого вещества и растворителем существует хорошее взаимодействие, коллоидные частицы могут образовываться за счет ионизации этих молекул. Так, при образовании коллоидного раствора кремниевой кислоты молекулы воды взаимодействуют с молекулами кремниевой кислоты, при этом один ион водорода переходит от кремниевой кислоты к молекуле воды: H2SiO3 + H2O = HSiO3─ + H3O+, или в упрощенном виде H2SiO3 = H+ + HSiO3─ Ядром мицеллы будут нерастворимые молекулы кремниевой кислоты, потенциалопределяющими ионами – гидросиликат-ионы, оставшиеся после того, как ионы водорода переместились к молекулам воды. Противоионами будут ионы водорода. [mH2SiO3∙nHSiO3─∙(n-x)H+]─x xH+. 4. Свойства коллоидных растворов Коллоидные растворы благодаря особому строению коллоидных частиц имеют особые оптические и электрические свойства. Оптические свойства коллоидных растворов. Размер коллоидных частиц составляет 10─5 − 10─7см, то есть частицы соизмеримы с длиной волны видимого света (400 – 700 нм). Это является причиной рассеивания света. Если через коллоидный раствор пропускать узкий луч света, то в отраженном свете виден светлый конус. Этот опыт впервые провел Тиндаль, поэтому эффект называется по его имени – эффект Тиндаля. Так как короткие волны рассеиваются сильнее, чем длинные, то в проходящем свете бесцветный коллоидный раствор кажется желтым, а в отраженном свете – голубым. Явление изменения окраски коллоидного раствора в зависимости от угла зрения называется опалесценцией. Электрические свойства коллоидных растворов. Коллоидные частицы заряжены, поэтому в электрическом поле наблюдаются особые электрокинетические явления: электрофорез и электроосмос. Если в коллоидный раствор погрузить два электрода и подключить их к источнику постоянного тока, то коллоидные частицы начнут перемещаться к электроду, имеющему заряд, противоположный заряду коллоидной частицы. Явление перемещения коллоидных частиц в электрическом поле к одному из электродов называется электрофорезом. Если частицы не могут свободно перемещаться, например, в связнодисперсной системе или при наличии в системе полупроницаемой мембраны, то под действием электрического поля начинают перемещаться противоионы диффузного слоя. Явление переноса дисперсионной среды через капиллярно-пористую мембрану под действием постоянного электрического тока называется электроосмосом. Явления электрофореза и электроосмоса достаточно широко применяются человеком. Электрофорез широко используется в медицине, в биологии. Электроосмос применяют для осушения грунтов, для ускорения процесса твердения бетона. 5. Устойчивость коллоидных растворов. Коагуляция В коллоидных системах частицы дисперсной фазы очень измельчены, поэтому эти системы характеризуются большой свободной энергией. Любая система стремится к минимуму энергии, поэтому коллоидные растворы термодинамически неустойчивы. Речь может идти только об относительной устойчивости, то есть способности системы сохранять в течение определенного времени свою структуру и свойства. Различают два вида устойчивости дисперсных систем: агрегативную и кинетическую (седиментационную). Агрегативная устойчивость определяется способностью дисперсной системы в течение некоторого времени сохранять свою первоначальную степень дисперсности. Проще говоря, это способность частиц не слипаться в более крупные агрегаты. В коллоидных растворах все частицы одинаково заряжены, поэтому отталкиваются друг от друга. Все это обеспечивает высокую агрегативную устойчивость коллоидных растворов. Кинетическая, или седиментационная, устойчивость дисперсных систем определяется способностью частиц противостоять действию силы тяжести. Небольшой размер коллоидных частиц и их высокая скорость движения за счет диффузии определяют достаточно высокую кинетическую устойчивость коллоидных растворов. Очень часто на практике требуется разрушить коллоидный раствор, например удалить из воды коллоидные загрязнения. Для этого надо создать условия для снижения заряда коллоидных частиц. В этом случае частицы начнут слипаться, увеличатся в размерах и под действием силы тяжести образуют осадок. Слипание коллоидных частиц в более крупные агрегаты называется коагуляцией. Существует несколько причин коагуляции. 1.Изменение температуры. При сильном нагревании или, наоборот, замораживании коллоидных растворов толщина диффузного слоя становится тоньше, величина электрокинетического потенциала – меньше, частицы начинают слипаться – происходит коагуляция. 2.Механическое воздействие: встряхивание, перемешивание. При интенсивном механическом воздействии усиливается диффузия, что также приводит к истончению диффузного слоя и к коагуляции. 3.Добавление раствора электролита. При добавлении к коллоидному раствору электролита ионы последнего вытесняют противоионы из диффузного слоя в адсорбционный, в результате чего электрокинетический потенциал снижается до нуля. Происходит коагуляция. 4.Сливание коллоидных растворов с противоположно заряженными частицами. Если соединить два коллоидных раствора с противоположно заряженными частицами, то разноименные частицы будут притягиваться, укрупняться, в результате произойдет коагуляция. 5.Повышение концентрации коллоидных частиц. Если в системе происходит рост числа коллоидных частиц, например при твердении вяжущих, то через некоторое время частицам становится тесно, под действием соседних частиц диффузный слой истончается, противоионы переходят из диффузного слоя в адсорбционный, электрокинетический потенциал снижается, происходит коагуляция. В результате коагуляции образуется либо осадок (если между частицами дисперсной фазы и дисперсионной средой нет выраженного взаимодействия), либо образуется гель. Гель – это трехмерная пространственная ячеистая связнодисперсная структура, каркас которой образован коллоидными частицами, а в ячейках находится дисперсионная среда. Гель имеет желеобразную структуру. Первоначально гель обладает свойством тиксотропии. При механическом воздействии (встряхивании, перемешивании) гель может обратимо разжижаться и переходить в золь, но после снятия механической нагрузки вновь восстанавливает гелеобразную структуру. Со временем гель стареет. Дисперсионная среда необратимо удаляется из ячеек геля. Каркас приобретает жесткость, происходит некоторое уменьшение его объёма при сохранении формы геля. Гель постепенно высыхает. Процесс необратимого удаления дисперсионной среды при сохранении формы геля называется синерезисом. Через эту стадию проходят все вяжущие в процессе твердения. Со временем гель превращается в твердое камневидное тело – ксерогель. Коллоидные растворы, образованные полимерными макромолекулами, при слипании образуют связнодисперсную систему, называемую студнем. Студень отличается от геля тем, что для него нехарактерно явление тиксотропии. Явление синерезиса характерно для студней так же, как и для гелей.