Колоїдні розчини

Рідини разом з рівномірно розподіленими в них часточками твердих ре­
човин утворюють так звані рідкі дисперсні системи. У таких системах
розрізняють дисперсійне середовище (рідина) і дисперсну фазу (тверді час­
точки). Властивості рідких дисперсних систем залежать від ступеня дис­
персності (подрібненості) дисперсної фази. Дисперсні системи, в яких
тверда речовина перебуває в стані молекулярної подрібненості, тобто серед
молекул рідини рівномірно розподілені молекули (або іони) дисперсної
фази, називаються істинними розчинами. Властивості істинних розчинів
докладно розглядалися в попередніх параграфах книги.,

Однією з характерних особливостей істинних розчинів є те, що розчи­нену речовину не можна відділити від розчинника механічними способами, наприклад фільтруванням. Пори фільтрувального паперу мають надто великі розміри, щоб затримати молекули розчиненої речовини. Останні легко проходять також через пергамент, целофан і перегородки з інших поруватих органічних матеріалів. Розчинена речовина і розчинник в істин­них розчинах утворюють єдину рідку фазу, в якої немає поверхні розді­лення між часточками дисперсної фази і дисперсійним середовищем. Рух молекул розчиненої речовини в такій дисперсній системі не можна спостерігати навіть за допомогою найчутливіших оптичних приладів.

Колоїдні розчини — це рідкі дисперсні системи, в яких часточки твердої речовини мають розміри від 1 до 100 нм¹.

Існує багато методів добування колоїдних розчинів. Можна, напри­клад, подрібнювати речовину в спеціальних приладах — колоїдних мли­нах. Колоїдні розчини металів можна добути відновленням солей цих металів різними відновниками. В умовах хімічного аналізу колоїдні роз­чини в переважній більшості випадків утворюються при промиванні дея­ких осадів або при осадженні ряду визначуваних іонів у вигляді важко­розчинних сполук. Перехід важкорозчинної речовини в колоїдний розчин звичайно небажаний, бо часто внаслідок цього процесу розділити іони осад­женням не можна.

Рідкі дисперсні системи, в яких розміри часточок дисперсної фази біль-■ ші за 100 нм, називаються суспензіями.

Колоїдні розчини називаються ще зол ями. Золі відрізняються від сус­пензій великою стійкістю. У суспензіях тверді часточки через якийсь час поступово осаджуються, тобто дисперсна фаза відокремлюється від дисперсійного середовища. Золі можуть зберігатися без будь-яких змін

¹ нм — нанометр; 1 нм = 1 ммк = 10^-"⁷ см = 10"~⁹ м.

практично необмежений час. Щодо цього вони схожі на істинні розчини, але мають і деякі особливості.

Із золів при дії відповідних реактивів можна виділити дисперсну фазу, яка легко проходить крізь паперові фільтри, але затримується перегород­ками з целофану або пергаменту. За допомогою ультрамікроскопа, в якому, на відміну від звичайного мікроскопа, досліджуваний розчин освітлюється не знизу, а збоку, можна побачити світлові відображення окремих часто­чок дисперсної фази (ефект Тіндаля), які безперервно рухаються, підраху­вати кількість цих часточок і навіть обчислити їх розміри. Отже, золі — це гетерогенні системи, які складаються з двох фаз — твердої і рідкої, між якими існує поверхня розділення.

Найголовнішою особливістю колоїдних розчинів є їхня стійкість у часі. Дисперсна фаза в більшості випадків є важкорозчинною речовиною, отже, слід було б чекати, що через якийсь час вона повинна відділитися від дисперсійного середовища і утворити осад. Але цього не спостерігається.

Стійкість колоїдних розчинів у часі зумовлена двома основними причи­нами: електричним зарядом колоїдних часточок і наявністю сольватної оболонки з молекул розчинника.

Електричний заряд колоїдних часточок виникає внаслідок адсорбції ними з розчину позитивно або негативно заряджених іонів. Навколо коло­їдних часточок утворюється так званий подвійний електричний шар. Внут­рішню оболонку електричного шару утворюють адсорбовані часточкою іони. Зовнішня оболонка — це іони протилежного знака (протиіони), які є в розчині й притягаються до заряджених часточок. Протиіони, які вна­слідок теплового руху розташовані навколо часточки, не утворюють такого щільного шару, як іони внутрішньої оболонки, що містяться безпо­середньо на поверхні часточки. Сили електростатичного відштовхування між часточками, що мають заряди однакового знака, заважають їм наближатися одна до одної, злипатися і утворювати великі агрегати, які могли б виділи­тися з розчину у вигляді осаду.

Стійкість колоїдних розчинів зумовлена також тим, що часточки дис­персної фази сольватовані молекулами дисперсійного середовища. Соль­ватація — це приєднання часточками дисперсної фази розчинника. У розчинах, де розчинником є вода, цей процес називають гідратацією. Вна­слідок процесу сольватації (гідратації) кожна колоїдна часточка оточена оболонкою з молекул розчинника. Наявність цієї оболонки заважає часточ­кам наближатися одна до одної, утворювати агрегати більших розмірів і виділятися з розчинів у вигляді твердої фази.

Часточки дисперсної фази, які оточені гідратною оболонкою і несуть на собі подвійний електричний шар, називають міцелами. _# Залежно від здатності часточок до сольватації розрізняють ліофільні і ліофобні колоїди ¹. Коли розчинником є вода, кажуть про гідрофільні і гідрофобні системи. Ліофільні колоїдні системи утворюються речовина­ми, які мають велике споріднення з розчинником "і легко сольватуються

Цей поділ є до певної міри умовним.

ним. У ліофобних системах сольватація виражена значно меншою мірою. Основною причиною стійкості ліофобних колоїдних розчинів є наявність електричного заряду в часточок; стійкість ліофільних колоїдних систем зумовлена головним чином наявністю сольватної оболонки. В обох випад­ках дисперсну фазу можна виділити з колоїдних розчинів добавлянням електролітів або іншими методами. Під впливом електролітів відбувається злипання й збільшення часточок. Процес збільшення часточок дисперсної фази внаслідок дії сил міжмолекулярного зчеплення називається коагуля­цією. Коагуляція приводить до поступового осідання часточок і виділення їх з розчину у вигляді осаду. Цей процес називають седиментацією.

Ліофільні і ліофобні колоїдні системи відрізняються за властивостями. Дисперсна фаза ліофільних колоїдів складається з окремих часточок, ото­чених великою сольватною (гідратною) оболонкою. Сольватна оболонка міцел заважає часточкам злипатися між собою, внаслідок чого не можуть проявлятися сили міжмолекулярного зчеплення. Тому ліофільні колоїди відзначаються великою стійкістю і коагулюють тільки під впливом введен­ня значних кількостей аіектроліту. Механізм коагуляції полягає в тому, що іони електроліту віднімають частково молекули розчинника від міцел ліофільних колоїдів. При цьому часточки з'єднуються між собою і утво­рюють тверду нерозчинну речовину — гель. Гелі містять ще досить велику кількість розчинника і тому легко переходять знову в золі (наприклад, від­митий водою електроліт, який зумовив коагуляцію). Зворотний процес переходу геля в золь називається пептизацією.

Типовим прикладом ліофільної колоїдної системи є золь кремнієвої кислоти. Кремнієва кислота H₂Si0₃ не розчиняється у воді, отже, слід було б чекати, що при дії соляної кислоти на розчин силікату натрію утво­рюватиметься нерозчинний осад за таким рівнянням:

Na₂Si0₃ + 2HC1 = H₂Si0₃ + 2NaCl.

Взаємодія справді відбувається за наведеним рівнянням, але розчин
залишається прозорим. Молекули H₂Si0₃ з'єднуються між собою у великі
агрегати, а останні легко сольватуються молекулами води і залишаються
в колоїдному розчині. Зруйнувати гідратну оболонку міцел можна добав­
лянням великої кількості стороннього електроліту. Але утворений гель
кремнієвої кислоти містить ще багато води і легко пептизується при проми­
ванні. Для переведення золю кремнієвої кислоти в нерозчинний стан випа­
рюють усю воду і утворений сухий залишок нагрівають, щоб повністю поз- І
бутися води. Тільки після такої обробки кремнієва кислота втрачає гідрат- J
ну оболонку і здатність переходити в золь. і

Здатність утворювати ліофільні колоїди характерна для олов'яної і

кислоти, крохмалю, желатини та інших речовин. 1

Стійкість ліофільних систем зумовлена ще й тим, що часточки адсор- і

бують на своїй поверхні іони електролітів, які є б розчині, і, отже, несуть
на собі електричний заряд, який заважає їм з'єднуватися між собою. з

Адсорбція іонів електролітів поверхнею часточок є головною причи­
ною стійкості ліофобних колоїдних систем, для яких сольватація не харак-
терна. Ліофобні золі здатні утворювати в умовах аналізу сульфіди багятьох металів. Так, при пропусканні сірководню в підкислений розчин миш'яко­вої кислоти утворюється сульфід міш'яку (V):

2H„As0₄ I 5H₂S = As₂S_r> |- 8H_aO.

Але As_aS₅ не утворює осаду; великі агрегати молекул As₂S₆ набувають внаслідок адсорбції іонів електричного заряду, який заважає дальшому укрупненню їх. Розчин залишається прозорим.

©. ©		©
	Х^-^^уЧ+Х
/©	Л (AsjS^n ЇЇ	л© J І / —ч
®\ґ	Г\\ lit	У ©
\+NSЈrr^fcX
	^>^ЛіХ^^у'	©
©	©
Рис. 5.	Міцела сульфіду миш'я-
	ку.

Схематично міцелу золю As₂S₅ можна позначити формулою [nAs₂S₅] X X (HS^m^Hm- Число молекул п у міцелі може бути досить великим і залежить від умов осадження. Поверхня часточки адсорбує в першу чергу ті іони, з яких вона сама складається. Отже, в цьому випадку часточка матиме негативний заряд внаслідок адсорбції аніонів HS~, які є в роз­чині у великому надлишку.

Структурну формулу міцели As₂S₅ пока­зано в спрощеному вигляді на рис. 5. З ри­сунка видно, що навколо з'єднаних між со­бою молекул As₂S₅ утворюється подвійний електричний шар; безпосередньо на поверхні часточки — адсорбовані аніони HS^-, позна­чені на рисунку знаком «—». У зовнішньо­му оточенні містяться іони водню або інші катіони, присутні в розчині.

Ліофобні колоїди порівняно з ліофільни­ми мають меншу стійкість і легко коагулю­ють при добавлянні електролітів. Механізм коагуляції зводиться до нейт­ралізації електричного заряду міцел під впливом іонів електроліту проти­лежного заряду. Позбавлені значної частини електричного заряду, мі­цели легко з'єднуються між собою в більші агрегати, які поступово виді­ляються з розчину і осідають на дно посудини — відбувається процес седиментації.

Негативно заряджені ліофобні колоїди коагулюють при добавлянні розчинів електролітів тим краще, чим вища валентність катіонів електролі­ту. Так, для коагуляції сульфіду миш'яку розчином хлориду калію елект­роліту потрібно значно більше, ніж для коагуляції хлоридом кальцію або хлоридом алюмінію. Це пояснюється тим, що гризарядні позитивні іони алюмінію утворюють навколо себе електричне поле значно більшої інтенсивності, ніж двозарядні іони кальцію або однозарядні іони калію. Тому іони алюмінію можуть нейтралізувати більше негативно заряджених іонів на поверхні міцели, ніж така сама кількість іонів кальцію або калію.

Для коагуляції позитивно заряджених часточок краще використову­вати електроліти з високовалентними аніонами.

Гелі ліофобних колоїдів також здатні переходити в колоїдний стан, якщо з них видалити промиванням сторонній електроліт, що зумовив коа­гуляцію. Щоб запобігти процесу пептизації, слід завжди промивати осади,

що утворилися, розчинами електролітів. Особливо важливо додержувати цього правила при осадженні сульфідів металів. Для промивання краще використовувати розчини амонієвих солей, наприклад розчин хлориду або нітрату амонію.

Ще одним характерним прикладом утворення ліофобної колоїдної си­стеми є утворення золю сульфіду нікелю. Сульфід цього металу має особли­ву здатність залишатися в колоїдному розчині. При осадженні нікелю суль­фідом амонію часто утворюються прозорі розчини, забарвлені в бурувато-чорний колір. Це — золь сульфіду нікелю. Золь може коагулювати при підкисленні розчину оцтовою кислотою або при добавлянні ацетату амо­нію, а також при нагріванні розчину.

Як уже зазначалося, стійкість ліофобних колоїдів невелика, вони легко коагулюють при добавлянні електролітів або при нагріванні розчи­нів. Але в присутності деяких ліофільних колоїдів, наприклад розчину желатини, стійкість ліофобних золей значно збільшується. Желатина тут відіграє роль так званого захисного колоїду. Захисна дія пояснюється тим, що часточки ліофобного колоїду адсорбують часточки ліофільної жела­тини, внаслідок чого перші дістають сольватну оболонку і стійкість їх збільшується. Так, при добавлянні розчину соляної кислоти до розчину нітрату срібла, що містить желатину, не утворюється осад хлориду срібла; останній залишається в колоїдному розчині, стабілізованому добавлянням желатини. Аналогічний ефект стабілізації спостерігається і при добавлянні багатьох інших органічних речовин. Тому в процесі аналізу перед розді­ленням іонів осадженням слід позбутися органічних речовин, які можуть відігравати роль захисних колоїдів. Для цього можна прокип'ятити розчин з азотною і соляною кислотами; органічні речовини при цьому окислю­ються.

Дата добавления: 2015-11-14