Коллоидное состояние

Образование коллоидных систем может происходить при осаждении и растворении осадков и в ходе некоторых других химико-аналитических процессов.

Частицы, формирующиеся в процессе роста зародышей, содержащие 10³-10⁹ атомов, достигающие размера 10^-7 ¸ 10^{-5 см}, образуют коллоидную систему. Таким образом, процесс образования осадка обязательно включает стадию коллоидообразования. Основной причиной устойчивости дисперсных коллоидных систем является наличие электрического заряда на поверхности коллоидных частиц, который появляется в результате адсорбции ионов. В соответствии с правилом Панета-Фаянса-Гана осадок адсорбирует из раствора те ионы, которые образуют наименее растворимое или наименее диссоциированное соединение с одним из ионов осадка. В первую очередь на поверхности частицы осадка адсорбируются ионы, входящие в состав осадка и имеющиеся в растворе в избытке. При прочих равных условиях адсорбция иона увеличивается с увеличением его заряда. Эти ионы называют потенциалопределяющими ионами. Они образуют первичный адсорбционный слой, связанный с осадком довольно прочно. Под действием электростатических сил к первичному адсорбированному слою притягиваются ионы противоположного заряда, образующие слой противоионов. Противоионы не могут приблизиться к поверхности ближе, чем на определенное предельное расстояние d, которое зависит от радиуса ионов. За расстоянием d от поверхности частицы осадка плотный слой противоинов переходит в диффузный слой. Например, при образовании коллоидной частицы (AgCl)_m на ее поверхности первичный слой будет состоять из адсорбированных ионов Ag⁺, если добавляют небольшое количество NaCl к раствору AgNO₃. Заряд адсорбированных ионов нейтрализуется противоионами NO₃^-, концентрация которых в растворе больше. Таким образом, коллоидная частица состоит из ядра, образованного малорастворимым соединением, которое окружено двойным электрическим слоем ионов. В него входит также слой ориентированных молекул растворителя (сольватный слой). Такая электронейтральная в целом частица называется мицеллой:

{[AgCl]_m×nAg⁺×(n-x)NO₃^-}^x+×xNO₃^-

Коллоидные частицы в растворе несут одинаковый по знаку заряд и взаимно отталкивают, предотвращая укрупнение и сохраняя устойчивость системы во времени. При введении в коллоидный раствор электролитов происходит сжатие диффузного слоя и даже его разрушение, в результате чего силы отталкивания между частицами уменьшаются, противоионы преодолевают сольватный слой и нейтрализуют заряд поверхности - происходит коагуляция – агломерация частиц, оседающих под действием тяжести (седиментация).

Очевидно, что для коагуляции следует увеличивать концентрацию электролита, называемого коагулянтом, и заряд ионов, входящих в его состав, либо использовать электролиты, ионы которого способны взаимодействовать с адсорбированными ионами. Концентрация электролита, вызывающего коагуляцию, называется порогом коагуляции. Порог коагуляции тем ниже, чем выше заряд электролита и чем сильнее химическая связь между коагулянтом и адсорбированными ионами.

Коагуляции способствует также увеличение температуры, поскольку при этом уменьшается адсорбция ионов и молекул растворителя и, следовательно, снижается потенциал поверхности.

Процесс коагуляции обратим: при избытке потенциалопределяющих ионов или при недостатке противоионов скоагулированный осадок снова переходит в коллоидное состояние – процесс пептизации. Пептизация часто имеет место при промывании аморфных осадков водой. При этом увеличивается сольватный слой, силы притяжения коллоидных частиц ослабевают и они переходят в раствор.

Коллоидные системы подразделяют на гидрофобные (в неводных растворах лиофобные) и гидрофильные (лиофильные).

Гидрофобные системы имеют малое сродство к растворителю (Н₂О), незначительную вязкость и разрушаются под действием электролитов (чаще солей аммония). Гидрофобные коллоиды называют золями. Осадки, полученные коагуляцией золей (золи серы, золота, сульфидов металлов, AgI и др.), содержат мало растворителя. Гидрофобные частицы дают плотные хлопья, хорошо отделяющиеся фильтрованием.

Гидрофильные системы, напротив, обладают высоким сродством к растворителю и мало чувствительны к электролитам, а осадки сильно гидратированы. Такие системы обычно образуют органические вещества (белки, крахмалы, желатин). Иногда гидрофобные коллоиды имеют внешние признаки гидрофильного коллоида. Таковыми являются гидроксиды металлов, кремневая и оловянная кислоты. В процессе коагуляции образуется гель – студенистый, трудно фильтруемый осадок. Гели очень гигроскопичны и из них трудно удалить всю адсорбированную ими воду даже при прокаливании.

Для коагулирования гидрофильного коллоида требуется добавление больших количеств электролита. Можно также в такую систему ввести другой коллоид, с противоположно заряженными частицами, что приведет к взаимной нейтрализации зарядов частиц и коагуляции коллоида. Например, кремневая кислота является гидрофильным коллоидом. После однократного выпаривания с соляной кислотой обычно кремневая кислота полностью в гель не переходит. Коллоидные частицы кремневой кислоты в солянокислом растворе имеют отрицательный заряд; коллоидный раствор желатины в тех же условиях имеет положительный заряд; поэтому прибавление желатины приводит к коагуляции кремневой кислоты.

Дата добавления: 2015-10-02