Лекция. Дисперсные системы.
Дисперсная система — это система, в которой мелкие частицы одной или нескольких веществ равномерно распределены между частицами другого вещества.
Дисперсной фазой называют мелкие частицы вещества которое распределено в системе.
Дисперсийной средой называют вещество в котором распределена дисперсная фаза.
Дисперсная система может быть гомогенной и гетерогенной.
Гомогенная (однородная) дисперсная система – это система в которой между дисперсной фазой и дисперсионной средой нет поверхности раздела.
К таким системам принадлежат истинные растворы. Размеры молекул, ионов меньшие чем 1·10-9м. Такие системы термодинамически устойчивые и понятие дисперсности к ним не относится.
Гетерогенная (неоднородная) дисперсная система – это система в которой частицы дисперсной фазы имеют размер больше чем 1·10-9м и составляют отдельную фазу от дисперсионной среды.
Важной характеристикой дисперсных систем есть степень измельчения частиц дисперсной фазы или степень дисперсности (D) – это величина, обратная размеру частицы(d)
D = 1/d
Чем меньше размер частицы тем больше дисперсность системы.
Классификация дисперсных систем.
1. Классификация по степени дисперсности. В зависимости от размеров частиц дисперсные системы разделяют на такие типы:
а) грубодисперсные (d= 10-3-10-5 м) к ним принадлежат грубые суспензии, эмульсии, порошки.
б) средней дисперсности (d= 10-5-10-7 м) к ним принадлежат тонкие суспензии, дым, пористые тела.
в) высокодисперсные (d= 10-7-10-9 м) это коллоидные системы.
2. Классификация по агрегатному состоянию. В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды (газообразное- Г, жидкое- Ж, твердое-Т) можно разделить 9 типов дисперсных систем.
|
Дисперсная фаза |
Дисперсионная среда |
Обозначение системы |
Дисперсные системы |
Примеры |
|
Г |
Г |
Г/Г |
— |
Атмосфера Земли |
|
Ж |
Г |
Ж/Г |
Аэрозоль жидкий |
Туман, облака |
|
Т |
Г |
Т/Г |
Аэрозоль твердый |
Дым, пыль, порошки |
|
Г |
Ж |
Г/Ж |
Пены, газовые эмульсии |
Мыльная пена, пена на пиве |
|
Ж |
Ж |
Ж/Ж |
Эмульсии |
Молоко, майонез, кремы, нефть |
|
Т |
Ж |
Т/Ж |
Суспензии, коллоидные растворы (лиозоли), растворы высокомолекулярных соединений |
Суспензии в природных водах, золи металлов, солей, растворы белков |
|
Г |
Т |
Г/Т |
Твердые пены |
Пенопласты, силикагель, активированный уголь |
|
Ж |
Т |
Ж/Т |
Твердые эмульсии |
Вода в парафине |
|
Т |
Т |
Т/Т |
Твердые золи |
Цветные стекла, драгоценные камни |
1. Классификация по межфазовому взаимодействию. У дисперсных системах на границе раздела фаз действуют силы взаимодействия между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды. В зависимости от их интенсивности системы разделяют на лиофобные и лиофильные.
а) лиофобные это системы, в которых слабые силы межмолекулярного взаимодействия. К ним принадлежат лиозоли, аэрозоли, эмульсии, пены. Лиофобные золи это коллоидные растворы.
б) лиофильные это системы, в которых интенсивное взаимодействие между фазой и средой. К ним принадлежат растворы высокомолекулярных соединений.
Коллоидные растворы (золи)
Коллоидными растворами называют микрогетерогенные дисперсные системы с частицами размером от 10-7 до 10-9м. Их характеризует не только наличие поверхности раздела между дисперсной фазой (каждой частицей) и дисперсионной средой (растворителем), но и малая устойчивость; коллоидные растворы не образуются самопроизвольно.
Условия образования коллоидных растворов
– малая растворимость веществ дисперсной фазы в дисперсионной среде
– состветственная степень дисперсности вещества (d= 10-7-10-9 м)
– наличие стабилизатора, который придает частицам дисперсной фазы одноименного заряда, что предупреждает их объединение (агрегацию).
Методы получения коллоидных растворов (золей)
Их разделяют на диспергационные и конденсационные.
Конденсационные методы.
Это методы получения золей путем укрупнением микрочастиц
Конденсационные методы разделяют на физические и химические.
Методы физической конденсации- это конденсация пары и замена растворителя.
а) метод конденсации пары. Это, например образование аэрозолей тумана, дыма. С понижением температуры давление пары несколько увеличивается чем равновесное давление над жидкостью (или твердым телом), в результате чего в газовой фазе образуются капельки жидкости (туман) или твердые частицы (дым).
б) метод замены растворителя базируется на замене среды, которое происходит при прибавлении небольшого количества истинного раствора вещества к растворителю, в котором это вещество нерастворимое или малорастворимое, но оба растворителя безгранично смешиваются.
Методы химической конденсации – это методы в основе которых лежат химические реакции, которые сопровождаются образованием малорастворимых веществ. Это реакции двойного обмена, восстановление, окисления, гидролиза.
Чтобы получить золь нужно соблюдать такие условия:
– дисперсная фаза должна быть нерастворимой в дисперсионной среде
– в системе должен быть стабилизатор, который придает ей стойкости
– частицы дисперсной фазы имеют коллоидную степень дисперсности.
При получении золей методом химической конденсации стабилизатором есть одно из реагирующих веществ, которое взято в избытке
а) Реакции двойного обмена дают возможность получить золи малорастворимых веществ: сульфатов, карбонатов, сульфидов, фосфатов многих металлов, галогенидов серебра.
Получение золя AgI
Если к раствору AgNO3 прибавлять раствор КI по каплям то AgNO3 будет в избытке и будет стабилизатором.
AgNO3+ КI = AgI + KNO3
В растворе будет находиться большое количество ионов Ag+ и NO3–. Однако построение кристаллической решетки Agl согласно правилу Панета — Фаянса может идти только за счет ионов, входящих в ее состав; в данном случае за счет ионов Ag+.
(mAgI) —агрегат
Ионы Ag+ будут продолжать достраивать кристаллическую решетку агрегата, прочно входя в его структуру и сообщая ему электрический заряд, определяющий так называемый электротермодинамический потенциал. В связи с этим ионы, достроившие кристаллическую решетку ядра, называются потен-циалопредсляющнми ионами. Величина электротермодинамического потенциала у многих коллоидных частиц достигает 1В.
[(mAgI)nAg+]n+— ядро
Частицы с таким относительно высоким зарядом будут притягивать оставшиеся в растворе противоположно заряженные (называемые поэтому противоионами) ионы NО3–. Начнется процесс адсорбции противоионов, в результате которого установится динамическое равновесие между адсорбированными и свободными ионами. Основная часть всех противоионов, адсорбированная на ядре коллоидной частицы, образует вместе с потенциалопределяющими ионами адсорбционный слой. Ядро и адсорбционный слой вместе составляют гранулу.
{[(mAgI)nAg+]n+(n-x)NO3–}x+ —гранула
Гранула имеет электрический потенциал того же знака, что и f-потенциал, но величина его меньше и зависит от количества противоионов в адсорбционном слое. Так, если 90% их адсорбировано, то потенциал гранулы составит 10% от е-потенциала. Потенциал гранулы называется электрокинетическим или дзета-потенциалом (g-потенциал). Кинетическим его называют потому, что он может быть обнаружен и измерен при движении частиц в электрическом поле. Его можно определить так же, как потенциал на границе между адсорбционным (неподвижным относительно частицы) и диффузным (подвижным) слоями.
Остаток противоионов удерживается электростатическими силами притяжения вблизи гранулы, образуя диффузный слой. Гранула вместе с диффузным слоем образует мицеллу.
{[(mAgI)nAg+]n+(n–x)NO3–}x+х NO3– – мицелла
Таким образом, мицелла всегда электронейтральна. Устойчивость коллоидных растворов обусловлена присутствием стабилизатора, т. е. электролита, и зависит от величины заряда гранулы (g-потенциала). Чем выше этот потенциал, тем сильнее оказываются силы взаимного отталкивания частиц, препятствующие их объединению при столкновениях, наблюдающихся в результате броуновского движения. Исходя из строения коллоидных мицелл AgI в избытке AgNO3 легко представить строение других мицелл. Строение мицелл AgI в избытке KI можно изобразить схемой
{[(mAgI)nI–]n–(n–x)K+}x–х K+ -мицелла
Потенциалопределяющимн ионами являются I–, а противо-ионами — К+.
Диспергационные методы.
Это методы дробления больших частиц до коллоидной степени дисперсности.
Механическое диспергирование — это растирание, дробление веществ в специальных промышленных и лабораторных приборах – мельницах.
Электрические методы диспергирования базируются на том что сквозь дисперсионную среду, например, воду, пропускают электрический ток. Электроды изготовлены с того металла, коллоидный раствор которого хотят получить.
Акустические методы диспергирования базируются на использовании ультразвукового поля, тоисть колебаний большой частоты (105-106 Гц).
Физико-химическое диспергирование (пептизация).
Пептизация – это дезагрегация частиц свежеполученного осадка под действием стабилизатора – пептизатора, которым есть электролит, что дает системе агрегативной стойкости.
Методы очистки коллоидных растворов.
Получение каким-либо способом дисперсные системы будут стойкими только после очищения их от примесей молекул низкомолекулярных веществ и ионов электролитов. С этой целью используют разницу в размерах колодных частиц, молекул и ионов.
Молекулы и ионы проходят сквозь поры полупроницаемых мембран, а большие по размеру коллоидные частицы удерживаются ими.
На этом базируются такие методы очистки золей как диализ, электродиализ, ультрафильтрация.
Диализ – это очищение коллоидных растворов через полупроницаемую мембрану, которая омывается растворителем.
Электродиализ – это процесс очистки золей от примесей электролитов в электрическом поле которое ускоряет движение ионов.
Ультрафильтрация – это метод очистки коллоидных растворов путем фильтрования их под давлением через специальные пленки – ультрафильтры.
Молекулярно-кинетические свойства коллоидно-дисперсных систем.
Молекулярно-кинетические свойства это свойства, которые обусловлены тепловым движением частиц.
Это броуновское движение, диффузия, осмотическое давление, седиментационно-диффузионное равновесие.
Броуновское движение. Тепловое хаотическое движение дисперсных частичек называется броуновским движением. Это движение возникает вследствие ударов молекул дисперсионной среды и частиц дисперсной фазы.
Диффузия – это процесс самопроизвольного выравнивания концентрации диспергированного вещества под влиянием теплового хаотического движения частичек системы.
Скорость диффузии всегда увеличивается с повышением температуры.
Осмотическое давление – это явление, которое связано с тепловым движением микрочастиц. Дисперсные системы имеют осмотическое давление, но оно очень мало.
Седиментационно-диффузное равновесие.
Седиментация- это процесс оседания частиц дисперсной фазы под действием силы земного притяжения.
Но оседанию частиц протидействуют броуновское движение и диффузия, которые направлены на равномерное распределение коллоидных частиц по всему объему системы.
Процессы диффузии и седиментации имеют противоположные направления в результате чего в дисперсной системе устанавливается седиментационно-диффузное равновесие.
Седиментационная стойкость – это способность дисперсных систем и золей сохранять соответственное распределение частиц по всему объему дисперсионной среды.
Она зависит от степени дисперсности и будет тем больше, чем меньше размер частиц.
Оптические свойства дисперсных систем
Это свойства которые связаны с прохождением, заломлением, рассеиванием, отражением, поглощением света.
Светорассеяние. Для коллоидных систем в которых размеры частичек меньше длинны волн видимого спектра, характерно светорассеяние.
При боковом освещении коллоидного раствора можно наблюдать конус Тиндаля – это образование светящегося конуса.
Опалесценция – это матовое свечение золей.
Поглощение света и окраска золей. В высокодисперсных золях интенсивность света уменьшается и за счет поглощения и за счет рассеивания света частицами дисперсной фазы. В зависимости от размеров частиц золи могут иметь разные окраски.
Чем меньше радиус частиц тем сильнее поглощаются волны с меньшей длинной. Например, високодисперсный золь золота имеет красную окраску. При увеличении размеров частиц поглощается красная часть спектра и золь будет синего цвета.
Электрокинетические явления.
Это явления, которые базируются на взаимодействии между электрическими и кинетическими свойствами дисперсных систем.
Электрокинетические явления это электрофорез и электроосмос.
Движение заряженных коллоидных частиц, а также частиц грубых взвесей к противоположно заряженному электроду называется электрофорезом.
Перемещение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы к электроду, происходящее под влиянием внешней разности потенциалов, называют электроосмосом.
Коагуляция коллоидов
Коллоидные системы обладают различной устойчивостью. Все они стремятся к уменьшению свободной поверхностной энергии за счет сокращения удельной поверхности коллоидных частиц, что происходит при их стремлении к объединению.
Удельная поверхность этих частиц очень велика, поэтому они и обладают большим избытком поверхностной энергии, что в свою очередь ведет к термодинамической неустойчивости коллоидных систем.
Процесс объединения коллоидных частиц в более крупные агрегаты называется коагуляцией.
Очень малое число столкновений приводит к объединению частиц, поэтому многие золи устойчивы. Если же понизить величину заряда коллоидных частиц, то такие частицы будут легче и быстрее коагулировать. С наибольшей скоростью коагулируют коллоидные частицы, у которых заряд гранулы равен нулю, т. е. частицы, находящиеся в изоэлектрическом состоянии. Отсутствие заряда у гранулы означает, что у частицы нетпротиво-ионов в диффузном слое и, следовательно, их водной оболочки.
Крупные агрегаты под действием силы тяжести начинают опускаться на дно сосуда. Происходит процесс седиментации.
Скорость седиментации зависит от размеров и плотности частиц, от их заряда, вязкости раствора и т. п. Частицы, находящиеся в изоэлектрическом состоянии, оседают быстрее, так как заряд не препятствует их коагуляции и седиментации.
Изменение скорости коагуляции
Самопроизвольная коагуляция многих золей часто протекает медленно. Ее можно ускорить, повышая скорость движения частиц. Ускорения движения частиц можно добиться, например, повышением температуры раствора. Повышением концентрации золя также можно ускорить его коагуляцию, поскольку с увеличением концентрации растет число эффективных столкновений между мицеллами.
Процесс коагуляции очень чувствителен к добавлению электролитов. Небольшие количества электролитов могут резко его ускорить. Следовательно, с одной стороны, электролиты необходимы для стабилизации золей, а с другой — их избыточное добавление ведет к коагуляции золей. Влияние различных электдолитов на этот процесс неодинаково.
Правило Шульце — Гарди
В результате изучения коагуляции золей под влиянием электролитов Шульце и Гарди установили, что коагулирующее действие электролитов зависит от величины заряда иона, который противоположен заряду коллоидной частицы.
С наибольшей скоростью коагулируют электронейтральные частицы. Коагулирующее действие ионов резко возрастает с увеличением числа их зарядов. Отличия в коагулирующей способности каждого иона для тех или иных золей не очень велики, поэтому представилось возможным расположить одинаково заряженные ионы в лиотропные ряды, показывающие, в частности, в каком порядке убывает их коагулирующая способность для всех противоположно заряженных золей, например:
Cs+ > Rb+ > К+ > Na+ >Li+
Механизм коагулирующего действия электролитов
Чем больше заряд коагулирующих ионов, тем сильнее они сжимают диффузный слой противоионов. Чем выше заряд ионов, тем интенсивнее они адсорбируются. Происходящее в адсорбированном слое накопление ионов, заряженных противоположно частице, сопровождается соответственным уменьшением Е-потенцияла и, следовательно, диффузного слоя.
Таким образом, все процессы, уменьшающие заряд гранулы и ее коагуляцию, протекают тем эффективнее, чем выше заряд коагулирующего иона. Это частично позволяет объяснить разницу в коагулирующем действии ионов с различными величинами зарядов.
Коагуляция смесями электролитов
Возможны три случая совместного действия смеси из двух или более электролитов на коллоидный раствор:
I) суммирование коагулирующего действия электролитов (аддитивность);
2) один электролит ослабляет действие другого (антагонизм);
3) один электролит усиливает действие другого (синергизм).
Взаимная коагуляция
Если к золю с отрицательно заряженными частицами добавить золь с положительно заряженными частицами, то произойдет их взаимная коагуляция. На многих водоочистительных станциях к воде, содержащей отрицательно заряженные органические смеси, добавляют положительно заряженные золи гидроокиси алюминия или железа. После взаимной коагуляции образовавшиеся хлопья легко отфильтровываются на песчаных фильтрах.
Биологическое значение коагуляции
Процессы коагуляции и пептизации имеют большое значение для жизнедеятельности организмов, так как коллоиды клеток и биологических жидкостей также подвержены коагуляции и постоянно испытывают воздействие со стороны электролитов. Согласно правилу Шульце—Гарди для сохранения постоянства физико-химических условий в организме и при экспериментах in vitro необходимо соблюдать постоянство не только концентрации электролитов, но и их качественного состава.
