Колоидно-дисперсни системи (доц. Георги Велинов)



Дата26.10.2018
Размер127 Kb.




КОЛОИДНО-ДИСПЕРСНИ СИСТЕМИ

(доц.Георги Велинов)
Това са дисперсни системи, в които степента на дисперсност е в интервала 1-100 nm.

Частиците от фазата се отделят с гранична повърхност от дисперсната среда, но не могат да се наблюдават непосредствено, поради малките си размери. Ето защо те са микрохетерогенни системи, които имат по-особени свойства и значение и това налага обособяването на дял от химичната наука за тяхното изучаване, наречен колоидна химия.

За основоположник на колоидната химия се смята Грем, който през 1961 г. установява, че водните разтвори на много кристални вещества като NaCl , MgSO4 , захар и др., лесно преминават през растителни или животински полупропускливи ципи (прегради), докато други като туткал, яйчен жълтък, желатин - не преминават през тях. Грем нарича първите вещества кристалоиди, защото лесно кристализират, а вторите колоиди (комбинация от гръцките думи “кола=лепило и “дос=вид - т.е. вещество, което образува лепило подобен разтвор. Колоидите се наричат още колоидни разтвори или золи. Ако дисперсната среда е вода те се наричат хидрозоли.

По-късно е установено, че едно и също вещество в зависимост от условията може да се проявява като кристалоид или като колоид. Например във воден разтвор NaCl е типичен кристалоид, а в бензен - колоид.



Ето защо е правилно да се говори не за колоиди и кристалоиди, а за колоидно състояние на веществата.

Класификация

Колоидните системи могат да бъдат класифицирани въз основа на различни признаци.

В зависимост от отнасянията на частиците на фазата към средата, се различават лиофилни (“обичащи разтворителя”) и лиофобни (“непонасящи разтворителя”). Най-голямо значение и разпространение имат колоидите с дисперсна среда вода - те се подразделят на хидрофилни и хидрофобни. Колоидните частици имат свойството да адсорбират от околната среда йони, молекули на дисперсната среда и пр.

Лиофилните (хидрофилните) колоиди адсорбират голям брой молекули от дисперсната среда. Такива колоиди са желатина, сапуните, Fe(OH)3 , Al(OH)3 и др. За разлика от лиофилните, лиофобните колоиди не се свързват или се свързват с незначителен брой молекули от дисперсната среда. Такива колоиди са золовете на някои метали, малко разтворимите метални сулфиди и др.

Между свойствата на лиофилните и лиофобните колоиди не може да бъде поставена рязка граница. Така например хидрофилните и хидрофобни колоиди се различават по някои свойства като стабилност, състояние след утаяване и пр.

Друг признак, по който могат да бъдат класифицирани колоидните системи това е строежа на колоидните частици. На основата на този признак те се подразделят на асоциационни (мицеларни) и молекулни.

Колоидните частици на асоциационните колоиди представляват групировки от атоми, йони или молекули. Такива колоиди са хидрозола на утаен сребърен хлорид във вода, золът на натриев хлорид в бензен и др. Молекулни колоиди дават нишестето, някои белтъци, като при тях колоидната частица е молекула на високомолекулно съединение имащо голяма молекулна маса.

Колоидите могат да бъдат класифицирани и според природата на дисперсната среда. В зависимост от това те могат да бъдат хидрозоли (разтворител вода), бензенозоли (разтворител бензен), етерозоли (разтворител етер) и пр.


Строеж на золите

Строежът на золите на молекулните колоиди е близък до строежа на молекулните разтвори. Строежът на золите на лиофобните колоиди се дава от мицеларната теория. Според нея лиофобният колоид може да се представи схематично по следния начин:






Междумицеларна Разтворител

течност




Други разтворени в

разтворителя вещества,

които не влизат в състава

на мицела

Зол




Дифузен слой - противойони




Мицели

Атоми




Ядро Йони




Гранула Молекули


Потенциал-

определящи

Адсорбционен йони

слой

Част от

противойоните
Като пример ще се представи строежа на хидрозолите на сребърен йодид AgI и бариев сулфат BaSO4 .

Хидрозолът на сребърния йодид може да се получи при утаяване на разтвор от сребърен нитрат с разтвор калиев йодид или при утаяване на разтвор от калиев йодид с разтвор от сребърен нитрат. И в двата случая ядрото на колоидната частица съдържа “молекули”(по-точно кристалче съставено от сребърни и йодидни йони) на малко разтворимото съединение AgI , но редът на утаяване има съществено значение за строежа на колоидната частица.

На практика двата различни начина на утаяване и респективно на получаване на хидрозола се постигат като единият разтвор се намира в чаша, а другият се прикапва в чашата. При това положение е очевидно, че разтворът, който е в чашата се намира в излишък и това се оказва от съществено значение за заряда на колоидната частица. В много случаи се използва определена символика при записване на химичното уравнение на утаечната реакция, което показва редът на утаяване:

веществото чийто разтвор е в чашата, т.е. в излишък, се записва първо, а веществото което се прикапва - второ, като в някои случаи пред неговия химически символ се поставя насочена надолу стрелка:


утаяване в излишък на сребърен нитрат - молекулно и йонно равнение:

утаяване в излишък на калиев йодид - молекулно и йонно уравнение:

Така например ако утаяването се извърши при излишък от сребърен нитрат строежът на колоидната частица може да се представи схематично по следния начин:


При излишък от сребърен нитрат ядрото представлява малък кристал от, изграден от голям брой сребърни и йодидни йони. Тъй като броят на тези кристали е много голям, то респективно те имат голяма повърхност и много голяма адсорбционна способност за адсорбиране на йони от дисперсната среда. Тази адсорбционна способност се подчинява на следните основни правила:



  1. Адсорбира се първично един от двата йона, които съставят утайката (в случая или Ag+ или Cl ).

  2. Практически първично се адсорбира този йон, който е в излишък ( в конкретния случай това е сребърния йон Ag+ ), като това се нарича първична адсорбция, а адсорбираният йон съответно - потенциал определящ йон.

След първично адсорбираните йони се адсорбират йони от разтвора, които имат противоположен заряд (в случая това са нитратните йони NO3 , тъй като те са в излишък), като тази адсорбция се нарича вторична. Същественото при тази адсорбция е, че част от йоните са здраво свързани с ядрото и йоните от първичната адсорбция и те заедно образуват т.нар. гранула. Йоните адсорбирани върху ядрото, които са здраво свързани с него и неотлъчно следват движението му в разтвора образуват т.нар. адсорбционен слой. Останалата част от йоните на вторичната адсорбция образуват т.нар. дифузионен слой, който се намира на по-голямо разстояние от ядрото и “изостава” при движението на гранулата в разтвора. Ядрото, адсорбционният и дифузионният слой образуват т.нар. мицеларна колоидна частица, която е електронеутрална.


Същественото при получаването на колоидните частици е, че те са изградени при едни и същи условия, поради което зарядът на всички гранули е еднакъв (в разглеждания случай той е положителен).
Освен показаният по-горе схематичен начин на строежа на мицеларната колоидната частица, този строеж може да се изрази и с помощта на формулен запис. Ако условно се приеме, че броят на йоните от кристала на ядрото е m, броят на йоните от първичната адсорбция n , а броят на йоните от дифузионният слой е x , то формулата на мицеларната колоидна частица на AgI , получена при излишък на сребърен нитрат се записва по следния начин:

Ако същата колоидна частица е получена при обратния ред на утаяване, т.е. в излишък от калиев йодид, то първично се адсорбират йодидните йони, а вторично калиевите йони, поради което зарядът на гранулата е отрицателен. В този случай формулата на мицела ще бъде следната:

Същите правила се използват при записване на колоидни частици, които се образуват от йони с различни по абсолютна стойност заряди и съответно съотношението им в кристала не е 1:1 .

Така например колоидната частица на утайката бариев сулфат може да се получи по два начина:

а) в излишък от бариев хлорид:


б) в излишък от натриев сулфат:



Свойства на колоидно-дисперсните системи
Колоидните разтвори притежават редица общи свойства, които се обуславят от размера на колоидните частици и от техния строеж. Тези свойства могат да се обединят в няколко групи: оптични, кинетични, електрични и такива, които характеризират стабилността на колоидния разтвор.
Оптичните свойства се проявяват като оцветяване, опалесценция, Тиндалов ефект и се дължат на разлики в поглъщането и разсейването на светлината от колоидните частици.

По оптичните си свойства колоидните частици се различават съществено от истинските разтвори. Оцветяването им се дължи на избирателното поглъщане и дифракционно разсейване на светлината от колоидните частици. Повечето колоидни разтвори са ярко оцветени в най-разнообразни цветове. Например золът на арсеновият сулфид As2S3 е ярко жълт, на железният хидроксид Fe(OH)3 е червено кафяв и пр.

Някои золове притежават свойството полихромия - в зависимост от начина на получаване един и същи зол се оцветява различно. Това се дължи на различната форма и големина на колоидните частици и от там разликите в адсорбционната им способност към светлина с различна дължина на вълната.

Колоидните разтвори изглеждат мътни в отразена светлина. Те опалесцират - например белите золове на сребърен хлорид и колофон опалесцират в синкав цвят. Тези свойства се обясняват с обстоятелството, че колоидните частици имат размери, които са сравними с дължината на светлинните вълни във видимата част на спектъра и то най-вече в синята област. Например с разсейването на лъчите с по-малка дължина на вълната се обяснява синият цвят на разреденото мляко, на езерната вода , на небесната синева и др.

С разсейването на светлината от колоидните частици се обяснява и друго характерно за всички колоидни разтвори явление - тиндалов ефект. Той се наблюдава при пропускане на светлина през разтвор, при положение че наблюдателят се намира перпендикулярно на посоката на светлинния лъч.

Ако разтворът е обикновен (истински), то той остава тъмен, но ако е колоиден - в него се очертава светлинен конус. Аналогичен ефект се наблюдава при пропускане на светлинен лъч в прашна стая. Тиндаловият ефект е в основата на конструкцията на ултрамикроскопа. При ултрамикроскопа светлината се пропуска през пробата, а наблюдението се извършва перпендикулярно на посоката на светлинния лъч. При това положение се виждат светещи обекти на тъмен фон. При обикновения микроскоп принципът е противоположен - наблюдението се извършва срещу посоката на светлинния лъч, при което се наблюдават тъмни обекти на светъл фон.
Кинетични свойства. Една от проявите на кинетичните свойства на колоидите е т.нар. брауново движение. То е наблюдавано за пръв път от английския ботаник Браун и представлява движение по начупена линия. Този сложен ход на частиците е резултат на непрекъснатото хаотично топлинно движение на молекулите на дисперсната среда. Всяка колоидна частица изпитва удари от всички страни и се придвижва по посока определена от равнодействащата на всички сили, действащи върху нея.




















Брауново движение
Колоидните частици са по-големи и по-тежки от йоните и от повечето молекули, поради което дифузията при тях е бавна. Големината на колоидните частици е причина и за техния по-малък брой в единица обем в сравнение с истинските разтвори при една и съща моларна концентрация на разтвореното вещество. Поради тази причина и тяхното осмотично налягане е по-ниско.

Големината на колоидните частици и бавната им дифузионна способност определят и по-малката стабилност на колоидните разтвори в сравнение с обикновените разтвори. Под действието на земното притегляне колоидните частици постепенно се утаяват. Този процес се нарича седиментация и е толкова по-ясно изразен, колкото са по-големи размерите и плътността на колоидните частици. На седиментацията противодействат брауновото движение и дифузията. Седиментацията се предшества от коагулация - процес при който колоидните частици се слепват, уедряват и вече трудно се задържат в средата.


Електричните свойства на колоидните частици се обясняват с наличието на заряди в колоидните частици, които се определят от потенциал определящите йони на адсорбционния слой. Под действието на постоянен електричен ток всички колоидни частици се придвижват към съответния противоположно зареден електрод. Това явление се нарича електрофореза. Придвижването на съдържащите се в колоидния разтвор йони през полупропусклива преграда под действието на постоянен електричен ток се нарича електроосмоза. Електрофорезата и електроосмозата са важни лабораторни методи за изследването на колоидните системи.
Стабилността на колоидните системи е много по-малка от тази на обикновените разтвори. На слепването и уедряването на колоидните частици противодействат едноименните заряди при хидрофобните колоиди или солватните обвивки при хидрофилните. Именно тези защити се премахват, за да се предизвика коагулация и седиментация на колоида и превръщането му от състояние на зол в състояние на гел.

Независимо от това дали колоидът е лиофилен или лиофобен основният фактор за неговата стабилност е адсорбционната способност на колоидните частици. Следователно всички фактори, които благоприятстват десорбцията ще благоприятстват коагулационните процеси. От тези фактори най-съществен е високата температура - тя винаги води до коагулация на колоидната система.



Коагулация при лиофобните колоиди може да се предизвика в следствие неутрализация на заряда на частиците. Това може да се постигне по различни начини: чрез прибавяне на електролит към разтвора, при провеждане на електрофореза или чрез смесване на два колоида с различен заряд на колоидните частици (съкоагулация).

Коагулацията на лиофилните колоиди освен чрез повишаване на температурата може да се постигне посредством прибавяне на значително количество електролит. Този процес се нарича изсолване. Ролята на електролита е да се солватира и по този начин да отнеме солватната обвивка на колоидните частици. С всеки електролит се внасят и двата вида йон. Важен за коагулацията е този, който има заряд противоположен на заряда на гранулата - той се нарича коагулиращ йон. Коагулиращата способност на различните йони варира в широки граници, като най-съществено значение има абсолютната стойност на заряда на коагулиращия йон. Според едно правило, известно като правило на Шулце-Харди, ако зарядът на йона се мени както 1:2:3, неговата коагулационна способност нараства както 1:50:1000. Например коагулационната способност на фосфатният йон PO43 е много по-голяма от тази на сулфатния SO42 и още по-голяма от тази на нитратния NO3 .



Изсолването често се използва в практическата дейност на хората, а освен това е процес, който понякога самоволно (спонтанно) протича в природата. Така например при срещата на мътни речни води със солените води на океаните и на моретата диспергираните частици в речните води коагулират и седиментират.
Коагулацията бива обратима и необратима. Обратният процес на коагулацията се нарича пептизация:


Ясно е, че за да се предизвика пептизация на хидрофобен колоид, трябва отново да се възстанови електричния заряд на неговите частици. Това може да стане или чрез промиване на утайката с разтвор на електролит, който се адсорбира и дава заряд на частиците, или чрез промиване с чиста вода на утайката, за да се отмият йоните, който преди това са предизвикали нейното утаяване (коагулацията) и зарядът на колоидната частица се възстановява.
Коагулацията на лиофилните колоиди в редица случаи е обратима. Това е от голямо значение за съществуването на живите организми. Обратимите лиофилни колоиди имат свойството да образуват т.нар. галерти . Това е гел, който съдържа в себе си значително количество молекули от дисперсната среда. Такива галерти са туткалът, пектинът и др. Те многократно могат да преминават от състояние гел в състояние зол и обратно само при промяна на количеството на дисперсната среда и на температурата.
Колоидна защита. Ако към хидрофобен колоид се прибави хидрофилен (например към AgCl - желатина) стабилността на първия се увеличава. Този ефект се обяснява с адсорбцията на хидрофилни частици върху частичките на хидрофобния колоид. Колоидната защита има значение за много биологични процеси. Съдържащите се в кръвта калциеви фосфати и карбонати не се утаяват поради защитното действие на белтъчните вещества. При някои заболявания количеството на тези вещества намалява значително и част от съдържащите се в кръвта соли се утаяват във вид на камъни и пясъци в бъбреците, пикочния мехур, жлъчния мехур и др.
Получаване
Разтворите на молекулните колоиди се получават аналогично на истинските разтвори. При съприкосновение на дисперсната фаза с дисперсната среда, фазата се разтваря спонтанно (самоволно). Така се получава молекулен колоиден разтвор на желатин във вода, на каучук в бензен и пр.

Золите на асоциационните колоиди се получават по различни методи, които могат да се обединят принципно в две групи: дисперсионни и кондензационни методи.
Дисперсионните методи се свеждат до раздробяване (диспергиране) на изходното вещество до размерите на колоидните частици в присъствие на разтворител (дисперсна среда). Диспергирането може да се постигне по различни начини:

  1. Механично стриване в специални хавани или колоидни (топкови) мелници - въртящ се барабан в който са поставени метални топки с определен размер, разбиващ дисперсната фаза до определени размери на частиците.

  2. Диспергиране по електрически път - например чрез волтова дъга във воден разтвор при използване на графитови електроди се получава колоиден разтвор на графит.

  3. Диспергиране с помощта на ултразвук.

  4. Химическо диспергиране с помощта на пептизатори.

За дисперсионните методи е характерно, че не се променя химичния състав на веществото представляващо дисперсна фаза.
Кондензационните методи се свеждат до кондензиране (групиране) на отделни молекули, атоми или йони в частици с колоидни размери. Кондензирането също може да се постигне по различни начини:


  1. Чрез понижаване разтворимостта на веществото на дисперсната фаза - например прибавяне на вода към спиртен разтвор на колофон.

  2. При понижаване разтворимостта на газови смеси - така се получава мъглата.

  3. Химични методи - химична кондензация:

а) обменни реакции между електролити, при които се получават малко

разтворими съединения (утайки):





б) Хидролиза на соли, при която се получават малко разтворими хидроксиди:


в) окислително редукционни реакции:

при умерено окисление на сяроводород се получава колоиден разтвор

на елементна сяра:

при реакцията “сребърно огледало” алдехидната група се окислява от

умерения окислител сребърно амонячен хидроксид, като последният

се редуцира до колоидно сребро:



Пречистване на лиофобни колоиди, получени по

кондензационни химични методи
Разделянето на колоидите от примесените към тях електролити или нискомолекулни вещества се основава на различната им дифузионна способност през полупропускливи мембрани. Поради значителните си размери колоидните частички не могат да преминат през порите на мембраната, за разлика от йоните на съпътстващия електролит или молекулите на нискомолекулните примеси. Този процес на пречистване на колоидните разтвори носи името диализа, а приборите, в които той се извършва се наричат диализатори. Схематично един диализатор има следния вид:






Н2О

ЗОЛ




полипропусклива

мембрана

Процесът на диализа може да се ускори по няколко начина. Например ако золът се постави в съд с непрекъснато течаща дестилирана вода:


Н2О




ЗОЛ



Н2О
Друг начин за ускорение на диализата е чрез съчетаване на обикновената диализа с електролиза (по-точно електроосмоза), поради което диализаторите се наричат електродиализатори:

пропелерна бъркалка
Н2О Н2О




+

ЗОЛ



Октомври, 2001 г.
Каталог: files -> files
files -> Р е п у б л и к а б ъ л г а р и я
files -> Дебелината на армираната изравнителна циментова замазка /позиция 3/ е 4 см
files -> „Европейско законодателство и практики в помощ на добри управленски решения, която се състоя на 24 септември 2009 г в София
files -> В сила oт 16. 03. 2011 Разяснение на нап здравни Вноски при Неплатен Отпуск ззо
files -> В сила oт 23. 05. 2008 Указание нои прилагане на ксо и нпос ксо
files -> 1. По пътя към паметник „1300 години България
files -> Георги Димитров – Kreston BulMar
files -> В сила oт 13. 05. 2005 Писмо мтсп обезщетение Неизползван Отпуск кт


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2019
отнасят до администрацията

    Начална страница