Коллоидные свойства. Коллоидные системы в нашей жизни

Системы, промежуточные между истинными растворами и грубодисперсными системами - взвесями , в которых дискретные частицы, капли или пузырьки дисперсной фазы, имеющие размер хотя бы в одном из измерений от 1 до 1000 нм , распределены в дисперсионной среде, обычно непрерывной, отличающейся от первой по составу или агрегатному состоянию. В свободнодисперсных коллоидных системах (дымы , золи) частицы не выпадают в осадок.

Основные свойства

• Коллоидные частицы не препятствуют прохождению света.
• В прозрачных коллоидах наблюдается рассеивание светового луча (эффект Тиндаля).
• Дисперсные частицы не выпадают в осадок - Броуновское движение поддерживает их во взвешенном состоянии, но в отличие от броуновского движения частиц, дисперсные частицы в коллоидных растворах не могут встретиться, что обусловлено одинаковым зарядом частиц.

Основные виды

• дым - взвесь твёрдых частиц в газе.
• туман - взвесь жидких частиц в газе.
• аэрозоль - состоит из мелких твёрдых или жидких частиц, взвешенных в газовой среде
• пена - взвесь газа в жидкости или твёрдом теле.
• эмульсия - взвесь жидких частиц в жидкости.
• золь - ультрамикрогетерогенная дисперсная система, лиозоль - золь с жидкостью в качестве дисперсионной среды.
• гель - взвесь из двух компонентов, один из которых образует трёхмерный каркас, пустоты в котором заполнены низкомолекулярным растворителем (обладает некоторыми свойствами твёрдого тела).
• суспензия - взвесь твёрдых частиц в жидкости.

Коллоидные системы, применяемые в химическом анализе

Из коллоидных систем наибольшее значение для химического анализа имеют гидрозоли - двухфазные микрогетерогенные дисперсные системы, характеризующиеся предельно высокой дисперсностью, в которых дисперсионной средой является вода - наиболее часто применяемый в аналитической практике растворитель. Встречаются также органозоли , в которых дисперсионной средой являются неводные (органические) растворители. В результате молекулярного сцепления частиц дисперсной фазы из золей при их коагуляции образуются гели. При этом не происходит разделения фаз; другими словами, переход золей в гель не является фазовым превращением.

При образовании геля вся дисперсионная среда (например, вода в гидрозоле) прочно связывается поверхностью частиц дисперсной фазы и в ячейках пространственной структуры геля. Гели способны обратимо восстанавливать свою пространственную структуру во времени, но после высушивания наступает разрушение их структуры и они теряют эту способность.

Коллоидные свойства галогенидов серебра

В процессе титрования галогенид-ионов растворами солей серебра получаются галогениды серебра, весьма склонные к образованию коллоидных растворов. В присутствии избытка ионов Наl − , то есть до точки эквивалентности при титровании галогенидов ионами серебра или после точки эквивалентности при титровании ионов серебра галогенидами , вследствие адсорбции ионов Hal − взвешенные частицы AgHal приобретают отрицательный заряд:

В присутствии избытка ионов Ag ± (то есть до точки эквивалентности при титровании ионов серебра галогенидами или после точки эквивалентности при титровании галогенидов ионами серебра) взвешенные частицы приобретают положительный заряд:

Таким образом, заряд взвешенной частицы m  · n Hal − или m  · n Ag + определяется зарядом ионов, адсорбированных на поверхности ядра мицеллы m , и зависит от наличия в системе избытка Hal − или Ag + , обусловливающих отрицательный или положительный заряд взвешенной частицы золя.

Помимо адсорбционного слоя, находящегося на поверхности ядра мицеллы и обусловливающего определенный электрический заряд, в состав мицеллы входит также часть ионов противоположного знака, образующих второй (внешний) слой ионов.

Например, в процессе титрования иодида калия раствором нитрата серебра

Ag + + NO 3 − + К + + I − → AgI + K + + NO 3 −

образуются мицеллы следующего строения:

• мицеллы, образуемые Ag при избытке нитрата серебра:

• мицеллы, образуемые AgI при избытке иодида калия:

Коллоидные частицы, несущие одноимённые электрические заряды, отталкиваются друг от друга. Силы взаимного отталкивания мешают частичкам сблизиться настолько, чтобы произошло взаимное притяжение. В то же время заряженные частички обладают высокой адсорбционной способностью, они притягивают к себе частицы, несущие обратные по знаку электрические заряды, и образуют с ними малорастворимые соединения. В первую очередь на поверхности заряженных коллоидных частиц адсорбируются те ионы, которые дают наименее растворимые осадки с ионами, входящими в состав этих частиц. Кроме того, адсорбируются те ионы, концентрация которых наибольшая. Например, при осаждении AgI могут соосаждаться вместе с ним Вr − , Cl − , SCN − и другие ионы. При титровании галогенидов, не содержащих посторонних примесей, осадком адсорбируются имеющиеся в растворе ионы Наl − , сообщая частичкам AgHal отрицательные заряды. И в том, и в другом случаях результаты титрования искажаются. Поэтому требуется строго соблюдать условия осаждения, рекомендуемые в методиках определения тех или иных веществ.

Коллоидные системы — это те системы, в которых одно вещество находится в другом в виде мелких частиц. Часто их еще называют коллоидно-дисперсными, поскольку образование данных систем - это химический процесс конденсации и растворения одного вещества в другом, при котором частицы растворенного вещества находятся в постоянном Ярким примером коллоидно-дисперсионных систем могут служить эмульсии, суспензии, пены и разные сыпучие материалы.

Коллоидные системы для человека играют большую роль. По сути, человеческий организм - одна общая коллоидно-дисперсионная система. Потому что в организме практически все вещества растворены одно в другом и находятся в постоянном движении. Основные биологические коллоидные системы организма - это кровь и клетка. Клетка состоит из ядра, рибосомы, лизосомы, комплекса Гольджи, ЭПР - вещества, объединяющего клетку в одно целое, гиалоплазмы и мембраны.

Ядро представляет собой коллоидную среду, которая отвечает за и стабильность ДНК. В мембране коллоидные вещества отвечают за эластичность оболочки и осуществляют защитную функцию. Гиалоплазма — это сложное соединение коллоидов, в клетке они участвуют в биохимических процессах, поскольку могут самостоятельно переходить из одного вещества в в другое.

Кровь также является примером ткани организма, где основой является коллоидно-дисперсионная система. Элементы крови, к которым относятся эритроциты, тромбоциты и лейкоциты, - это коллоиды, а - это дисперсионная среда. В плазме все можно назвать коллоидными. Основой плазмы служит вода, она создает дисперсную среду, в которой находятся органические составляющие плазмы: крупные белковые молекулы, молекулы аминокислот, моно- и полисахариды и многие другие.

Коллоидные системы играют важную роль не только в жизнедеятельности человеческого организма. Они имеют и огромное прикладное значение. На основе изучения коллоидно-дисперсных процессов были созданы новые материалы, изобретено множество химических процессов, которые активно применяются в производстве, а также для очистки воды (в том числе, сточных вод).

Использование системы биологической очистки воды приобретает все большую актуальность, так как запасы пресной и пригодной для питья воды сокращаются. Очистка воды ведет к еще большему загрязнению окружающей среды.

Биологическая очистка воды заключается в применении особых микроорганизмов, которые перерабатывают органические составляющие Колонии специальных бактерий образуют своеобразные коллоидные системы в виде тонких суспензий. В ходе жизнедеятельности такой колонии бактерии, в нее входящие, очищают воду от загрязнений.

Биологическая очистка воды бывает двух видов: очистка в естественных условиях, при которых микроорганизмы из окружающей среды, и искусственная, при которой микроорганизмы функционируют в закрытых системах, а кислород для них поступает с помощью механической аэрации.

) — система, в которой дискретные частицы, капли или пузырьки дисперсной фазы, имеющие размер хотя бы в одном из измерений от 1 до 1000 нм, распределены в другой фазе, обычно непрерывной, отличающейся от первой по составу или агрегатному состоянию и именуемой дисперсионной средой.

Описание

Коллоидные системы являются разновидностью дисперсных систем, в которых размер частиц дисперсной фазы не превышает 1 мкм. В свободнодисперсных коллоидных системах частицы дисперсной фазы в газе или жидкости свободно и независимо одна от другой участвуют в интенсивном броуновском движении, равномерно заполняя весь объем дисперсионной среды; к таким системам относятся, например, и аэрозоли. В процессе броуновского движения и при перемешивании коллоидные частицы сталкиваются. Если при этом не происходит укрупнения частиц вследствие их слипания () или слияния (коалесценции), то коллоидные системы называются агрегативно устойчивыми. Существуют также структурированные (связнодисперсные) системы, для которых характерно наличие неупорядоченной пространственной сетки, образованной частицами дисперсной фазы. Механические свойства таких систем, к которым относятся прежде всего , определяются не только свойствами дисперсионной среды, но и свойствами и числом контактов между частицами дисперсной фазы.

Коллоидные системы образуются при конденсации вещества в гомогенной среде (пересыщенном растворе, паре, переохлажденной жидкости), если возникающие в ней зародыши новой дисперсной фазы, т. е. мельчайшие капли или кристаллики, не получают возможности расти до размеров, превышающих 10 –5 –10 –4 см.Конденсация часто сопровождает химические реакции, в результате которых образуются труднорастворимые соединения. Другой путь получения коллоидных систем - , самопроизвольное (в случае лиофильных систем) и принудительное (в случае лиофобных систем). Существование жидких агрегативно устойчивых лиофобных коллоидных систем всегда обусловлено наличием в дисперсионной среде - стабилизаторов. Эти вещества создают на частиц адсорбционно-сольватный защитный слой, препятствующий их сближению и коагуляции под влиянием близкодействующих сил молекулярного притяжения. Препятствием к сближению частиц могут быть расклинивающее давление жидкой дисперсионной среды, сольватно связанной в адсорбционном слое молекулами или ионами стабилизатора; электростатическое отталкивание одноименно заряженных ионов, адсорбированных на поверхности частиц; повышенная структурная вязкость поверхностного защитного слоя - так называемый структурно-механический барьер. Различные типы коллоидных систем представлены в табл.

Авторы

• Гольдт Илья Валерьевич
• Шляхтин Олег Александрович

Источники

1. Дисперсные системы // Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская энциклопедия, 1990. С. 80–82.
2. Дисперсные системы // Большая Советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1969– 1978.
3. Schramm L. Dictionary of Nanotechnology, Colloid and Interface Science. - Wiley, 2008. - 298 p.

В результате изучения материала главы 18 студент должен: знать теоретические основы коллоидной химии: поверхностных явлений, образования и устойчивости дисперсных систем, механизмов и закономерностей процессов, протекающих в этих системах; различные методы определения размеров частиц дисперсной фазы, методы оценивания смачивания твердых поверхностей; кинетические, реологические и электрические свойства дисперсных систем; закономерности адсорбции веществ на границах раздела различной природы; закономерности поверхностных и природных явлений и производственных процессов с их участием;

уметь строить интегральные и дифференциальные кривые распределения частиц; определять угол смачивания; экспериментально определять поверхностное натяжение жидкостей и влияние поверхностно-активных веществ (ПАВ) на эту величину; экспериментально определять величину адсорбции;

владеть методами обработки результатов химических экспериментов в части обработки данных коллоидно-химических экспериментов; основными синтетическими и аналитическими методами получения и исследования веществ, находящихся в коллоидном состоянии.

Коллоидная химия - раздел физической химии, изучающий двух- или многофазные системы, в которых хотя бы одна из фаз находится в высокодисперсном состоянии. Введем основные понятия, которые используются в коллоидной химии.

Основные понятия

Фаза - часть системы одного состава, одинаковых физических и химических свойств, ограниченная от других частей поверхностью раздела. Систему, состоящую из одной фазы, а следовательно, имеющую одинаковые свойства во всех ее точках, называют гомогенной. Гетерогенная система состоит из двух и более фаз. Гетерогенная система, в которой одна из фаз представлена в виде частиц микроскопических размеров, называется микрогетерогенной или улътрамикрогетерогенной. Эти два класса систем являются дисперсными системами. Дисперсными называются системы, состоящие из двух или более фаз, одна из которых состоит из отдельных мелких частиц (дисперсная фаза ), распределенных в другой фазе (дисперсионной среде). Каждая частица состоит из достаточно большого числа молекул.

Коллоидные системы характеризуются предельно высокой дисперсностью, т.e. степенью развития поверхности раздела. При раздроблении (диспергировании) дисперсной фазы, т.е. при возрастании ее дисперсности.

увеличивается внутренняя поверхность раздела между фазами. При этом возрастает роль граничных слоев и связанных с ними особых явлений. Именно особые свойства раздела фаз и изучает коллоидная химия. Иногда коллоидную химию называют химией поверхностных явлений.

Дисперсность (5) представляет собой удельную поверхность дисперсной фазы и определяется соотношением

где S1,2 - площадь поверхности раздела между дисперсной фазой (I) и дисперсионной средой (2); V - объем дисперсной фазы. Таким образом, дисперсность обратно пропорциональна линейным размерам частиц и обладает размерностью см -1 .

Коллоидные системы относятся к дисперсным системам - системам, где одно вещество в виде частиц различной величины распределено в другом. Дисперсные системы чрезвычайно многообразны; практически всякая реальная система является дисперсной. Дисперсные системы классифицируют прежде всего по размеру частиц дисперсной фазы (или степени дисперсности); кроме того, их разделяют на группы, различающиеся по природе и агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Коллоидные системы весьма распространены в природе. К ним относятся различные ткани животного и растительного мира, почва.

Если дисперсионной средой является жидкость, а дисперсной фазой - твердые частицы, система называется взвесью или суспензией ; если дисперсная фаза представляет собой капельки жидкости, то систему называют эмульсией. Эмульсии, в свою очередь, подразделяют на два типа: прямые, или "масло в воде" (когда дисперсная фаза - неполярная жидкость, а дисперсионная среда - полярная жидкость) и обратные, или "вода в масле" (когда полярная жидкость диспергирована в неполярной). Среди дисперсных систем выделяют также пены (газ диспергирован в жидкости) и пористые тела (твердая фаза, в которой диспергированы газ либо жидкость). Основные типы дисперсных систем приведены в табл. 18.1.

Таблица 18.1

Основные типы дисперсных систем

К коллоидным системам близки и растворы высокомолекулярных соединений, которые, не являясь коллоидными в прямом смысле этого слова, по многим свойствам близки им. Размеры молекул высокомолекулярных соединений могут даже превышать размеры коллоидных частиц. Водные растворы многих полимеров, например белков, реально являются не однофазными системами, а микрогетерогенными, так как включают гидрофобные области внутри белковых глобул. С другой стороны, в разбавленных растворах высокомолекулярные соединения раздроблены до молекул и, следовательно, эти растворы не могут быть отнесены к типичным коллоидным системам. Растворы высокомолекулярных соединений объединяют свойства и коллоидных систем, и истинных растворов.

Кроме того, любые вещества при определенных условиях могут быть в коллоидном состоянии.

По степени дисперсности выделяют обычно следующие классы дисперсных систем.

Грубодисперсные системы - системы, размер частиц дисперсной фазы в которых превышает 10 -5 м (табл. 18.2).

Таблица 18.2

Классификация дисперсных систем в зависимости от размера частиц дисперсной фазы

Коллоидные системы - системы, размер частиц дисперсной фазы в которых составляет 10~ 7 -10~ 9 м. Коллоидные системы характеризуются гетерогенностью, т.е. наличием поверхностей раздела фаз и очень большим значением удельной поверхности дисперсной фазы. Это обусловливает значительный вклад поверхностной фазы в состояние системы и приводит к появлению у коллоидных систем особых, присущих только им, свойств.

Иногда выделяют молекулярно(ионно)-дисперсные системы , которые, строго говоря, являются истинными растворами, т.е. гомогенными системами, поскольку в них нет поверхностей раздела фаз.

Коллоидные системы, в свою очередь, подразделяются на две группы, резко отличные по характеру взаимодействий между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды, - лиофобные коллоидные растворы (золи) и растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), которые ранее называли лиофильными коллоидами. К лиофобным коллоидам относятся системы, в которых частицы дисперсной фазы слабо взаимодействуют с дисперсионной средой; эти системы могут быть получены только с затратой энергии и устойчивы лишь в присутствии стабилизаторов.

Растворы ВМС образуются самопроизвольно благодаря сильному взаимодействию частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой и способны сохранять устойчивость без стабилизаторов. Лиофобные коллоиды и растворы ВМС различаются также и структурой частиц, составляющих дисперсную фазу. Для лиофобных коллоидов единицей структуры является сложный многокомпонентный агрегат переменного состава - мицелла, для растворов ВМС - макромолекула.

Таким образом, размер частиц (или дисперсность) является одним из важнейших количественных показателей дисперсных систем, определяющих их качественные особенности.

Третий признак, по которому классифицируют все дисперсные системы, обусловлен видом дисперсной фазы. Дисперсную фазу могут составлять частицы, пленки, мембраны, нити или капилляры.

Различают трехмерные (частицы), двухмерные (нити, волокна, капилляры, поры) и одномерные (мембраны, пленки) дисперсные фазы.

Кроме общих признаков, которые охватывают все дисперсные системы, существует ряд частных признаков. Эти признаки характерны только для некоторых дисперсных систем. В основу частной классификации положены:

• 1) способы получения дисперсных систем;
• 2) структурно-механические свойства;
• 3) взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой;
• 4) устойчивость дисперсных систем.
• 1. Классификация по структуре.

Все дисперсные системы можно разделить на два класса - свободно-дисперсные в которых частицы дисперсной фазы не связаны между собой и могут перемещаться свободно (суспензии, эмульсии, золи, в том числе аэрозоли), и связно-дисперсные , в которых одна из фаз не перемещается свободно, поскольку структурно закреплена. К ним относятся капиллярно-пористые тела, мембраны - тонкие пленки, гели, студни, пены - жидкие сетки с воздушными ячейками, твердые растворы.

2. Классификация по межфазному взаимодействию.

Взаимодействие между веществами дисперсной фазы и дисперсионной

среды за счет межмолекулярных сил на границе раздела фаз протекает всегда, но степень его проявления может быть различной.

В зависимости от этого дисперсные системы могут быть лиофильными и лиофобными.

Для первых характерно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой, а для вторых - слабое. Лиофильные системы термодинамически устойчивы (AG < 0) и характеризуются самопроизвольным диспергированием. Системы, в которых самопроизвольного диспергирования не происходит, могут быть названы лиофобными, но они лиофилизированы в той или иной степени.

Под словом «коллоиды» в настоящее время понимают ультрамикрогетерогенные системы, то есть такие системы, где в так называемой дисперсионной среде взвешены ультрамикроскопические частички, представляющие собой отдельную фазу. Грегем под коллоидами подразумевал вещества, которые, будучи распределены в той или иной жидкости и обнаруживая все внешние признаки обычных растворов, при более детальном изучении резко от последних отличаются.

Он полагал, что различие это кроется в самой природе данного вещества; поэтому он разделил весь вещественный мир на два класса: коллоиды и кристаллоиды. Более поздние исследования показали, однако, что между кристаллоидами и коллоидами не существует какой-либо непреодолимой преграды и что принципиально всякое вещество, дающее в данной жидкости истинный раствор,может образовать в иной жидкости систему со всеми свойствами коллоидов.

Поэтому сейчас правильнее говорить не о коллоидах, а о коллоидном состоянии или о коллоидных системах. Пример: поваренная соль (NaCl) дает в водной среде исключительно истинный раствор, наоборот, будучи распределена в таких жидкостях, как эфир или бензол, не являющихся для нее растворителями, она при известных условиях может дать такие системы, которые по всем своим свойствам и особенностям могут назваться коллоидными системами.

Коллоиды и их особенности

Особенности коллоидных систем, отличающие их, главным образом, от обычных или истинных растворов.

Броуновское движение и связанное с ним осмотическое давление и диффузия. В то время как в истинных растворах частицами, взвешенными в данной жидкости, являются молекулы (раствор сахара в воде), а иногда и ионы (растворы электролитов), частицы коллоидных систем неизмеримо крупнее: они состоят из тысяч, а иногда и из сотен тысяч молекул, соединенных в один плотный комплекс, называемый ядром.

Некоторые коллоидисты полагают, что в природе могут быть вещества с такими крупными молекулами, что эти последние играют роль коллоидных частиц. Этот вопрос пока что приходится считать спорным. При этом не нужно забывать, что сущность дела состоит не в размере молекулы, а в том, чтобы эта молекула могла сыграть роль самостоятельной фазы, т. е. в том, чтобы мы имели основания признать такую систему молекулярной степени дисперсности как микрогетерогенную систему.

Молекулы раствора (или газа), как известно, находятся в непрерывном тепловом хаотическом движении. Такому же движению, хотя в ином, чрезвычайно уменьшенном масштабе, подвержены и частицы коллоидной системы. В силу исторических причин это движение коллоидных частиц носит особое название броуновского движения, однако не нужно забывать, что физическая сущность его совершенно идентична с движением молекулярным.

Разница здесь не качественная, а количественная. То же нужно сказать и о тех свойствах, которые являются непосредственным выражением броуновского движения, а именно - об осмотическом давлении и о диффузии. Осмотическое давление, точно так же, как и газовое, является функцией количества частиц в единице объема или, как принято говорить, функцией частичной концентрации. Такая концентрация в коллоидных системах по сравнению с системами истинно растворенными чрезвычайно мала, а потому и осмотическое давление в них ничтожно. Оно настолько мало, что лишь в самое последнее время удалось найти методы для его количественного определения.

То же самое нужно сказать и о диффузии. Грегем полагал, что диффузия отсутствует у коллоидных систем, и считал это отсутствие диффузии яркой качественной характеристикой коллоидов. Это оказалось неверным и иначе не могло быть, ибо факт существования броуновского или, что то же самое, молекулярного движения частиц логически требовал существования и диффузии. Но этот диффузионный процесс в соответствии с масштабом броуновского движения оказался настолько замедленным, что констатировать его, а тем более измерить количественно удалось лишь в последнее время, использовав все современные технические возможности.