ОСНОВЫ КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

1. ОСНОВЫ КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. ЛЕКЦИЯ 19.

2. Дисперсные системы • Дисперсная система – система, в которой одно вещество распределено в среде другого вещества в виде очень мелких частиц • Дисперсная система состоит из двух или более фаз • Дисперсная фаза – вещество, которое раздроблено и распределено в виде мелких частиц внутри другого; внутренняя, раздробленная фаза дисперсной системы • Дисперсионная среда – вещество, в котором распределена дисперсная фаза; внешняя, непрерывная среда дисперсионной системы • Дисперсные системы – гетерогенные системы • Дисперсность – величина, обратная размеру частиц • Чем больше размер частиц, тем меньше дисперсность, и наоборот • Дисперсная среда и дисперсионная фаза могут быть в любом агрегатном состоянии • Дисперсность – важный технологический показатель в производстве и применении пигментов, наполнителей для пластмасс, минеральных вяжущих веществ, фармацевтических препаратов и др.

3. Классификация дисперсных систем • По дисперсности (величине частиц дисперсной фазы)

4. Классификация дисперсных систем • По агрегатному состоянию дисперсионной среды: • Газодисперсные • Жидкодисперсные • Твёрдодисперсные

5. Классификация дисперсных систем • Эмульсия: дисперсионная среда – жидкость, дисперсная фаза – нерастворимая в ней другая жидкость • Суспензия: дисперсионная среда – жидкость, дисперсная фаза – нерастворимое в ней твёрдое вещество • Аэрозоль: дисперсионная среда – газ, дисперсная фаза –твёрдое вещество или жидкость • Гели (студни, желе): состоят из высокомолекулярных и низкомолекулярных компонентов; дисперсионная среда – жидкость, частицы дисперсной фазы образуют пространственную структурную сетку; в местах контакта частицы дисперсной фазы соединены когезионным взаимодействием • Золи: дисперсионная среда – жидкость или газ, дисперсная фаза – жидкость, газ или твёрдое вещество (твёрдые пены, пористый шоколад, жемчуг, вода в бетоне, рубиновое стекло)

6. Коллоидные системы • Частный вид дисперсных систем • По дисперсности занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами • Общая поверхность частиц в коллоидных системах очень велика (десятки , сотни, тысячи м² на грамм дисперсной фазы) • Это обусловливает особенности в свойствах коллоидных систем • Коллоидные системы широко распространены (молоко, кровь, яичный белок, природная вода, драгоценные камни, глины и др.) • Коллоидные системы неустойчивы (лабильны) • Добавление ничтожных количеств электролита к коллоидным системам вызывает выпадение осадка • Для других коллоидных систем добавление электролита способствует увеличению стабильности

7. Классификация коллоидных систем • Лиофобные • В лиофобных коллоидах частицы дисперсной фазы слабо взаимодействуют с окружающей средой • Вследствие избытка свободной поверхностной энергии они термодинамически неустойчивы, т. е. всегда сохраняют тенденцию к распаду и требуют введения стабилизатора • Примеры: золи драгоценных металлов, дисперсии полимеров в воде и др. • Лиофильные • В лиофильных коллоидах частицы дисперсной фазы интенсивно взаимодействуют с молекулами окружающей их жидкости • Поверхность частиц сильно сольватирована и удельная свободная поверхностная энергия на границе раздела фаз чрезвычайно мала • Примеры: мыла в водной среде, ПАВ в неводной среде и др.

8. Оптические свойства коллоидных систем

9. Светорассеяние или эффект Тиндаля • Если на коллоидный раствор направить пучок света, то внутри раствора можно увидеть светящийся конус • Это явление называется опалесценцией или конусом Тиндаля • Опалесценция является следствием рассеяния света • Эффект Тиндаля возникает при рассеянии на взвешенных частицах, размеры которых превышают размеры атомов в десятки раз • При укрупнении частиц взвеси до размеров порядка 1/20 длины световых волн (примерно от 25 нм и выше), рассеяние становится полихромным, т.е. свет начинает рассеиваться равномерно во всём видимом диапазоне цветов от фиолетового до красного; в результате эффект Тиндаля пропадает

10. Теория Релея • Дж. Релей объяснил явление опалесценции • Причиной рассеяния света является то, что если радиус частицы меньше длины полуволны падающего света, то луч света не отражается, а огибает частицу под различными углами • Луч становится видимым в результате рассеивания света коллоидными частицами • Рассеивая свет, каждая частица как бы сама становится маленьким источником света • Видимый пучок света от кинопроектора в темном кинозале, луч прожектора - все это примеры явления Тиндаля • При пропускании света через истинные растворы или чистые жидкости конус Тиндаля не наблюдается • Таким образом, это явление характерно только для коллоидных систем и поэтому может быть использовано как индикатор

11. Уравнение Релея I – интенсивность рассеянного света I₀ - интенсивность падающего света А – постоянная • Яркость опалесценции растёт с уменьшением длины волны • Светорассеяние коротких волн (синих и фиолетовых) происходит интенсивнее, чем длинных (красных и жёлтых) • Интенсивность рассеянного света зависит от степени дисперсности • Чем меньше размер частиц, тем ярче рассеянный свет • В грубодисперсных системах преобладает отражение, а не рассеяние света • Цветное стекло • Пигменты

12. Колориметрия • Колориметрия – метод количественного анализа, основанный на измерении оптической плотности дисперсной системы • Прибор – колориметр • Можно определять концентрацию веществ в растворах, активность растворов • Колориметры применяют на предприятиях водоснабжения, в металлургической, химической, пищевой промышленностях, в сельском хозяйстве, в медицине и других областях

13. Нефелометрия • Нефелометрия – метод количественного анализа, основанный на измерении мутности дисперсной системы • Прибор – нефелометр • По измеренной мутности можно рассчитать радиус частиц, используя уравнение Релея

14. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем • Диффузия • Броуновское движение • Осмотическое давление • Диффузионно-седиментационное равновесие

15. Диффузия • Диффузия – самопроизвольный процесс выравнивания концентрации частиц во всём объёме коллоидной системы или молекул в растворе • Коллоидные частицы диффундируют гораздо медленнее, чем молекулы в истинных растворах • Причиной этого является большой размер коллоидных частиц по сравнению с молекулами • Скорость диффузии возрастает с повышением температуры и уменьшается с увеличением вязкости среды и размера частиц

16. Броуновское движение • Броуновское движение – хаотичное движение частиц, не затухающее со временем • Частицы движутся беспорядочно и по любым направлениям • Броуновское движение не зависит от природы частиц и определяется тремя факторами: размерами частицы, вязкостью среды и температурой • Теория броуновского движения объясняет случайные движения частицы действием случайных сил со стороны молекул и сил трения • На основе теории броуновского движения были рассчитаны постоянная Авогадро и Больцмана

17. Осмотическое давление • В истинных растворах осмотическое давление рассчитывают по уравнению Вант-Гоффа • Для коллоидных систем где - число частиц в м³ • Осмотическое давление коллоидных растворов прямо пропорционально числу частиц коллоида в единице объёма • В связи с тем, что размер коллоидных частиц намного больше, чем размер обычных молекул, осмотическое давление коллоидных растворов намного меньше, чем осмотическое давление истинных растворов

18. Диффузионно-седиментационное равновесие • Седиментация – процесс осаждения частиц, взвешенных в дисперсионной фазе под действием сил тяжести • Оседание происходит, если плотность частиц больше плотности дисперсионной среды • Скорость седиментации зависит от размеров частиц: чем крупнее частицы, тем быстрее они оседают • Фактором, препятствующим оседанию, является диффузия, стремящая, наоборот, выровнять концентрации • Диффузия более мелких частиц протекает с большей скоростью; она замедляется с увеличением размера частиц

19. Диффузионно-седиментационное равновесие • Для крупных частиц преобладающей оказывается сила тяжести, и они оседают на дно сосуда • Более мелкие частицы не оседают на дно, благодаря диффузии • В результате диффузионно-седиментационного равновесия происходит постепенное уменьшение концентрации от дна сосуда к верхним слоям раствора • Это явление наблюдается не только в коллоидных, но и в молекулярно-дисперсных системах • Этим объясняется уменьшение концентрации воздуха в земной атмосфере по мере удаления от поверхности земли • Для ускорения седиментации применяют центрифугирование

20. Электрические свойства коллоидных систем • Коллоидные частицы обладают зарядом • Заряд у частицы появляется вследствие того, что частица адсорбирует из раствора ионы того или иного вида в зависимости от природы коллоидного вещества и от условий опыта • Под действием разности потенциалов коллоидные частицы переносятся к тому или иному полюсу • Это явление переноса называют электрофорезом • Электрофорез - движение коллоидных частиц относительно неподвижной жидкой дисперсионной среды под действием внешнего электрического тока • Дисперсные фазы гидрозолей металлов, сульфидов металлов, некоторых красок движутся к (+) аноду, т.е. имеют отрицательный заряд • Золи гидроксидов металлов движутся к (-) катоду, т.е. имеют положительный заряд • Заряды коллоидных частиц очень велики и скорость электрофореза сравнима со скоростью обычных ионов • Электрические свойства коллоидных систем обусловлены возникновением двойного электрического слоя на границе двух фаз

21. Строение коллоидной мицеллы • Мицелла – структурная единица лиофобных коллоидов • Коллоидная мицелла золя иодида серебра образована микрокристаллом иодида серебра, который способен к избирательной адсорбции из окружающей среды катионов Ag+ или иодид-ионов • Если реакция проводится в избытке иодида калия, то кристалл будет адсорбировать иодид-ионы; при избытке нитрата серебра микрокристалл адсорбирует ионы Ag+ • В результате этого микрокристалл приобретает отрицательный либо положительный заряд; ионы, сообщающие ему этот заряд, называются потенциалопределяющими, а сам заряженный кристалл – ядром мицеллы • Заряженное ядро притягивает из раствора ионы с противоположным зарядом – противоионы; на поверхности раздела фаз образуется двойной электрический слой Некоторая часть противоионов адсорбируется на поверхности ядра, образуя т.н. адсорбционный слой противоионов Ядро вместе с адсорбированными на нем противоионами называют коллоидной частицей или гранулой. Остальные противоионы, число которых определяется, исходя из правила электронейтральности мицеллы, составляют диффузный слой противоионов Противоионы адсорбционного и диффузного слоев находятся в состоянии динамического равновесия адсорбции – десорбции

22. Строение мицеллы коллоидного раствора иодида серебра

23. Строение мицеллы коллоидного раствора гидроксида железа (III)

24. Коагуляция • Коагуляция – объединение частиц в более крупные агрегаты • Коагуляции препятствует электростатическое отталкивание имеющих одноимённый заряд коллоидных частиц • Факторы, вызывающие коагуляцию: • Прибавление электролитов • Нагревание или замораживание • Механическое воздействие и др. • Наиболее важным и изученным фактором является прибавление электролита

25. Коагуляция • Положительно заряженные коагулянты нейтрализуют отрицательный заряд, окружающий коллоидные частицы. Когда заряд вокруг каждой частицы нейтрализован, они постепенно сближаются, уменьшая свой эффективный радиус, становятся в конце концов неустойчивыми и могут сталкиваться друг с другом. • При столкновении частицы соединяются друг с другом за счет водородных связей или, например, сил Ван дер Ваальса, образуя большие массы, или хлопья. • Энергия перемешивания, увеличивает количество и частоту этих столкновений частиц, усиливая агломерацию твердого вещества и способствуя образованию хлопьев • Образованию хлопьев способствует полимерная природа коагулянтов. Их длинные молекулярные цепочки подхватывают агломерированные частицы, образуют мостики от одной поверхности к другой, связывая вместе отдельные хлопья в крупные, легко удаляемые массы

26. Коагуляция • Все электролиты, взятые в достаточной концентрации, способны коагулировать лиофобные золи • Коагулирующей частью электролита является один из его ионов – тот, который несет заряд, противоположный по знаку заряду коллоидной частицы • Для начала явной коагуляции необходимо, чтобы концентрация электролита превысила некоторую минимальную величину, называемую порогом коагуляции • Порог коагуляции данного коллоида зависит от заряда коагулирующего иона: чем больше заряд, тем меньше порог коагуляции • Коагуляцию золя можно вызвать прибавлением к нему доугого золя, частицы которого заряжены противоположно первому; это т.н. взаимная коагуляция лиофобных коллоидов • Коагуляцию применяют для осветления воды, вин и др. • http://www.youtube.com/watch?v=kMewxbvwPV0