close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1329.Коллоидная химия

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Ставропольский государственный аграрный университет»
Н.Н. Францева, Е.С. Романенко,
Ю.А. Безгина, Е.В. Волосова
КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Учебное пособие
Допущено УМО вузов РФ по агрономическому образованию
в качестве учебного пособия для подготовки бакалавров,
обучающихся по направлению 110400 « Агрономия»
г. Ставрополь
2013
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Печатается по решению методической комиссии факультета защиты
растений и методического совета
ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»
УДК 544 (075.8)
ББК 24.5 я 73
К 60
Рецензенты:
Боровлёв И.В., доктор химических наук, профессор
Лысенко И.О., доктор биологических наук, доцент
Авторы:
Францева Н.Н., кандидат биологических наук
Романенко Е.С., кандидат сельскохозяйственных наук, доцент
Безгина Ю.А., кандидат сельскохозяйственных наук, доцент
Волосова Е.В., кандидат биологических наук
К 60
Коллоидная химия : учебное пособие / Е.С. Романенко, Н.Н. Францева,
Ю.А. Безгина, Е.В. Волосова. – Ставрополь : Ставропольское издательство «Параграф», 2013. – 52 с.
В учебном пособии в краткой и доступной форме изложен материал по основным
разделам коллоидной химии, даны контрольные вопросы, тестовые задания и глоссарий по
коллоидной химии. Данное пособие позволит студентам получить основные знания по коллоидной химии, может служить руководством для самостоятельного изучения материала при подготовке к зачѐту или экзамену.
Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения аграрных вузов по направлениям 110400.62 – Агрономия, 260100.62 – Продукты питания из
растительного сырья.
УДК 544 (075.8)
ББК 24.5 я 73
© Е.С. Романенко, Н.Н. Францева,
Ю.А. Безгина, Е.В. Волосова, 2013.
© ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный
аграрный университет», 2013.
© ООО «Ставропольское издательство «Параграф», 2013.
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................... 5
I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ ........................ 7
1. КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ.
КОЛЛОИДНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА .................................................... 7
1.1. Предмет и значение коллоидной химии ................................................... 7
1.2. Развитие коллоидной химии ...................................................................... 8
1.3. Признаки коллоидного состояния вещества ......................................... 10
2. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ .............................. 11
2.1. Природа дисперсных систем .................................................................. 11
2.2. Свойства вещества в коллоидном состоянии ...................................... 12
2.3. Классификации дисперсных систем....................................................... 12
3. ЛИОФОБНЫЕ КОЛЛОИДЫ ......................................................................... 15
3.1. Лиофобные коллоиды ............................................................................... 15
3.2. Особенности лиофобных коллоидов....................................................... 16
3.3. Получение и очистка коллоидных систем ............................................. 17
3.4. Устойчивость и коагуляция лиофобных коллоидов ............................. 17
3.5. Основные закономерности коагуляции электролитами ..................... 18
4. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
И ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ ..... 19
4.1. Молекулярно-кинетические свойства золей .......................................... 19
4.2. Двойной электрический слой ................................................................... 22
4.3. Электрокинетические явления. Электрофорез и электроосмос ........ 23
5. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ .......................... 25
5.1. Поглощение и рассеяние света. Эффект Тиндаля, закон Рэлея ......... 25
5.2. Ультрамикроскопия. Электронная микроскопия
при изучении структуры коллоидных частиц....................................... 26
5.3. Нефелометрия .......................................................................................... 27
5.4. Окраска золей............................................................................................ 27
6. УСТОЙЧИВОСТЬ И КОАГУЛЯЦИЯ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ ........... 28
6.1. Изменение состояния коллоидных систем ............................................ 28
6.2. Коагуляция гидрофобных золей электролитами .................................. 29
6.3. Механизм электролитной коагуляции ................................................... 30
6.4. Пептизация гидрофобных золей ............................................................. 30
6.5. Коагуляция растворов ВМС .................................................................... 31
7. РАСТВОРЫ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ .................... 32
7.1. Общая характеристика растворов ....................................................... 32
7.2. Особенности растворов ВМС ................................................................ 33
7.3. Устойчивость растворов ВМС .............................................................. 33
8. МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ ........................................................ 35
8.1. Суспензии................................................................................................... 35
8.2. Эмульсии .................................................................................................... 36
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8.3. Пены ........................................................................................................... 37
8.4. Порошки .................................................................................................... 39
8.5. Аэрозоли..................................................................................................... 39
9. ГЕЛИ И СТУДНИ ........................................................................................... 40
9.1. Общие понятия о гелях и студнях .......................................................... 40
9.2. Процессы гелеобразования ...................................................................... 42
9.3. Тиксотропия и синерезис гелей ............................................................... 43
II. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ .................................................................................. 44
III. ГЛОССАРИЙ .................................................................................................. 48
IV. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ......................................................... 51
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
В аграрном вузе химия является общетеоретической дисциплиной. Еѐ основная задача дать студентам современное научное представление о строении,
свойствах веществ и механизме химических процессов. Без знания основных
понятий, законов и теоретических положений химии невозможно стать высококвалифицированным специалистом аграрного профиля.
Изучение дисциплины химии физической и коллоидной в сельскохозяйственном вузе дает теоретическую основу для понимания таких дисциплин,
как физиология, микробиология, почвоведение, агрохимия, защита растений, а
знакомство с физико-химическими методами исследования позволяет шире
использовать их для решения некоторых вопросов сельскохозяйственного
производства.
Курс химии физической и коллоидной включает 2 раздела: физическую
химию и коллоидную химию. В данном пособии рассматриваются основы
коллоидной химии.
Процесс изучения данной дисциплины направлен на формирование элементов следующих компетенций в соответствии с ФГОС ВПО по данному
направлению:
а) общекультурных (ОК): способность представить современную картину
мира на основе естественнонаучных знаний (ОК-11).
б) профессиональных (ПК): использовать основные законы естественнонаучные дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-1); способность применять современные методы научных исследований в агрономии согласно утвержденным планам и методикам
(ПК-24).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать основные положения химической термодинамики и термохимии,
химической кинетики и катализа, химического равновесия, электрохимии, поверхностных явлений, основные свойства растворов неэлектролитов, физикохимические свойства и поведение высокодисперсных и высокомолекулярных
систем, которые составляют основу всех биологических объектов.
Уметь на основе теоретических положений и физико-химических методов исследования, применяемых в физической и коллоидной химии, изыскивать пути управления химическими и биохимическими процессами, выбирать
оптимальные агротехнические мероприятия для получения экологически чистой продукции, оценивать по результатам анализа качество сельскохозяйственной продукции.
Владеть методами теоретического и экспериментального исследования в
химии; приемами оценки численных порядков величин, характерных для различных разделов естествознания.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание курса при изучении химии физической и коллоидной определяется рабочей программой по конкретной специальности. Основными
формами обучения являются лекции, практические, лабораторные занятия и
самостоятельная работа студента. Помимо различных задач и функций, каждая из этих форм отличается уровнем усвоения изучаемого материала. Определяющую роль здесь играет самостоятельная работа. На каком бы высоком
профессиональном уровне не проводились аудиторные занятия, усвоение
предмета будет недостаточно высоким, если студент самостоятельно и творчески не изучает материал и не принимает активного участия в его разборе на
практическом занятии. Поэтому цель предлагаемого учебного пособия помочь
студенту в самостоятельном изучении материала по физической химии.
Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм
обучения аграрных вузов по направлениям: 110400.62 – Агрономия, 260100.62
– Продукты питания из растительного сырья.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ
1. КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ.
КОЛЛОИДНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА
1.1. Предмет и значение коллоидной химии
1.2. Развитие коллоидной химии
1.3. Признаки коллоидного состояния вещества
1.1. Предмет и значение коллоидной химии
Коллоидная химия – это наука о дисперсных системах и поверхностных
явлениях, возникающих на границах раздела фаз. Коллоидная химия является
химией реальных тел, поскольку реальные объекты живой и неживой природы, продукты и материалы, создаваемые и используемые человеком, практически всегда находятся в дисперсном состоянии, т. е. содержат в своем составе малые частицы, тонкие пленки, мембраны, волокна с четко выраженными
поверхностями раздела. При этом поверхностные явления и дисперсные системы встречаются и далеко пределами Земли. Например, межзвездная материя – это газопылевые облака. Метеорологические явления – грозовые разряды, дождь, снег, град, туман и другие – являются коллоидными процессами.
Коллоидная химия составляет научную основу производства пластических масс, резины, синтетических волокон, клеев, лакокрасочных и строительных материалов, продуктов питания, лекарств и т.п. Практически нет ни
одной области промышленности, которая в той или иной степени не имела бы
дела с коллоидными системами.
Велика роль коллоидной химии и в решении комплекса задач охраны
окружающей среды, включая очистку сточных вод, водоподготовку, улавливание аэрозолей, борьбу с эрозией почв и др.
Коллоидная химия открывает новые подходы к изучению истории земной
коры, установлению связей между коллоидно-химическими свойствами почвы и
ее плодородием, выяснению условий возникновения жизни, механизмов жизнедеятельности; она является одной из ведущих основ современной биологии, почвоведения, геологии, метеорологии. Вместе с биохимией и физикохимией полимеров она составляет основу учения о возникновении и развитии жизни на Земле.
Тот факт, что все живые системы являются высокодисперсными, подчеркивает
значение коллоидной химии для развития современной в целом.
Огромно значение коллоидных процессов в сельском хозяйстве (создание
дымов и туманов для борьбы с вредителями сельского хозяйства, грануляция
удобрений, улучшение структуры почв и т.д.). Кулинарные процессы: старение
студней (черствление хлеба, отделение жидкости от киселей, желе и т.п.), адсорбции (осветление бульонов) относятся к коллоидным процессам, которые лежат в
основе хлебопечения, виноделия, пивоварения и других пищевых производств.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.2. Развитие коллоидной химии
Коллоидная химия первоначально была разделом физической химии, а в
настоящее время является самостоятельной наукой. Коллоидная химия, как и
физическая химия, строится на основе двух наук – химии и физики – с преобладанием второй. Обе дисциплины связаны не только между собой, но и с химией неорганической, аналитической, органической, биологической, а также
со специальными дисциплинами.
Коллоидная химия возникла в середине XIX века. В 1861 г. известный
английский химик Томас Грэм (1805-1869гг) изучал диффузию различных
веществ в водных растворах. Он обнаружил, что некоторые вещества (желатин, агар-агар и т.п.) диффундируют в воду и проходят через полупроницаемые перегородки во много раз медленнее, чем, например, соли и кислоты.
Кроме того, эти вещества при пересыщении растворов не кристаллизовались,
а формировали студнеобразную клейкую массу. По-древнегречески клей
называется «колла», и эти «особые» вещества Грэм назвал «коллоидами». Так
появилось название науки – коллоидная химия. На основе своих опытов Грэм
выдвинул весьма смелую гипотезу о существовании в природе двух диаметрально противоположных классов химических веществ – «кристаллоидов» и
«коллоидов». Эта идея вызвала большой интерес многих ученых, и во второй
половине XIX века коллоидная химия стала развиваться очень быстро и плодотворно, причем основное внимание уделялось именно химическим аспектам. В эти годы были открыты многие вещества с типично коллоидными
свойствами. Вместе с тем были разработаны различные методы очистки и стабилизации коллоидов (неорганических, органических и белковых веществ),
созданы оригинальные и высокочувствительные методы для измерения размеров дисперсных частиц, поверхностного натяжения чистых жидкостей и
растворов, скорости электрофореза и ряда других параметров коллоидных систем. Однако по мере открытия все новых коллоидных систем гипотеза Грэма
утрачивала свою привлекательность.
На смену ей пришла концепция универсальности коллоидного (дисперсного) состояния вещества. Решающую роль в утверждении этой концепции
сыграли экспериментальные работы профессора Санкт-Петербургского горного института П.П. Веймарна (1906-1910 гг). На множестве примеров он показал, что даже типичные коллоиды (например, желатин) можно выделить в
кристаллическом виде и, напротив, из «кристаллоидных» веществ можно приготовить коллоидный раствор (например, поваренной соли в бензоле). На основании этих результатов Веймарн сформулировал следующее положение:
«Коллоидное состояние не является обусловленным какими-либо особенностями состава вещества; наоборот, было доказано, что о коллоидах можно
говорить как о твердых, жидких, газообразных, растворимых и нерастворимых веществах. При определенных условиях каждое вещество может быть в
коллоидном состоянии».
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Концепция универсальности значительно расширила область объектов коллоидной химии и оказала значительное влияние на ее развитие. На первый план
было выдвинуто понятие дисперсного состояния вещества и как результат –
осознание важнейшей роли поверхностных явлений. Веймарн считал необходимым вообще отказаться от термина «коллоид» и заменить его на понятие «дисперсоид», а коллоидную химию переименовать в дисперсоидологию – «науку о
свойствах поверхностей и процессах, на них совершающихся». Это определение
очень близко к современной трактовке коллоидной химии как науки о дисперсном состоянии веществ с определяющим влиянием поверхностных явлений. С
утверждением концепции универсальности произошло существенное смещение
приоритетов коллоидной химии. Главным направлением стало изучение дисперсного (коллоидного) состояния веществ. Для этого необходимо было выяснить, какие свойства достаточно полно и объективно характеризуют это состояние. В начале ХХ века эта проблема представлялась очень сложной. Не случайно
Вильгельм Оствальд (1853-1932 гг.), один из первых исследователей и преподавателей коллоидной химии, называл ее миром обойденных величин. Он писал:
«До недавнего времени мы не видели, что между материей в массе и материей в
молекулах существует еще целый мир замечательных явлений. Мы как-то обошли это промежуточное царство с чрезвычайно многочисленными представителями, не зная, что степень дисперсности оказывает значительное влияние на
свойства, что многие из свойств как раз в коллоидной степени дисперсности
вещества достигают своего максимума или минимума. Только теперь мы знаем, что каждое тело приобретает особые свойства и демонстрирует своеобразные явления, когда его частички больше размеров молекул, но все же еще
так малы, что их нельзя различить в оптический микроскоп. Только теперь выяснилось особое значение размеров, характерных для коллоидных систем».
Коллоидная химия как самостоятельная наука стала развиваться только в
начале XX века. В 1906-1910 гг. Эйнштейном и Смолуховским была разработана теория броуновского движения. В 1913 г. А.В. Думанский организовал
первую лабораторию коллоидной химии.
Примерно к 20-м гг. стало ясно, что фундаментальные проблемы коллоидной химии в новом понимании ее содержания можно условно разделить на
три группы:
1.Состав, строение и свойства коллоидных частиц.
2.Взаимодействие частиц с дисперсионной средой (главным образом, с
жидкостями).
3.Контактные взаимодействия частиц друг с другом, приводящие к образованию коллоидных структур.
В других химических дисциплинах свойства вещества рассматриваются
на двух уровнях организации материи: макроскопическом (свойства сплошных фаз) и молекулярном (строение и свойства отдельных молекул). В коллоидной химии речь идет о дисперсном (раздробленном) состоянии вещества,
когда его частицы крупнее молекул, но меньше макроскопических тел.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фаза – это совокупность всех тождественных частей системы, имеющих
одинаковый состав, химические, физические и термодинамические свойства, и
отделенных от других частей системы поверхностью раздела.
Итак, мы употребили новое понятие «дисперсное состояние вещества»,
которое можно назвать коллоидным состоянием вещества. В коллоидном состоянии обычно существуют все реальные тела.
1.3. Признаки коллоидного состояния вещества
1. Определенная степень раздробленности (~1 нм-1 мкм) вещества хотя
бы в одном из трех измерений, при которой система приобретает ряд специфических свойств, не присущих (или выраженных незначительно) макроскопическим телам того же химического состава.
2. Наличие в системе двух или более фаз, ограниченных поверхностью
раздела (гетерогенность, многофазность).
Понятие «коллоид» применимо к любой системе, удовлетворяющей указанным признакам, независимо от ее химического состава, структурнофазового и агрегатного состояния, а также морфологии. Таким образом, основными признаками коллоидных систем являются гетерогенность и дисперсность.
В 1934 г. Н.П. Песков в книге «Физико-химические основы коллоидной
науки» писал: «Коллоидная система есть система гетерогенная, т.е. многофазная. С этой многофазностью коллоидных систем и с тем фактом существования у них поверхности раздела связаны все самые существенные и самые характерные свойства коллоидов. Поэтому все те явления и закономерности, которые имеют место на поверхности раздела фаз, приобретают для нас большое
значение, а, следовательно, требуют специального изучения...».
Прежде всего, тем, что в этом состоянии значительная доля всех молекул
или атомов, составляющих вещество, находится на поверхности раздела фаз;
эти молекулы являются «особенными» (отличными от тех, которые находятся
в объеме, при том же химическом составе) как по положению в несимметричном силовом поле, так и по энергетическому состоянию. В итоге вклад поверхностных сил в свойства системы существенно превосходит вклад объемных свойств составляющих ее веществ.
Поверхность раздела фаз в коллоидной химии – это граничная область
между фазами, слой определенной толщины, в котором происходит изменение
различных свойств от значений, характерных для одной фазы, до значений,
характерных для другой.
Итак, поверхность раздела фаз – это не просто граница, не имеющая
толщины. На границе раздела фаз формируется поверхностный слой (межфазная поверхность) толщиной в один или несколько молекулярных размеров
(диаметров). Термодинамические параметры межфазной поверхности отличаются от аналогичных параметров объемной фазы того же вещества. Например, такая характеристика, как структура поверхности жидкости будет отли10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чаться от структуры жидкости во внутреннем объеме. П.А. Ребиндер отмечал,
что поверхностные слои каждой фазы толщиной около 0,5 мм обладают особыми свойствами, так как находятся в поле действия сил соседней фазы.
Ас и Аd – значение свойства
соответственно в фазах с и d.
Контрольные вопросы
1. Дать определение коллоидной химии. Что является предметом изучения коллоидной химии?
2. Какие ученые внесли вклад в развитие коллоидной химии?
3. Назовите основные признаки коллоидного состояния вещества.
4. Дайте объяснение понятиям «фаза» и «поверхность раздела фаз».
2. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
2.1. Природа дисперсных систем
2.2. Свойства вещества в коллоидном состоянии
2.3. Классификации дисперсных систем
2.1. Природа дисперсных систем
Дисперсные системы – это гетерогенные системы, состоящие из двух или
большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними.
Особые свойства дисперсных систем обусловлены именно наличием большой
межфазной поверхности. Характерными являются процессы, происходящие
на поверхности, а не внутри фазы. Отсюда становится понятным, почему коллоидную химию называют физико-химией поверхностных явлений и дисперсных систем.
Особенность дисперсных систем состоит в их дисперсности – одна из фаз
обязательно должна быть раздробленной, ее называют дисперсной фазой.
Сплошная среда, в которой распределены частицы дисперсной фазы, называется дисперсионной средой. Фаза считается дисперсной, если вещество раздроблено хотя бы в одном направлении. Если вещество раздроблено только по
высоте, образуются пленки, ткани, пластины и т.д. Если вещество раздроблено и по высоте и по ширине, образуются волокна, нити, капилляры. Наконец,
если вещество раздроблено по всем трем направлениям, дисперсная фаза со11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стоит из дискретных (отдельных) частиц, форма которых может быть самой
разнообразной.
2.2. Свойства вещества в коллоидном состоянии
Прозрачные опалесцирующие растворы рассеивают свет. Частицы проходят через бумажный фильтр, задерживаются ультрафильтрами (целлофаны,
пергамент), гетерогенные, относительно устойчивы кинетически, стареют во
времени. Частицы видны в электронный микроскоп.
Резкое изменение свойств вещества с повышением дисперсности связано
с быстрым увеличением суммарной поверхности раздела между частицами и
средой. Большая поверхность раздела создает в коллоидных системах большой запас поверхностной энергии Гиббса, который делает коллоидные системы термодинамически неустойчивыми и чрезвычайно реакционноспособными. В этих системах легко протекают самопроизвольные процессы, приводящие к снижению запаса поверхностной энергии: адсорбция, коагуляция (слипание частиц), образование макроструктур, в том числе самоорганизующихся
высокодисперсных наноструктур. Таким образом, самые важные и неотъемлемые черты всякой дисперсной системы – гетерогенность и высокая дисперсность – полностью определяют свойства и поведение этих систем.
Одной из центральных проблем коллоидной химии является рассмотрение изменения свойств по мере увеличения степени раздробленности (дисперсности) дисперсной фазы. Говоря о раздробленности необходимо знать ее
количественную характеристику.
2.3. Классификации дисперсных систем
Дисперсные системы можно классифицировать по многим признакам,
что связано с огромным множеством объектов, которые изучает коллоидная
химия. В качестве основного классификационного признака можно выделить
размер частиц дисперсной фазы:
– Грубодисперсные (>10мкм): грубые взвеси, суспензии, эмульсии, порошки (сахар-песок, грунты, туман, капли дождя, вулканический пепел, магма
и т. п.)
– Среднедисперсные (коллоидно-дисперсные-золи) (0,1-10 мкм): эритроциты крови человека, кишечная палочка и т. п.
– Высокодисперсные (молекулярные) (1-100 нм): вирус гриппа, дым, муть
в природных водах, искусственно полученные золи различных веществ, водные растворы природных полимеров (альбумин, желатин и др.) и т. п.
– Наноразмерные (ионные) (1-10 нм): молекула гликогена, тонкие поры
угля, золи металлов, полученные в присутствии молекул органических веществ, ограничивающих рост частиц, углеродные нанотрубки, магнитные
нанонити из железа, никеля и т. п.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Именно размер частиц (линейный размер, а не вес и не число частиц атомов в частице!) является важнейшим количественным показателем дисперсных систем, определяющим их качественные особенности. По мере изменения размеров частиц изменяются все основные свойства дисперсных систем:
реакционная, адсорбционная способность; оптические, каталитические свойства и т.д. Современная коллоидная химия изучает дисперсные системы с широким диапазоном размеров частиц: от грубодисперсных (10-6-10-4 м) до высокодисперсных или собственно коллоидных (10-9-10-7м).
По размеру частиц коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярными системами. Можно считать, что
в коллоидных системах достигается высшая степень раздробленности вещества,
при которой сохраняется понятия «фаза» и «гетерогенность». Уменьшение
размеров частиц еще на порядок переводит системы в гомогенные.
Вещества, полученные в коллоидном состоянии, как правило, обладают
более интенсивной окраской, большей прочностью и твердостью по сравнению с массивными телами такого же химического состава. Многие вещества,
практически нерастворимые, заметно растворяются, находясь в высокодисперсном состоянии. При увеличении степени дисперсности веществ, наряду с
изменением указанных свойств, появляются и совершенно новые, характерные только для коллоидного состояния свойства. Такие свойства связаны
главным образом с тем, что структура мелких частиц, состоящих из небольшого числа атомов или атомных группировок, отличается от кристаллической
структуры объемных фаз.
Форма частиц дисперсной фазы может быть очень разнообразной в зависимости от условий дробления вещества. Соответственно выделяют системы:
– Трехмерные (твердые частицы, капли, пузыри): пыль, туман, почва, растворимый кофе, эритроциты в плазме крови, яичный белок, муть в природных
водах, вирусы, бактерии.
– Двумерные (нити, поры, волокна): паутина, волосы, тонкие поры в угле,
хлебобулочных изделиях, капилляры, нервные клетки, мышечные волокна.
– Одномерные (пленки): пленки нефти или масла на воде, защитные пленочные покрытия на металлах, «просветляющие» оптику пленки, тонкие полимерные пленки (мембраны), в том числе клеточные мембраны.
Под взаимодействием фаз дисперсных систем подразумевают процессы
сольватации (гидратации), т.е. образование сольватных (гидратных) оболочек
из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Соответственно, по интенсивности взаимодействия между веществами дисперсной
фазы и дисперсионной среды (только для систем с жидкой дисперсионной
средой), по предложению Г. Фрейндлиха различают дисперсные системы:
– Лиофильные (гидрофильные, если дисперсионная среда – вода): мицеллярные растворы ПАВ, критические эмульсии, водные растворы некоторых
природных ВМС, например, белков (желатина, яичного белка), полисахаридов
(крахмала). Для них характерно сильное взаимодействие частиц дисперсной
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
фазы с молекулами дисперсионной среды. В предельном случае наблюдается
полное растворение. Лиофильные дисперсные системы образуются самопроизвольно вследствие процесса сольватации. Термодинамически агрегативно
устойчивы.
– Лиофобные (гидрофобные, если дисперсионная среда – вода): эмульсии, суспензии, золи. Для них характерно слабое взаимодействие частиц дисперсной фазы с молекулами дисперсионной среды. Самопроизвольно не образуются, для их образования необходимо затратить работу. Термодинамически
агрегативно неустойчивы (т.е. имеют тенденцию к самопроизвольной агрегации частиц дисперсной фазы), их относительная устойчивость (так называемая метастабильность) обусловлена кинетическими факторами (т.е. низкой
скоростью агрегации).
По агрегатному состоянию фаз В. Оствальд предложил ставшую весьма
распространенной классификацию (таблица 1).
Систему Г/Г как коллоидную рассматривать не стоит, поскольку газы растворимы друг в друге и образуют гомогенную систему, т.е. не выполняется необходимое для образования коллоидной системы требование гетерогенности.
Таблица 1 – Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз
ДС
ДФ
Твердая
Жидкая
Газообразная
Жидкая
Газообразная
Т/Ж – суспензии, золи: суспензии металлов и других твердых
частиц, золи металлов
и их оксидов
Т/Г – пыли, дымы, порошки:
промышленные выбросы твердых частиц в атмосферу, дым
от костра, песчаные бури, мучная и дорожная пыль в воздухе, аэрозоли твердых лекарственных веществ
Ж/Ж – эмульсии, Ж/Г – аэрозоли с жидкой ДФ:
кремы: молоко, сме- туман, капли дождя, распытана, нефть, космети- ленная струя охлаждающей
ческие кремы
жидкости, распыленные в воздухе духи, жидкое топливо в
камере сгорания) туманы
Г/Ж – пены: мыль- –
ная пена, пивная пена, пена для тушения
пожаров
14
Твердая
Т/Т – сплавы, твердые
коллоидные
растворы: сплавы
металлов, оксидные
и
металлоксидные
композиционные материалы, минералы
Ж/Т – пористые тела,
заполненные
жидкостью, капиллярные тела, гели:
клетки живых организмов, жемчуг, глины, яблоко
Г/Т – пористые и
капиллярные
системы, ксерогели:
пемза, активированный уголь, силикагель, пенопласт, древесина, бумага, картон,
текстильные
ткани
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В соответствии с кинетическими свойствами дисперсной фазы различают
свободнодисперсные и связнодисперсные системы. Выделяют также разбавленные и концентрированные системы. В связнодисперсных системах одна из
фаз структурно закреплена (между частицами реализуется взаимодействие,
они «связаны» друг с другом) и не может перемещаться свободно. В свободнодисперсных системах частицы обособлены и участвуют в тепловом движении и диффузии. В разбавленных связнодисперсных системах частицы образуют сплошную пространственную сетку (дисперсную структуру) – возникают гели. Дисперсные системы любого типа, полученные в концентрированном
состоянии (пасты, мази, густые золи, густые аэрозоли и т. п.), также относят к
связнодисперсным системам. В концентрированных дисперсных системах независимое движение частиц дисперсной фазы затруднено, и для них характерна некоторая степень структурированности, что и позволяет их рассматривать
как связнодисперсные системы.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятию «дисперсные системы».
2. Какие свойства характерны для вещества в коллоидном состоянии?
3. Какие классификации дисперсных систем существуют?
3. ЛИОФОБНЫЕ КОЛЛОИДЫ
3.1. Лиофобные коллоиды
3.2. Особенности лиофобных коллоидов
3.3. Получение и очистка коллоидных систем
3.4. Устойчивость и коагуляция лиофобных коллоидов
3.5. Основные закономерности коагуляции электролитами
3.1. Лиофобные коллоиды
Элементарной частью коллоидной системы является нейтральная мицелла. Исходя из ее строения, можно определить знак заряда иона – стабилизатора и коллоидной частицы. Зная знак заряда коллоидной частицы, можно предсказать влияние электролитов на коагуляцию, возможность взаимной коагуляции золей, условия пептизации.
Схему строения мицеллы гидрофобного золя, полученного в реакции обмена, составляют следующим образом:
1. Написать уравнение реакции, приводящей к получению золя, например, для золя AgJ:
АgNO3 + KJ  AgJ + KNO3
2. Установить состав ядра мицеллы. Это малорастворимое вещество AgJ.
Состав ядра – mAgJ.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Определить, какое из исходных веществ было в избытке. Например,
если взято 10 мл 0,01 NAgNO3 и 5 мл 0,01 NKJ, то в избытке – AgNO3.
4. Определить состав потенциалопределяющего слоя. Для этого нужно
сравнить ионы вещества, находящегося в растворе в избытке, с ионами, входящими в состав ядра.
ядро – AgJ
вещество в избытке – Ag+NO3Ионы из раствора могут адсорбироваться на поверхности твердой частицы (AgJ), при этом из смеси ионов адсорбируются преимущественно ионы,
входящие в состав кристаллической решетки или близкие по химической природе. Они образуют потенциалопределяющий слой, являются ионами стабилизаторами (в данном примере это – nAg+), заряд образующейся системы –
положительный.
5. К потенциалопределяющему слою из раствора электростатически притягиваются противоположно заряженные ионы (в данном примере – ( n - x)
NO3- ), образуя слой противоионов.
6. Зафиксируем знак заряда полученной системы - коллоидной частицы (в
данном примере – положительный, т. к. n > n - x):
{mAgJ  nAg   (n  x) NO3 }
частица
гранула
7. Завершаем запись строения мицеллы, указав диффузный слой, который состоит из остальных противоионов, но находящихся на значительном
расстоянии от ядра и обеспечивающих электронейтральность мицеллы:
{mAgJ 

ядро
nAg 



потенциало
определяющий
слой
 (т  x)  NO3 }  xNO3
 
противоион
ы
диффузный
слой
коллоидная частица
мицелла
3.2. Особенности лиофобных коллоидов
1. Малая растворимость дисперсной фазы в дисперсной среде, т. е. низкая
концентрация и гетерогенность.
2. Небольшое и стабильное осмотическое давление.
3. Небольшая вязкость, близкая к вязкости дисперсионной среды.
4. Устойчивость достигается наличием стабилизатора.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.3. Получение и очистка коллоидных систем
По размеру частиц дисперсной фазы (10-5 – 10-7 см) золи занимают промежуточное положение между истинными растворами и суспензиями. Поэтому они могут быть получены либо путем соединения отдельных молекул или
ионов растворенного вещества в агрегаты (конденсационный метод), либо путем диспергирования (измельчения) сравнительно больших частиц (дисперсионный метод).
Особо от этих методов стоит метод пептизации, который заключается в
переводе в коллоидный раствор осадков, первичные частицы которых уже
имеют коллоидные размеры.
Основные условия получения золей:
1. малая растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде (для
лиофобных золей)
2. наличие стабилизатора, обеспечивающего агрегативную устойчивость
коллоидных частиц.
Пептизацией называют переход в коллоидный раствор осадков, образовавшихся при коагуляции. Пептизация может происходить в результате промывания осадка, а также под действием специальных веществ – пептизаторов.
В первом случае из осадка удаляются коагулирующие ионы, во втором пептизатор адсорбируется коллоидными частицами осадка, что ведет к образованию
двойных электрических слоев или сольватных оболочек вокруг коллоидных
частиц и к преодолению, благодаря им, сил сцепления между частицами. Частицы, ставшие свободными, под влиянием теплового движения распределяются равномерно по всему объему жидкости, т. е. пептизация является процессом, обратным коагуляции.
Коллоидные растворы, полученные с помощью различных методов, как
правило, содержат низкомолекулярные примеси, которые возникают в результате загрязненности реагирующих веществ или в ходе химических реакций, протекающих в самих коллоидных растворах. Примеси отрицательно влияют на качество коллоидных растворов, т. к. понижают их агрегативную устойчивость.
Очистку коллоидных растворов осуществляют разными методами: диализом, электродиализом, ультрафильтрация, электроультрафильтрация, диализ при низких давлениях и т. д.
Диализ – удаление низкомолекулярных примесей из коллоидных систем
и растворов ВМС путем диффузии через полупроницаемую перегородку –
мембрану.
3.4. Устойчивость и коагуляция лиофобных коллоидов
Между частицами дисперсной фазы при их сближении действуют одновременно силы притяжения и силы отталкивания. Степень устойчивости системы определяется соотношением этих сил. Различают кинетическую и агрегативную устойчивость.
Кинетическая устойчивость – это свойство дисперсных частиц удерживаться во взвешенном состоянии.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Агрегативная устойчивость – это способность системы сохранять
определенную степень дисперсности, препятствовать «слипанию» частиц.
Причиной агрегативной устойчивости является оболочка из сольватированных противоионов диффузного слоя.
Чем больше в диффузном слое сольватированных противоионов, тем
плотнее сольватная оболочка. Тем стабильнее золь. Чем выше  потенциал,
тем выше степень агрегативная устойчивость системы. Сжатие двойного
электрического слоя уменьшается степень сольватации ионов. Когда
-потенциал равен нулю (изоэлектрическое состояние), сольватная оболочка
возле ядра мицеллы настолько тонка, что не защищает мицеллу от слипания
при столкновении, в результате начинается агрегация частиц.
Процесс слипания коллоидных частиц с образованием более крупных агрегатов называется коагуляцией. При коагуляции система теряет вначале агрегативную, а затем и кинетическую устойчивость. Коагуляция может произойти при:
1. прибавлении электролита
2. резком изменении температуры
3. механическом воздействии
4. высокочастотных колебаниях
5. ультрацентрифугировании
Осадок, полученный при коагуляции, называют коагелем.
Наиболее важным и распространенным фактором коагуляции является
действие электролитов.
3.5. Основные закономерности коагуляции электролитами
1. Коагулирующим действием обладает тот ион электролита, заряд которого противоположен заряду потенциалоопределяющих ионов мицеллы.
2. Коагулирующая способность иона тем выше, чем выше его заряд (правило Шульце – Гарди). Минимальная концентрация электролита, которая вызывает коагуляцию, называется порогом коагуляции. Величина, обратная
порогу коагуляции, называется коагулирующей способностью.
3. В ряду органических ионов коагулирующее действие возрастает с повышением адсорбционной способности.
4. В ряду неорганических ионов одинаковой зарядности их коагулирующая активность возрастает с уменьшением степени гидратации.
Чем меньше радиус иона, тем выше степень гидратации.
возрастание коагуляционной активности
увеличивается радиус иона
Li
Na+
K+
возрастание степени гидратации
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. К началу коагуляции значение -потенциал уменьшается до 0,03 В.
Механизм обеспечения агрегативной устойчивости лиофобных и лиофильных коллоидных растворов различен, поэтому различен и механизм их
коагуляции.
Агрегативная устойчивость лиофобных коллоидных систем связана с
наличием заряда у коллоидных частиц. Коагуляция происходит при нейтрализации заряда. Поэтому при добавлении небольших количеств электролита
происходит уменьшение толщины диффузионного слоя, величины
-потенциала, а значит, и уменьшение агрегативной устойчивости. Значение
электрокинетического потенциала, при котором начинается коагуляция, называют критическим.
Величину порога (СК) коагуляции можно рассчитать по формуле:
C V
CK  Э Э ,
VЭ  VЗ
где СЭ – начальная концентрация электролита, ммоль/л; VЭ – объем израсходованного электролита, мл; VЗ – объем золя, мл.
Контрольные вопросы
1. Дать определение лиофобных коллоидов. Перечислить особенности
лиофобных коллоидов.
2. Что такое мицелла? Описать схему строения мицеллы гидрофобного
золя. Что определяет знак коллоидной частицы?
3. Перечислить основные условия получения золей.
4. Какими методами осуществляют очистку коллоидных растворов?
4. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
И ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ
4.1. Молекулярно-кинетические свойства золей
4.2. Двойной электрический слой
4.3. Электрокинетические явления
4.1. Молекулярно-кинетические свойства золей
Молекулярно-кинетические свойства золей связаны с движением частиц
дисперсной фазы. В коллоидных растворах наблюдается так называемое броуновское движение частиц, диффузия и осмотическое давление. Особенности
молекулярно-кинетических свойств коллоидных растворов зависят в основном от степени дисперсности частиц и проявляются в сотни раз слабее, чем у
истинных растворов низкомолекулярных веществ.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Броуновское движение выражается в том, что частицы дисперсной фазы
под влиянием ударов молекул растворителя находятся в состоянии непрерывного хаотического движения. Если рассматривать в микроскоп разбавленное в
микроскоп молоко (эмульсия) то видно, что его частицы совершают разнообразные беспорядочные движения.
Впервые это движение было обнаружено в 1827 г. английским ботаником
Р. Броуном у микроскопических частиц пыльцы растений, находящихся в воде.
Броуновское движение свойственно частицам любых веществ малых размеров. Чем меньше размер частиц, тем интенсивнее их броуновское движение.
Особенно заметным броуновское движение становится у частиц коллоидной степени дисперсности. Кроме того, интенсивность броуновского движения возрастает с повышением температуры и уменьшением вязкости среды.
Броуновское движение не прекращается со временем, т.е. не зависит от длительности существования системы. Изучение броуновского движения подтвердило реальность существования молекул. Броуновским движением обусловлен процесс диффузии в коллоидных системах.
Диффузия – самопроизвольно протекающий процесс выравнивания концентраций ионов, молекул или коллоидных частиц за счет их беспорядочного
теплого движения. При этом частицы способны передвигаться из области с
большей концентрацией в сторону меньшей. Диффузия заканчивается с достижением равномерного распределения частиц по всему объему. Следовательно, диффузия возможна лишь в системах с неодинаковыми концентрациями. Скорость диффузии пропорциональна ступени невыравненности концентрации (закон Фика):
i=-D grad c,
где grad c – градиент концентрации;
i – поток вещества;
D – коэффициент диффузии.
Скорость диффузии зависит также от величины и формы частиц. Чем
больше размер частиц, тем меньше скорость диффузии. Коллоидные частицы
диффундируют в сотни и тысячи раз медленнее, чем молекулы и ионы низкомолекулярных веществ. Например, относительная скорость диффузии для
ионов раствора хлористого натрия равна 0,43, а для частиц золя карамели 0,01.
Кроме того, диффузия коллоидов зависит от вязкости среды и температуры.
Чем ниже вязкость и чем выше температура, тем скорость диффузии выше.
Осмотическое давление. Для коллоидных растворов подобно истинным
растворам характерно осмотическое давление.
Осмотическое давление прямо пропорционально числу молекул или
ионов, содержащихся в единице объема истинного раствора или числу коллоидных частиц, содержащихся в единице объема коллоидного раствора. Оно
также прямо пропорционально температуре.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Если учесть, что коллоидные частицы по сравнению с молекулами низкомолекулярных веществ обладают большими размерами и большими массами, то при одной и той же весовой концентрации коллоидного и истинного
растворов в единице объема коллоида частиц содержится намного меньше
(частичная концентрация), чем в единице объема истинного раствора (молярная концентрация). От этого зависит то, что осмотическое давление в золях
очень мало по сравнению с осмотическим давлением истинных растворов.
Например, осмотическое давление 1 %-ного раствора сахара достигает 509 мм
рт. ст., а осмотическое давление 1 %-ного золя As2S3— 0,026 мм рт. ст.
Относительно малые концентрации коллоидных растворов обусловливают также ничтожно малые значении всех других величии, зависящих от числа
частиц в растворе (частичной концентрации). Так, коллоидные растворы характеризуются чрезвычайно малым понижением упругости пара, ничтожными
(не поддающимися опытному измерению) величинами понижения температур
замерзания и повышения температур кипения.
Седиментация. Частицы вещества, диспергированные в жидкой или газообразной среде, находятся под влиянием двух противоположно направленных сил: сил тяжести и сил диффузии. Силы тяжести заставляют частицы оседать и концентрироваться в сосуде.
Под влиянием же сил диффузии частицы диспергированного вещества
стремятся перемещаться из области больших в область меньших концентраций, т. е. стремятся к равномерному распределению в объеме.
В зависимости от того, какие силы в системе преобладают, происходит
или осаждение частиц под действием сил тяжести – так называемая седиментация, или при равенстве сил наступает седиментационное равновесие или в
случае преобладания сил диффузии происходит полное выравнивание концентраций во всем объеме системы.
Седиментационное равновесие свойственно частицам коллоидной степени дисперсности, для которых сила тяжести уравновешивается диффузией.
При этом скорость седиментации равна скорости диффузии, когда через единицу поверхности сечения в единицу времени проходит вниз столько же оседающих частиц, сколько их проходит вверх за счет диффузии.
Седиментационное равновесие характеризуется постепенным уменьшением концентрации частиц в направлении от нижних слоев к верхним (так же
как и концентрация молекул газов), и это убывание концентрации подчиняется закону Лапласа: при увеличении столба золя в арифмитической прогрессии
концентрация частиц убывает в геометрической прогрессии.
Эту закономерность распределения коллоидных частиц по высоте впервые в 1909 г. эксперементально установил Ж. Перрен. Исследуя поведение частиц гуммигута (одинаковых формы и размеров) под микроскопом на различной глубине и производя огромное число подсчетов, он обнаружил, что по
мере погружения объектива число частиц увеличивается в геометрической
прогрессии.
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таким образом, седиментационное равновесие – это равновесное распределение частиц по высоте в поле земного тяготения для систем с более крупными, чем коллоидные, частицами наблюдается седиментация, т. е. свободное
их оседание под действием силы тяжести. Скорость оседания частиц прямо
пропорциональна квадрату их радиуса, разности плотностей диспергированного вещества и растворителя и обратно пропорциональна вязкости растворителя, т. е.
v
218r 2 (d1  d 2 )

где v – скорость оседания частиц; r – радиус частиц; dl и d22 – плотности дис2
9
пергированного вещества и растворителя; η – вязкость среды; 218  g ,
где g – ускорение силы тяжести.
Так как оседание частиц коллоидов под действием сил тяжести происходит очень медленно (для седиментации частиц коллоидной степени дисперсности необходимы годы), седиментационный анализ в обычных условиях к
ним не применим. Однако при использовании центробежной силы оказалось
возможным значительно ускорить седиментацию и коллоидных систем. Для
этого А. В. Думанский еще в 1912 г. предложил применять центрифугирование.
Позднее Т.Сведбергом была сконструирована специальная центрифуга, названная ультрацентрифугой. Ультрацентрифуги могут давать до 100000 об/мин и
развивают центробежную силу, примерно в 1000000 раз превосходящую силу
земного тяготении.
При помощи ультрацентрифуг были определены размеры частиц в некоторых коллоидах, а также молекулярные веса ряда полимеров.
4.2. Двойной электрический слой
При рассмотрении строения мицеллы было показано, что на поверхности
лиофобных коллоидов образуется двойной электрический слой. Первая теория
строения двойного электрического слоя (ДЭС) была развита Гельмгольцем. В
представлении Гельмгольца ДЭС подобен плоскому конденсатору, внутренняя обкладка которого находится в твердой фазе, а внешняя – в жидкости параллельно поверхности ядра на расстоянии порядка диаметра иона. Потенциал
электрического поля внутри ДЭС f в этом случае линейно уменьшается с увеличением расстояния от поверхности r (рис 1А). Позднее Гуи предложил другую модель, согласно которой противоионы, благодаря тепловому движению,
образуют вблизи твердой поверхности ядра диффузную ионную атмосферу.
Уменьшение электрического потенциала ДЭС φ с увеличением расстояния r в этом случае происходит нелинейно (рис. 1Б).
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 1 – Строение ДЭС: А) по Гельмгольцу, Б) по Гуи, В) по Штерну
Предложенная Штерном модель строения ДЭС объединяет ранние модели,
учитывая как адсорбцию противоионов, так и их тепловое движение. Согласно
этой модели (рис. 1В), являющейся в настоящее время общепринятой, часть
противоионов находится на расстояниях порядка диаметра иона от поверхности ядра, образуя так называемый слой Гельмгольца (адсорбционный слой притивоионов), а другая часть образует диффузный слой (слой Гуи). Потенциал
диффузной части двойного электрического слоя называю электрокинетическим потенциалом, обозначающийся ζ (дзета) и поэтому называют дзетапотенциалом. Поскольку ζ – потенциал пропорционален заряду коллоидной частицы, агрегативная устойчивость золя пропорциональна его величине.
4.3. Электрокинетические явления. Электрофорез и электроосмос
К электрокинетическим относят явления перемещения дисперсной фазы
относительно неподвижной жидкости или жидкости относительно неподвижной твердой фазы под влиянием электрического поля.
Подобно тому, как получает заряд коллоидная частица, может заряжаться
поверхность любого твердого тела, опущенного в раствор электролита или
чистой воды. Поверхность твердого тела заряжается за счет диссоциации на
ионы поверхностно расположенных молекул или за счет избирательной адсорбции его поверхностью ионов того или иного знака, присутствующих в
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дисперсионной среде. Например, если опустить глиняную пластинку в воду,
то на поверхности глины могут адсорбироваться ионы соединений, образующихся при взаимодействии поверхности силикатов с водой, т. е. анионы
кремниевой кислоты SiO32-. Поверхность глины при этом зарядится отрицательно. В слое жидкости, прилегающей к пластинке, диффузно расположатся
ионы Н+ (противоионы диффузного слоя), и жидкость приобретет положительный заряд.
В суспензиях и коллоидных растворах носителями подобного двойного
электрического слоя являются свободно перемещающиеся (броуновское движение) в жидкой дисперсионной среде твердые частицы дисперсной фазы.
Если к такой системе с наличием двойного электрического слоя на границе
двух фаз приложить электрическое поле, то наблюдается перемещение твердых взвешенных частиц относительно неподвижной жидкости — электрофорез или же смещение жидкой фазы относительно неподвижной твердой –
электроосмос.
Явление электрофореза и электроосмоса впервые обнаружил в 1808 г.
профессор Московского университета Ф.Ф. Рейсс.
Опыт Рейсса заключался в следующем. В кусок сырой глины помещали
две стеклянные трубки, на дно которых насыпали слой чистого песка, трубки
заполняли водой и в них вставляли электроды. При пропускании электрического тока через некоторое время можно было заметить, что в анодной трубке
появились частицы глины (муть), а уровень воды в катодной трубке повысился, причем вода в ней, по-прежнему, оставалась прозрачной.
Явление перемещения частиц дисперсной фазы в электрическом поле к
электроду, знак которого противоположен заряду частиц, называется электрофорезом.
Явление переноса жидкости (дисперсионной среды) через пористое тело
под действием электрического тока называется электроосмосом.
Направленное движение жидкости происходит в сторону электрода, знак
которого одинаков с зарядом частиц твердой фазы.
В простейшем случае электрофорез можно изучать (например, для определения знака заряда золей) при помощи прибора. Электрофорез и электроосмос используются в технике. Так, например, электроосмотически производят
сушку некоторых пористых материалов (торф, древесина и др.). На электрофорезе основана работа электрофильтров — дымоуловителей.
Контрольные вопросы
1. В чем выражается броуновское движение коллоидных частиц?
2. Объясните понятие «седиментационное равновесие».
3. Какие электрокинетические явления характерны для дисперсных систем? Охарактеризуйте их.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ
5.1. Поглощение и рассеяние света. Эффект Тиндаля, закон Рэлея.
5.2. Ультрамикроскопия. Электронная микроскопия при изучении структуры коллоидных частиц.
5.3. Нефелометрия.
5.4. Окраска золей.
5.1. Поглощение и рассеяние света. Эффект Тиндаля, закон Рэлея
Оптические свойства коллоидных растворов. По своим оптическим
свойствам коллоидные растворы существенно отличаются от истинных растворов низкомолекулярных веществ, а также и от грубодисперсных систем.
Наиболее характерными оптическими свойствами коллоидных растворов
являются опалесценция, эффект Фарадея-Тиндаля, окраска. В основе этих
свойств лежит рассеяние и поглощение света коллоидными частицами.
В грубодисперсных системах размер частиц больше длины волн видимого света. Поэтому проходящие через грубодисперсную систему световые лучи
не могут обойти частиц суспензий или эмульсий. Они беспорядочно отражаются и преломляются на границе раздела частиц со средой, обусловливая
мутность суспензий и эмульсий, видимую невооруженным глазом.
В истинных растворах и чистых жидкостях светорассеяние ничтожно, так
как размер частиц дисперсной фазы очень мал и нет препятствий для прохождения лучей видимого света. Если же световые лучи встречают на пути прохождении коллоидные частицы, размер которых соизмерим с длинами волн
видимого света, то они, не отражаясь, лишь огибают их и частично рассеиваются.
Эффект Фарадея-Тиндаля. Если световой луч пропустить через прозрачный коллоидный раствор, находящийся в темноте, то в золе будет заметен
светящийся след светового пучка. Подобное явление наблюдается при прохождении луча света в темном запыленном помещении (например, во время
показа кино), при прохождении луча прожектора на темном фоне неба, при
свете автомобильных фар в туманную погоду и во многих других случаях.
Впервые в 1857 г. явление рассеяния света коллоидными частицами
наблюдал М. Фарадей. Позднее Д. Тиндаль исследовал это явление более подробно. Поэтому светящийся след светового пучка в коллоидных системах
называется эффектом, или конусом Фарадея-Тиндаля.
В истинных растворах или чистых жидкостях этого явления не наблюдается. Поэтому эффектом Фарадея-Тиндаля часто пользуются для того, чтобы
решить вопрос о том, относится ли данная система к коллоидам. Иногда по
внешнему виду коллоидный раствор трудно отличить от истинного (например, золь берлинской лазури от истинного раствора медного купороса); лишь
явление Фарадея-Тиндаля позволяет убедиться в том, что это действительно
коллоидная система. Эффект Фарадея-Тиндаля связан с тем, что волны света,
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
встречаясь с мелкими частицами коллоидов, огибают их и рассеиваются по
всем направлениям.
Для интенсивности рассеянного света Дж. Релеем в 1871 г. была выведена зависимость
cv 2
l  l0 K 4

где l0 – интенсивность падающего света; K – постоянная величина для данного
золя, зависящая от разности между показателями преломления дисперсной
фазы и дисперсионной среды; v – объем частицы; с – число частиц в единице
объема (частичная концентрация); λ – длина волны падающего света.
Из уравнения следует, что интенсивность рассеяния света зависит от размеров коллоидных частиц, прямо пропорциональна концентрации частиц золя
и квадрату их объема. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна длине волны падающего света в четвертой степени. Следовательно, если источник падающего света содержит волны различной длины (белый свет),
то наиболее сильно будут рассеиваться самые короткие волны. Поэтому рассеянный свет от источника белого света должен иметь голубой оттенок. Действительно, целый ряд коллоидных систем при наблюдении их под углом к
направлению падающих лучей имеет голубоватую окраску, тогда как в проходящем свете могут быть окрашены иначе.
Опалесценция. С явлением рассеяния света коллоидными частицами связана опалесценция. Выражается она в появлении некоторой мутноватости и в
изменении окраски золя в проходящем и отраженном свете. Так, например,
водные золи серы, канифоли и хлористого серебра в проходящем свете имеют
красновато-желтый оттенок, а в отраженном (т. е. сбоку) – голубоватый. Цвет
опалесценции золей. преимущественно голубой (голубой цвет разбавленного
водой молока, синий цвет морской волны, синий цвет табачного дыма). Объясняется это тем, что желтые и красные лучи (с большей длиной волн) мало
рассеиваются и проходят через систему, а голубые и синие (с меньшей длиной
волн) хорошо рассеиваются.
5.2. Ультрамикроскопия. Электронная микроскопия при изучении
структуры коллоидных частиц
На явлении рассеяния света коллоидными частицами основаны два важнейших метода их исследования: ультрамикроскопия и нефелометрия.
Так как размер коллоидных частиц не позволяет наблюдать их при помощи обычного микроскопа, то их наблюдают в ультрамикроскопе. Различие
между обычными микроскопом и ультрамикроскопом заключается в способе
освещения объекта. В обычном микроскопе объект наблюдают в проходящем
свете, поэтому поле зрения освещено ярче изображения объекта. В ультрамикроскопе применяют боковое освещение. При этом свет от осветителя не
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
попадает в объектив микроскопа и в глаз наблюдателя, поэтому фон поля зрения микроскопа темный. На общем темном фоне становится заметным слабый
свет, рассеиваемый коллоидными частицами. Они представляются наблюдателю в виде отдельных светящихся точек.
Ультрамикроскопия позволяет наблюдать броуновское движение частиц.
По количеству светящихся точек можно подсчитать количество частиц в единице объема (частичную концентрацию). Зная же общую массу диспергированного вещества и найдя число частиц во всем объеме, можно вычислить
массу одной частицы, а по массе, учтя плотность диспергированного вещества
определить объем и размер частицы.
Однако форму и строение коллоидных частиц при помощи ультрамикроскопа рассмотреть не удается. Это возможно только при помощи
электронного микроскопа, в котором освещение объекта производится не световыми лучами, а пучком электронов, фокусируемых электрическим и магнитным полями. В настоящее время выпускаются электронные микроскопы с
увеличением более чем в 500000 раз, что позволяет видеть коллоидные частицы и макромолекулы полимеров.
5.3. Нефелометрия
На явлении светорассеяния основан метод определения концентрации и
степени дисперсности коллоидных систем – нефелометрия.
Интенсивность рассеянного света определяется согласно уравнению
Релея. Если взять два золя, в которых будут разными только концентрации
(с 1 и с2), а все остальные величины одинаковы, то при освещении золя пучком
света одинаковой интенсивности получим:
l1 c1
 , т. е. интенсивность рассеl2 c2
янного света прямо пропорциональна концентрации частиц, а, следовательно,
(при равных степенях дисперсности), и весовой концентрации дисперсной фазы. Поэтому, зная концентрацию одного из золей с1 (стандартный золь известной концентрации), можно легко определить концентрацию второго золя:
l
c 2  c1 2
l1
Сравнение интенсивности светорассеяния производят в приборах, называемых нефелометрами.
5.4. Окраска золей
Большинство коллоидных растворов имеют яркую окраску. Это связано с
избирательным поглощением (абсорбцией) световых лучей в отличие от веществ, которые поглощают все лучи видимого света (черные тела) и в отличие
от веществ, у которых способность к поглощению света отсутствует (белые и
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
прозрачные тела). Например, золи As2S3 – ярко-желтого, Sb2S3 – оранжевого,
Fe(OH)3 – красновато-коричневого, золота – ярко краcного цвета.
Кроме того, окраска золей зависит и от степени дисперсности, например,
грубодисперсные золи золота имеют синюю окраску, большей степени дисперсности – фиолетовую, а высокодисперсые – ярко-красную. Причем интенсивность окраски золей в десятки и сотни раз больше, чем у молекулярных
растворов.
Яркая окраска драгоценных камней (рубинов изумрудов, сапфиров и др.)
обусловлена содержанием в них ничтожных количеств примесей тяжелых металлов и их окислов находящихся в коллоидном состоянии. Это свойство золей используется для получения цветных стекол
Контрольные вопросы
1. Какие оптические свойства характерны для коллоидных растворов?
Объясните эффект Фарадея-Тиндаля.
2. Сформулируйте закон Релея.
3. Каким методом можно определить концентрацию и степень дисперсности коллоидных систем?
4. Объясните, почему некоторые коллоидные растворы имеют яркую
окраску?
6. УСТОЙЧИВОСТЬ И КОАГУЛЯЦИЯ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ
6.1. Изменение состояния коллоидных систем
6.2. Коагуляция гидрофобных золей электролитами
6.3. Механизм электролитной коагуляции
6.4. Пептизация гидрофобных золей
6.5. Коагуляция растворов ВМС
6.1. Изменение состояния коллоидных систем
Коллоидные системы обладают высокоразвитой поверхностью раздела и,
следовательно большим избытком свободной поверхностной энергии. Поэтому эти системы термодинамически неустойчивы. Если в силу создавшихся
условий мицеллы золя приходят в тесное соприкосновение между собой, они
соединяются в крупные агрегаты.
Коагуляция – это процесс укрепления коллоидных частиц в золях, происходящих под влиянием внешних воздействий
Седиментация – процесс осаждения укрупненных частиц твердой фазы
золя.
Процесс коагуляции связан с уменьшением степени дисперсности и обусловлен агрегативной неустойчивостью коллоидных систем.
В коагуляции различают 2 стадии:
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1) скрытую коагуляции – когда новорожденным газом еще нельзя наблюдать какие либо внешние изменения в золе.
2) явную коагуляцию, когда процесс агрегации частиц дисперсной фазы
золя может быть легко обнаружен визуально.
Факторы коагуляции коллоидных систем бывают разнообразными. Коагуляция может быть вызвана повышением температуры, длительным диализом, добавлением электролитов, разного рода механическими воздействиями
(размешивание, встряхивание, взбалтывание), сильным охлаждением, ультрацентрифугированием , концентрированием, пропусканием электрического тока, действием на золь другим золем.
Поскольку главное условие уменьшения устойчивости коллоидных растворов – потеря электрического заряда, основными методами их коагулирования являются методы снятия зарядов.
6.2. Коагуляция гидрофобных золей электролитами
Чтобы начался процесс коагуляции нужно наличие некоторой минимальной концентрации электролита в золе.
Порог коагуляции – наименьшая концентрация ммоль/л электролита, вызывающая коагуляцию (помутнение раствора, изменение окраски)
Опытом установлено, что коагулирующее действие обычно оказывает
ион, заряд которого по знаку противоположен заряду поверхности коллоидных частиц
Правило Шульце-Гарди – ионы коагуляторы высшей зарядности, вызывают коагуляцию при меньших концентрациях, чем ионы низшей зарядности.
Правило Шульце-Гарди имеет приближенный характер, т.к. коагулирующие действие электролита зависит не только от зарядности его ионов. Некоторые органические однозарядные ионы обладают более сильной адсорбируемостью.
По величине коагулирующей способности ионы щелочных металлов
можно расположить в ряды ионов этих металлов – лиотропные ряды.
Cs+>Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+
Коагуляции гидрофобных золей можно вызвать при помощи смеси электролитов. При этом возможны 3 случая:
1) Коагулирующие действие смешиваемых электролитов суммируется.
2) Коагулирующие действие смеси электролитов меньше, чем в случае
чистых электролитов. Это явление носит название антогонизма ионов. Оно
характерно для смесей ионов, имеющих различную валентность.
3) В ряде случаев имеет место взаимное усиление коагулирующего действия смешиваемых ионов. Это явление называется синергизмом ионов.
Коагуляция гидрофобных коллоидов может быть вызвана смешиванием в
определенных количественных соотношениях с другим гидрофобным золем,
гранулы которого имеют противоположный знак. Это явление называется
взаимной коагуляцией. Явление взаимной коагуляции золей имеет чрезвычай29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
но широкое распространение в природе и в целом ряде технологических процессов. Взаимная коагуляция происходит при смешивании морской и речной
воды. При этом ионы солей морской воды адсорбируются на заряженных коллоидных частицах речной воды, в результате чего происходит их коагуляция.
По этой причине на дне постоянно скапливается большое количество ила, образуется много мелей и островков.
В быту: чернила представляют собой коллоидные растворы различных
красителей. Причем в разных чернилах коллоидные частицы заряжены поразному. Вот почему при смешивании разных чернил имеет место взаимная
коагуляция. При температуре ниже 00 С тушь портится – коагулирует, т.к. вода замерзает и коллоидные частицы сажи, лишаясь защитной гидратной оболочки, необратимо коагулируют.
6.3. Механизм электролитной коагуляции
Гранула становится электронейтральной в том случае, если противоионы
диффузного слоя, заряженные отрицательно, перемещаются в адсорбционный
слой. Чем выше концентрация прибавляемого электролита, тем сильнее снижается диффузный слой, тем меньше становится потенциал, тем быстрее
начинается процесс коагуляции. При определенной концентрации электролита
практически все противоионы перейдут в адсорбированный слой, заряд гранулы снизится до нуля и коагуляция пойдет с максимальной скоростью.
Коагулирующее действие электролитов сводится к сжатию диффузного
слоя и протекает избирательная адсорбция на коллоидной частице тех ионов
электролитов, которые имеют заряд, противоположный грануле. Чем выше
заряд иона, тем интенсивнее он адсорбируется. Накопление ионов в адсорбированном слое сопровождается уменьшением потенциала и диффузного слоя.
Вывод: коагулирующие действие электролитов заключается в уменьшении сил отталкивания между коллоидными частицами через понижение потенциала и изменение строение двойного электрического слоя и сжатия диффузной его части, обусловленное прибавлением электролита – коагулянта,
влечет за собой понижение расклинивающего действия гидратных оболочек
диффузных ионов, разъединяющих коллоидные частицы.
При добавлении к золям электролитов с многозарядными ионами, заряд
которых противоположен по знаку заряду коллоидных частиц, может наблюдаться не коагуляция, а стабилизация золя и перемена потенциала. Это явление называется перезарядка золей.
6.4. Пептизация гидрофобных золей
Пептизация – процесс перехода осадка во взвешенное состояние под влиянием внешних факторов. Этот процесс противоположен коагуляции – называется декоагуляцией.
Пептизаторы – вещества, способствующие переходу коагеля в золь.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сам процесс пептизации в основном обуславливается адсорбционными
явлениями, где происходит повышение потенциала дисперсных частиц, увеличение степени их сольватации. Сообщение скоагулируемым частицам дисперсной фазы золя заряда способствует общему разрыхлению осадка, переводу этих частиц во взвешенное состояние благодаря броуновскому движению.
При этом образуются вокруг дисперсируемых частиц сольватные оболочки.
Существует диссолюционная пептизация – когда процесс пептизации сопряжен с химической реакцией поверхностно расположенных молекул коллоидных мицелл. Он состоит их двух фаз: образованием путем химической реакции растворимого электролита-пептизатора и адсорбции образовавшегося
пептизатора, приводящей к образованию мицелл и пептизации коагеля.
Пептизация играет большую роль во многих явлениях природы и в технике. При обработке почвы раствором хлорида натрия ионы Са2+ и Mg2+ в
диффузном слое в результате ионного обмена замещаются на ионы натрия,
что приводит к пептизации почвенных коллоидов и к переходу их при достаточном увлажнении в состояние золя. Перешедшие в состояние золя коллоиды легко вымываются их верхних горизонтов почвы в нижние, в результате
чего почва теряет свои ценные агрономические свойства, становится бесструктурной.
Моющие действия мыла связано с процессом пептизации. Коллоидный
ион мыла, является диполем, хорошо адсорбируется частичками грязи, сообщает им заряд и способствует их пептизации. Грязь в виде золя легко удаляется с моющей поверхности.
6.5. Коагуляция растворов ВМС
Высокая устойчивость коллоидных растворов ВМС определяется наличием на поверхности частиц двух оболочек: электрической и сольватной.
Высаливание – явление выделения в осадок растворенного ВМС под действием большой концентрации электролита.
Высаливающие действие соли заключается в ее собственной сольватации
(гидратации) за счет десольватации (дегидратации) молекул ВМС.
Для осаждения макромолекул необходимо удалить водную оболочку
(спиртом) и снять заряд ее путем прибавления электролита. На процесс высаливания оказывает влияние степень растворимости самого полимера в данном
растворителе: чем ниже она, тем быстрее происходит высаливание.
ВМВ, выделенные из раствора высаливанием, после отмывки их от электролитов могут быть снова переведены в раствор. Коллоиды, которые при
устранении фактора, вызвавшего коагуляцию, способны переходить из состояния геля в состояние золя, – называются обратимые коллоиды.
Необратимое осаждение высокополимеров, в частности белков, под влиянием высокой температуры, при воздействии концентрированных кислот и
щелочей – называется денатурацией. При денатурации происходит осаждение
и изменение их химической природы.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Белки при денатурации становятся нерастворимыми и в большинстве
случаев утрачивают способность к набуханию.
Высаливание имеет значение в мыловарении, а производстве красителей,
канифоли, искусственных волокон.
Контрольные вопросы
1. Что называется коагуляцией и пептизацией?
2. Как происходит коагуляция лиофобных коллоидов под действием
электролитов, смеси электролитов? Правило Шульце-Гарди?
3. Как изменяется -потенциал при коагуляции?
4. В чем суть взаимной коагуляции коллоидов?
7. РАСТВОРЫ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
7.1. Общая характеристика растворов ВМС
7.2. Особенности растворов ВМС
7.3. Устойчивость растворов ВМС
7.1. Общая характеристика растворов
На первых этапах развития коллоидной химии растворы высокомолекулярных соединений (ВМС) были отнесены к золям, т. е. псевдорастворам,
имеющим мицелярное строение. Близость некоторых свойств лиофобных
коллоидов и растворов ВМС привели к тому, что они были неудачно названы
лиофильными золями. Показано, что растворы ВМС не имеют мицелярного
строения, а по образованию и поведению они не могут считаться золями.
В настоящее время собственно коллоидными растворами называют лиофобные коллоидные системы, а к лиофильным относят растворы ВМС, иначе
их называют молярными коллоидами.
ВМС (или полимерами) называют соединения, с молекулярной массой
не менее 10 000-15 000, вследствие чего молекулярный вес их составляет сотни тысяч и даже миллионы.
Свойства ВМС и их растворов зависят не только от размера и формы молекул, но и от химического строения. Размеры молекул приближаются е размерам мицелл золей (1-100 нм ), что обуславливает их сходство с лиофобными золями.
Сходство с лиофобными коллоидами:
1. Не способны проходить через полупроницаемые мембраны.
2. Малая скорость диффузии.
3. Имеют сходные молекулярно-кинетические, оптические и электрохимические свойства.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7.2. Особенности растворов ВМС
1. Отсутствие поверхности раздела.
Растворы ВМС представляют собой гомогенные системы, являясь истинными растворами, где взвешенные частицы не содержат ядер (как в лиофобном коллоиде), а представлены макромолекулами.
2. Растворение ВМС – самопроизвольный процесс, сопровождающийся
уменьшением свободной энергии. Поэтому являются термодинамически
устойчивыми равновесными системами, способными существовать без стабилизатора неограниченное время при достаточно больших концентрациях
3. ВМС могут образовывать и типично лиофобные золи, если ВМС
нерастворима в данном растворителе. В этом случае добавка стабилизатора
приводит вещество во взвещенное состояние и обуславливает все свойства,
характерные для лиофобного золя. Растворы ВМС нельзя считать типичными
коллоидными системами.
4. Растворению предшествует набухание – самопроизвольный процесс, при котором надмолекулярные структуры распадаются до отдельных
макромолекул. Частицы ВМС взаимодействуют с растворителями.
5. В растворах молекулы ВМС могут объединяться в ассоциаты. При
высокой концентрации и низкой температуре они не устойчивы и создают новую фазу.
7.3. Устойчивость растворов ВМС
Так как растворы ВМС являются молекулярными растворами, то их
устойчивость аналогична устойчивости истинных растворов. Т. к. нет поверхности раздела, то слипание молекул ВМС не может обусловить уменьшение
запаса поверхностей энергии системы.
Мицелла неорганического золя имеет два слоя – адсорбционный и диффузный. Частица же ВМС в растворе, кроме, этих двух слоев, имеет сольватную или гидратную оболочку, которая защищает частицу от небольшого числа молекул коагулянта. Поэтому частицы ВМС обладают высокой устойчивостью к коагуляции.
Коагуляцию можно вызвать двумя способами:
1. понизить электрический заряд, прибавляя электролиты;
2. разрушить сольватную оболочку, добавляя десольватизирующие вещества (этанол, ацетон), а для водных растворов - концентрированные растворы
электролитов.
При этом действие электролитов существенно отличается от их коагулирующего действия на гидрофобные коллоиды: разрушающее действие проявляется в десольватизации и уменьшении растворимости ВМС в концентрированном растворе электролита и начинается при более высоких концентрациях,
чем для лиофобных золей. Это явление выпадения дисперсной фазы из растворов ВМС при действии солей электролитов, называют высаливанием. Вы33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
саливающая способность электролитов характеризуется, как правило, анионами, которые образуют следующий лиотропный ряд:
SO42   CH 3COO  Cl  ,  CNS 
Заряд частицы ВМС возникает по следующим причинам:
1. Поверхность ВМС может иметь собственный заряд, обусловленный
расположенными на ней анионными и катионными группами.
2. Поверхность ВМС связывает ионы растворителя и другие имеющиеся
в растворе ионы.
Белки и нуклеиновые кислоты составляют особую группу ВМС, характеризующуюся спиральной формой. По химическому составу белки представляют собой полипептидные цепи, состав которых можно выразить общей
формулой:
NH2
R
COOH
Молекула белка проявляет амфотерные свойства, т.е. может диссоциировать как по типу кислоты, так и по типу основания.
Состояние, в котором как кислотные, так и основные свойства проявляются в одинаковой степени, называется изоэлектрическим.
Амфоген в изоэлектрическом состоянии выражается формулой:
NH3+
R
COOрН, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называется
изоэлектрической точкой.
В кислой среде (при рН меньшем, чем рН изоэлектрического состояния)
белок ведет себя, как основание и заряжается положительно:
NH2
R
+ Н+  R
COOH
NH3+
COOH
В щелочной среде (при рН большем, чем рН изоэлектрического состояния), белок проявляет кислотные свойства и заряжается отрицательно:
NH2
R
+ ОН  R
COOH
34
-
NH2
+ H2O
COO-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Концентрацию ионов водорода в изоэлектрической точке вычисляют по
формуле:
С H  10 7
KK
K OCH ,
где КК константа диссоциации белка, как кислоты; КОСН – константа диссоциации белка, как основания.
В изоэлектрической точке (ИЭТ) частички белка имеют иные свойства,
чем в обычном состоянии. В ИЭТ белки не обладают электрофоретической
подвижностью, имеют минимальную устойчивость, растворимость, гидратацию, вязкость, осмотическое давление, электропроводность, степень
набухания, удельное оптическое вращение, мамбранный потенциал.
В ИЭТ происходит наибольшая коагуляция белковых растворов и
наибольшая скорость желатинирования.
Контрольные вопросы
1. Дать определение ВМС (или полимерам). Назовите особенности растворов ВМС.
2. Какими способами можно вызвать коагуляцию растворов ВМС?
3. Дать определение процессу набухания полимеров?
4. Как электролиты влияют на набухание полимеров?
5. Что называется изоэлектрической точкой ВМС?
6. В чем заключается устойчивость растворов ВМС?
8. МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ
8.1.
8.2.
8.3.
8.4.
8.5.
Суспензии
Эмульсии
Пены
Порошки
Аэрозоли (туманы, дымы)
8.1. Суспензии
К микрогетерогенным дисперсным системам относят системы, размеры
частиц дисперсной фазы превышают размеры коллоидных частиц (> 1∙10 -6 м)
и которые можно увидеть в обычном микроскопе.
Все микрогетерогенные системы неустойчивые: они не принимают участия в броуновском движении, а передвигаются под действием силы тяжести
и конвективных потоков. Осмотические явления и диффузия для них нехарактерны. Однако эти системы напоминают коллоиды: они имеют развитую по35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
верхность и термодинамически неустойчивы, их получают дисперсионными
или конденсационными методами.
Суспензии – это системы с жидкой дисперсной средой и твердой дисперсной фазой (Ж/Т). Это неустойчивые системы. Существуют:
1) агрегативно устойчивая суспензия – т.е. оседают частицы дисперсной
фазы под действием сил тяжести частиц, порознь друг от друга.
2) агрегативно неустойчивая система – т.е. когда частицы оседают за
счет сцепления межмолекулярными силами и образуют хлопья.
Агрегативную устойчивость суспензии придают сольватные оболочки,
состоящие из молекул дисперсной среды, это препятствует слипанию частиц
(например: частицы мела или гашеной извести легко смываются водой и образуют устойчивую суспензию), кроме того, такие частицы способны отдавать в
раствор ионы и приобретают на поверхности слой ионов одинакового знака
заряда.
В процессе коагуляции плохо смачиваемых водой суспензий образуются
хлопья и всплывают на поверхность – флокуляция. Следовательно, суспензии
с полярной поверхностью частиц дисперсной фазы в неполярных растворителях неустойчивы, они коагулируют и оседают, если к ним прибавить ПАВ
устойчивость суспензий увеличивается, т.к. молекула частицы ПАВ адсорбируется на поверхности частиц со стороны полярной группы (молекула сажи
состоит из углеводородной оболочки, которая адсорбирует на своей поверхности карбоновую кислоту группой СООН), и суспензии становятся агрегативно устойчивые.
В хозяйственной деятельности, в технике применяются высококонцентрированные суспензии – пасты. Их получают осаждением более разбавленных ПАВ-суспензий или механическим растиранием порошков ПАВ с малым
количеством жидкостей, иногда добавляют гидрофильные полимеры во избежание образования твердых осадков.
8.2. Эмульсии
Эмульсии – это особый вид дисперсных систем, в которых дисперсная
фаза и дисперсная среда – жидкие. Это системы, в которых обе фазы не смешиваются и одна из них в другой образует дисперсию в виде мелких капелек.
Чаще всего, встречаются эмульсии, роль дисперсной среды в которых играет
Н2О, а дисперсной фазой неполярные жидкости (минеральные масла, бензин).
М/В – эмульсия масла в воде:
В/М – эмульсия воды в масле.
Для получения эмульсий пользуются методом диспергирования используя механические мешалки, встряхивания, ультразвуковое озвучивание. Плотность дисперсной фазы во многих эмульсиях меньше плотности дисперсной
среды, поэтому частички не тонут – всплывают.
Эмульсии получили распространение в природе, используются в медицине, хозяйственной деятельности, технике: молоко, майонез, животное мас36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ло, сметана, нефть, яичный желток, лекарственные мази, инсекто- и фунгицидные эмульсии.
Устойчивость эмульсий зависит:
1) молекулярно-кинетической устойчивости для увеличения молекулярно-кинетической устойчивости эмульсий используются аппараты – гомогенизаторы, где шарики мала уменьшаются в 10-20 раз, это увеличивает их кинетическую устойчивость и снижает скорость процесса расслоения эмульсий.
Рассчитывается уравнением Лапласа:
где h – молекулярно-кинетическая устойчивость;
n1
n1 и n2 – число частичек в объеме прибора;
2,3RT lg
n2
R – постоянная Больцмана;
h
γ, γ0 – плотность дисперсионной фазы и среды;
 0
N mg
N – число Авогадро;

g – ускорение силы тяжести;
Т – абсолютная температура.
2) Агрегативная устойчивость эмульсий обусловлена величиной свободной энергии на границе раздела двух фаз: от уровня свободной энергии зависит скорость слияния шариков дисперсной фазы – коалесценция.
В зависимости от агрегативной устойчивости и содержания дисперсной
фазы эмульсии делят:
а) разбавленные (дисперсная фаза не более 0,1 % всего объема)
б) концентрированные (дисперсная фаза от 1 до 90 %)
Устойчивость концентрированных эмульсий к коалесценции можно увеличить путем добавок – стабилизаторов – эмульгаторов. Это ПАВ, т.к. есть
полярные и неполярные группировки. Лиофильной частью (длинными цепочками) молекулы ПАВ погружаются в каплю масла и полярными в сторону воды, образуется сольватная молекула масла и увеличивается стабильность
эмульсии.
Если необходимо разрушить стабилизацию эмульсии, вводят вещество –
диэмульгаторы (электролиты), т.е. они лишают защитного слоя и эмульсия
разрушается (например, отделяют нефть от воды).
8.3. Пены
Пены – это дисперсные системы с газообразной дисперсной фазой и жидкой или твердой дисперсной средой.
Пены делят:
а) жидкие (Т/Ж)
б) твердые (Г/Т)
Если концентрация газа низкая, и пузырьки газа не связаны между собой
и свободно перемещаются в жидкости – это не пена, а эмульсия (Т/Ж).
Пены представляют собой единую ячеисто-пленочную систему, где объем и концентрация газа больше, чем дисперсная среда. Форма газовых пузы37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рей в таких пенах представляет собой многогранники, которые разделены
между собой тонким слоем дисперсионной среды.
Пенами являются строительные и изоляционные материалы (пенобетон,
пенопласт, пенополистирол); пищевые продукты (зефир, пастила, суфле,
мусс); жидкие противопожарные пены.
Методы получения пен:
1) перемешивание встряхиванием сосуда (жидкость «захватывает» газ и
на его поверхности образуется пена.
2) конденсационный метод – в основе лежит химическая функция, сопровождается выделением большого объема газа в жидкости (при пожаротушении пенным огнетушителем):
Na2CO3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + CO2↑ – пена закрывает доступ О2.
Существуют твердые и эластичные пены (пенополистирол и пенополиуретан): полимерные гранулы смешивают с парообразователем. Эту смесь загружают в форму и нагревают – смесь разлагается, выделяя газ и образуется
пена, при разном охлаждении которой получается пенополистирол – это изоляционный, звуко, ударо, выбростойкий упаковочный материал.
Пены, образованные в растворах чистых жидкостей быстро разрушаются
вследствие коалисценции: пена газированной минеральной воды, морская пена,
пена шампанского. Чтобы увеличить устойчивость пены испольуют вещества –
стабилизаторы ПАВ. (В работах К.С. Попова (1970) и С.А. Колосова 2003 г.) –
указано, что шампанские вина, изготовленные из сорта Пино черный, обладают
очень высокой устойчивостью пены и сопротивлением выделению диоксида
углерода, т.к. Пино черный по биологическим особенностям сорта накапливает
большое количество ПАВ, поэтому по органолентическим свойствам игристое
вино из сорта Пино черный обладает прозрачностью, обилием пены, сильной
мелкопузырьчатой игрой, гармоничным вкусом и чистым букетом).
Практическое значение пен в промышленных процессах имеет пенная
флотация. Это позволяет отделить пустую породу от ценных компонентов
руд. Для этого измельченную руду смешивают с добавкой флотоагента (масло, соль).
В процессе перемешивания флотоагент смачивает гидрофобную часть частиц минералов, а вода – гидрофильную часть пустой породы. Смоченные водой частицы пустой породы слипаются, образуя тяжелые агрегаты и тонут. А
смоченные флотоагентом частицы ценной руды не слипаются, они всплывают
на поверхность – происходит отделение. Если эту систему перемешивать и
барбатировать воздухом, то частицы ценной породы прилипают к газовомаслянным пузырям и поднимаются быстро вверх – это обеспечивает эффективное пенообразование.
Например, для первичной переработки винограда виноделы используют
прибор флотатор, – в получении высококачественного осветленного сусла. В
качестве флотоагентов виноделы используют желатин, силикагель, которые
склеивают частицы сусла и направляют в специальные емкости, где происхо38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дит вспенивание, где все взвеси всплывают. Таким образом осветленное сусло
из нижней части емкости поступает на брожение, а осадок вытяжным устройством вакуумом удаляется для фильтрации) – установка на винозаводе «Победа» Краснодарский край.
8.4. Порошки
Порошки – твердые мелкодисперсионные системы из пород и материалов
широко распространенных.
Порошки бывают:
1) природного происхождения (пески);
2) искусственного (мука, дусты);
Сильно развитая поверхность и особые свойства порошков имеют применение в строительстве (гипс, цемент, известь, мел, минеральные красители);
в сельском хозяйстве (минеральные удобрения, инсекто-фунгицидные дусты);
в пищевой промышленности (крахмал, мука, сахар), в медицине (порошкообразное лекарство, присыпки).
На прилипаемость порошкообразных частиц оказывает: степень дисперсности, форма частиц, степень их влажности, пластичность и химическая природа поверхности.
При длительном хранении порошков происходит процесс их уплотнения и
гранулирования, т.к. постепенно уменьшается свободная энергия порошковой
системы и это приводит к слипанию отдельных частиц в гранулы. Чтобы этого
избежать на производстве выпускаютпорошки в виде гранул (чай гранулированных, минеральные удобрения), для этого в порошковую смесь добавляют воду,
которая смачивает поверхность частиц и создает пограничный слой.
Порошки получают методом дробления исходного материала или конденсацией – т.е. химическими функциями.
8.5. Аэрозоли
Аэрозоли – дисперсные системы с газообразной средой, где дисперсная
фаза – жидкие или твердые мелкодисперсные частицы.
Твердые частицы, равномерно распределенные в газовой среде образуют
туманы, а жидкие (мелкие капельки) в газе – образуют туманы.
Жидкие частицы в туманах имеют шарообразную форму, в дымах твердые частицы в виде кристаллов, осколков.
Все аэрозоли способны рассеивать видимый свет, чем больше объем частичек и их концентрация, тем больше рассеивание.
Аэрозоли образуются при механическом измельчении и распылении
твердых тел или жидкостей при взрывах, а также при обычном механическом
трении.
В природных условиях образованию аэрозолей способствуют природные
факторы: ветровая эрозия, водная эрозия, суточные перепады температур.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Системы аэрозолей – агрегативно неустойчивы. В них происходят процессы агрегации и коагуляции – это зависит от размеров частиц и их исходной
концентрации. Наиболее устойчивые дымы и туманы со средними размерами
частиц. Высокодисперсные аэрозоли, размеры частиц которых приближаются
к коллоидным, подвергаются броуновскому движению, сталкиваются, укрупняются и оседают под действием силы тяжести. Стабилизировать аэрозоли
можно искусственно сообщив им высокий электрический заряд, тогда они будут отталкиваться друг от друга.
Для гигиенической и технологической очистки газообразных выбросов
промышленных предприятий с целью улавливания ценных твердых веществ
(сажа) в промышленности используют методы:
1) центробежного осаждения аппаратом циклон: аппарат развивает
огромную центробежную силу, которая вынуждает твердые, мелкодисперсионные частицы аэрозолей при ударе о стенки замедлять свое движение и осаждаться.
2) Электрофизическое осаждение – аэрозоли пропускают через электрическое поле высокого напряжения – где происходит ионизация воздуха. Ионизированные молекулы воздуха адсорбируются на твердых частичках дыми,
сообщив им заряд. Эти частицы притягиваются противоположно заряженной
стенкой дымовой трубы, осаждаются на ней и осыпаются вниз.
Нашими учеными разработан метод разрушения природных аэрозолей –
туманов и грозовых облаков: при помощи специальных распылителей в туман
вводят мелкодисперсионные частицы NaI, где они кристаллизуют микрокапли
переохлажденной воды в виде дождя, а не града.
При праздновании 850-летия г. Москвы для рассеивания тумана использовали мелкодисперсионный «сухой лед». При попадании в воздух, лед вызывает переохлаждение насыщенными парами воды воздуха, с образованием
снежинок.
Контрольные вопросы
1. Дать определение понятиям: эмульсия, суспензия, пена, аэрозоль?
2. В чем заключается назначение эмульгаторов и пенообразователей?
9. ГЕЛИ И СТУДНИ
9.1. Общие понятия о гелях и студнях.
9.2. Процессы гелеобразования.
9.3. Тиксотропия и синерезис гелей.
9.1. Общие понятия о гелях и студнях
Гели и студни – это системы твердообразного характера, утратившие текучесть при данной температуре вследствие действия межмолекулярных сил
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сцепления между коллоидными частицами или макромолекулами высокомолекулярных соединений.
Гели – это определенной формы дисперсные структуры, пребывающие в
виде пространственных сеток, образованных при помощи вандервальсовых
взаимодействий и химических связей. В гелях коллоидные частицы потеряли
способность к поступательному движению.
В студнях такая способность полностью не утеряна, т.к. пространственная сетка их является физической сеткой, образовавшейся только в результате
вандервальсовых сил взаимодействия. Поэтому при повышении температуры
коллоидные частицы могут начать движение относительно друг друга.
В образовавшихся структурных сетках гелей и студней, ячейки из которых состоят сетки, обычно заполнены растворителем.
В зависимости от особенностей физической структуры сеток, все гели
условно разделяют на две группы:
1) эластичные гели, структура которых обычно образована эластичными
макромолекулами (студни желатина или агар-агара в воде)
2) хрупкие гели – структура которых образована не эластичными твердыми коллоидными частицами (отвержденное «жидкое стекло»).
Эластичные гели в процессах высушивания или набухания в растворителе могут обратимо изменять свой объем, хрупкие гели в таких процессах свой
объем не изменяют. Поэтому, хрупкие гели называются ненабухающими, а
эластичные набухающими.
Физические свойства гелей и студней в зависимости от природы дисперсной фазы и содержания растворителя могут варьировать в широких пределах.
Например, сухие гранулы желатина в воде набухают, поглощая 10-12
кратные количества растворителя, и намного увеличиваются в объеме. Путем
механического перемешивания или при повышении температуры набухшие
куски желатина плавятся в поглощенной жидкости, образуя гомогенный раствор. При длительном пребывании в состоянии покоя или при охлаждении
вязкость растворов возрастает и он обратно превращается в прочный студень,
который можно резать ножом, а куски могут сохранить свою форму.
Сухой гель при набухании увеличивается в объеме, но объем набухшего
геля меньше суммы объемов сухого геля и поглощенной им жидкости. Такое
уменьшение объема называется контракцией и оно сопровождается увеличением давления набухания. (Случай, когда набухшие при транспортировке в
трюме корабля бобы разорвали его корпус и корабль утонул).
Процесс набухания геля сопровождается не только увеличением давления, но и выделением тепла, можно определить скорость набухания.
Огромное значение процессов студнеобразования и самих студней проявляется в производстве клеев, вискозного и ацетатного шелка, искусственной
кожи, резин, пластиков. Используются в технологических процессах – производство джемов, простокваш, творога, мармелада, сыра.
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Все живые организмы состоят из гелей различной степени обводнения:
мясо животных и рыб, коллаген, оболочка клетки.
Степень обводнения природных гелей колеблется в пределах от 90% в
теле у медуз – до десятых долей процента у роговой ткани.
Даже кости скелета млекопитающих своей эластичностью обязаны студневидному белку – оссеину. С уменьшением этого белка в старости – кости
становятся хрупкими, а переломы долго не срастаются.
9.2. Процессы гелеобразования
Процессы гелеобразования связаны с образованием структурной сетки,
поэтому гелеобразование называется структурированием.
Гелеобразование сходно с процессом коагуляции коллоидных систем.
Факторы: размеры и формы частиц, концентрация, температура, электролиты
влияют на процесс образования гелей.
Разница между коагуляцией коллоидов и гелеобразования в том, что коллоидные частицы в процессе коагуляции выпадают в осадок и система разделяется на жидкую дисперсную среду и твердую дисперсную фазу. При гелеобразовании подобного разделения фаз нет, весь растворитель остается в системе.
Установлено, что гелеобразование происходит легко в системах, частицы
которых имеют палочковидную, игольчатую, листовидную форму.
Механизм гелеобразования
В процессе кинетического броуновского движения частицы дисперсной
фазы сталкиваются и сцепляются определенными участками. Обычно сцепляются концами удлиненных частиц или углами листочков. В процессе образования таких рыхлых сеток дисперсная среда захватывается как губкой, и вся
система теряет текучесть, приобретая твердообразное состояние.
Для каждого типа коллоида существует своя минимальная концентрация
частиц дисперсной фазы, или порог, ниже которого гелеобразование не наступает.
Гелеобразование не протекает мгновенно, необходимо время для образования сеток. В то же время в некоторых системах внутренние процессы структурообразования продолжаются и после наступления гелеобразования.
Влияние добавок электролитов на процессы гелеобразования не однозначно: катионы влияют на застудневание мало, чем анионы.
Анионы одних электролитов (SO42 -, CH3COO -) ускоряют гелеобразование, а анионы других (Cl -, I -) замедляют процесс.
Процессы гелеобразования и коагуляции коллоидов аналогичны. Это
позволило академику Ребиндеру заменить термин застудневание на явление –
коагуляционное структурообразование.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9.3. Тиксотропия и синерезис гелей
В процессе механических воздействий многие коагуляционноструктурные образования способны разжижаться и переходить в растворы.
Если такие растворы оставить в покое, то в них начинает нарастать вязкость и
завершается образованием студня. Если студень механически размешать получится раствор, который вновь в состоянии покоя образует гель.
Такое обратимое изотермическое превращение структурированной системы в деструктурированную и наоборот называется тиксотропией (с греческого: тиксис – встряхивать, и тропос – изменяться).
Тиксотропные превращения системы можно повторять несколько раз.
Это можно изобразить схемой:
гель ↔ золь
Тиксотропные явления происходят за счет сил электростатического взаимодействия.
Синерезис – процесс самопроизвольного сжатия, уменьшения объема
структурной сетки геля, который сопровождается выделением части жидкой
дисперсной среды. При длительном состоянии покоя происходит разделение
системы на две отдельные фазы, появляется граница между гелем и жидкостью, а сами гели, уменьшаясь в объеме, теряют эластичность и мутнеют. При
этом гели и студни, сжимаясь в объеме, принимают форму того сосуда, куда
были налиты в виде жидкости еще до застудневая.
Синерезис широко распространен во многих технологических процессах.
Например, крахмальный клейстер сокращается в объеме, утрачивает клеящую
способность и становится непригодным. Трудности создаются в мыловаренном,
лакокрасочном производствах. Из-за синерезиса черствеют хлебо-булочные изделия, «отмокает» и теряет товарный вид желе, мармелад, карамели.
Синерезис может возникнуть в растительных и животных клетках, они теряют эластичность, появляется жесткость и снижается подвижность в мышцах.
Контрольные вопросы
1. Дать определение студней?
2. Что такое синерезис?
3. Как происходит процесс набухания? Охарактеризовать влияние электролитов на набухание?
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
II. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ»
1. Среди приведенных веществ дисперсной системой являются…
 молоко
 минеральная вода
 соленый раствор
 раствор сахара
2. Для определения знака заряда коллоидной частицы используют метод
_________________
Правильный ответ – электрофорез.
3. Для золя полученного по реакции 2 NaSiO3(изб)+ 2HCl = H2SiO3+2NaCl
наилучшим
коагулирующим
действием
будет
обладать
ион
_________________
Правильный ответ – Fe3+.
4. Для золя BaSO4, полученного по реакции BaCl2 + K2SO4(изб)= BaSO4 +
2KCl, наименьшим порогом коагуляции обладает _________________
Правильный ответ – AlCl3.
5. Коагуляция коллоидных частиц может протекать под действием
_________________
Правильный ответ – сильных электролитов.
6. В коллоидной частице, образующийся при взаимодействии избытка
раствора Ag NO3, с раствором NaCl, потенциалопределяющим является
_________________
Правильный ответ – Ag+.
7. Согласно теории строения коллоидных растворов мицелла является …
частицей:
 положительно заряженной
 отрицательно заряженной
 радикальной
 электронейтральной
8. В коллоидном растворе, полученном при взаимодействии изб. KJ с
AgNO3 потенциалопределяющим является _________________
Правильный ответ – J-.
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9. Ион, адсорбирующийся на поверхности ядра и определяющий заряд
коллоидной частицы называется _________________
Правильный ответ – потенциалопределяющим.
10. Коагулирующее действие на золе, полученный по AgNO3 + NaCI(изб)
→ AgCI + NaNO3 вызывает
Правильный ответ – катион электролита
11. В коллоидных растворах проявляется эффект:
 Тиндаля
 Мандельштама
 Гротгуса
 Френеля
12. Коагуляцию золя BaSO4, полученного по реакции = BaCl2 + K2SO4(изб.)
→ BaSO4 + 2 KCl, вызывают _________________
Правильный ответ – катионы электролита.
13. Для золя AgJ, полученного по реакции AgNO3 + KJ(изб.) = AgJ +
KNO3 наилучшим коагулирующим действием обладает _________________
Правильный ответ – Fe3+
14. Для золя иодида серебра, полученного по реакции AgNO3(изб.)+KI →
AgI + KNO3, коагуляцию вызывают…
 катионы и анионы одновременно
 нейтральные молекулы
 анионы электролита
 катионы электролита
15. Ядро мицеллы, образующейся согласно уравнению реакции K2SO4 +
BaCl2(изб.) = BaSO4 + 2KCl является _________________
Правильный ответ – BaSO4.
16. Метод получения дисперсной системы, основанный на дроблении
крупных частиц на мелкие _______________
Правильный ответ – диспергирование.
17. Коагуляция – это _________________
Правильный ответ – процесс укрупнения и выпадения в осадок частиц за
счет сил сцепления.
18. Диализ – это______________________
Правильный ответ – очистка коллоидных растворов, от примесей электролитов.
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
19. Коллоидная частица, образующаяся при взаимодействии изб. KJ в
электрическом поле передвигается _________________
Правильный ответ – к отрицательному электроду.
20. Коллоидная частица, образующая по уравнению AgNO3(изб) + KJ =
AgJ + K NO3 в электрическом поле двигается к _________________
Правильный ответ – катоду.
21. Суспензии это системы…
 с жидкой дисперсной средой и твердой дисперсной фазой
 с жидкой дисперсной средой и жидкой дисперсной фазой
с газообразной дисперсной средой и жидкой дисперсной фазой
 с жидкой дисперсной средой и газообразной дисперсной средой
22. Туманы – это аэрозоли, образованные…
 жидкими частицами в жидкой среде
 жидкие частицы в газе
 твердые частицы в твердой среде
 твердые частицы в жидкой среде
23. Правило Шульце-Гарди _________________
Правильный ответ – коагулирующее действие ионов возрастает с увеличением их заряда.
24. Для золя Ва (NO)2 (изб) + Na2 SO4 = BaSO4 + 2 Na NO3 NO3 наилучшем коагулирующим действием _________________
Правильный ответ – PO4325. Коллоидная частица, полученная при взаимодействии раствора НСl с
избытком BaCl2 заряжена _________________
Правильный ответ – положительно.
26. Ядро мицеллы, образующейся при взаимодействии раствора CuCI2 с
избытком сульфида калия – _________________
Правильный ответ – CuS
27. Перемещение дисперсной среды относительно неподвижной фазы к
электроду под действием разности потенциалов _________________
Правильный ответ – электроосмос.
28. Метод получения дисперсных систем, основанные на объединении
более мелких частиц в крупные _________________
Правильный ответ – конденсация.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
29. Коагуляция это:
 процесс укрупнения коллоидных частиц
 процесс дробления коллоидных частиц
 процесс оседания коллоидных частиц
 изменение цвета коллоидного раствора
30. Коллоидные системы, в которых растворитель (вода) взаимодействуют с ядрами называют…
Правильный ответ – гидрофильными.
31. Пептизация это:
 превращение крупных частиц в мелкие
 процесс укрупнения коллоидных частиц
 процесс оседания цвета коллоидного раствора
 изменение коллоидных частиц
32. Коллоидные системы отличаются от истинных растворов __________
Правильный ответ – большими размерами.
33. Основной характеристикой дисперсных систем является __________
Правильный ответ – размер частиц дисперсной фазы.
34. Истинные растворы имеют размер частиц дисперсной фазы:
 меньше 10-9 м
-9
-7
 больше 10 м, но меньше 10 м
-7
-5
 больше 10 м, но меньше 10 м
-5
 больше 10 м
35. Суспензии являются:
 коллоидными растворами
 грубодисперсными системами
 истинными растворами
 высокомолекулярными соединениями
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
III. ГЛОССАРИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ»
Агрегативная устойчивость – это способность системы сохранять
определенную степень дисперсности, препятствовать «слипанию» частиц.
Аэрозоли – дисперсные системы с газообразной средой, где дисперсная
фаза – жидкие или твердые мелкодисперсные частицы.
Броуновское движение выражается в том, что частицы дисперсной фазы
под влиянием ударов молекул растворителя находятся в состоянии непрерывного хаотического движения.
Взаимная коагуляция – явление коагуляции гидрофобных коллоидов,
вызванная смешиванием в определенных количественных соотношениях с
другим гидрофобным золем, гранулы которого имеют противоположный знак.
ВМС (или полимерами) называют соединения, с молекулярной массой
не менее 10 000-15 000, вследствие чего молекулярный вес их составляет сотни тысяч и даже миллионы.
Высаливание – явление выделения в осадок растворенного ВМС под
действием большой концентрации электролита.
Гели (gelo – застываю, лат.) – студнеобразные или твердые коллоидные
системы, состоящие из дисперсионной среды, заключенной в пространственную структуру (каркас), образованную соединенными между собой частицами
дисперсной фазы.
Диализ – удаление низкомолекулярных примесей из коллоидных систем
и растворов ВМС путем диффузии через полупроницаемую перегородку –
мембрану.
Дисперсные системы – это гетерогенные системы, состоящие из двух или
большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними.
Дисперсная фаза – раздробленная фаза.
Дисперсионная среда – сплошная среда, в которой распределены частицы дисперсной фазы.
Диффузия – самопроизвольно протекающий процесс выравнивания концентраций ионов, молекул или коллоидных частиц за счет их беспорядочного
теплого движения.
Изоэлектрическое состояние – это состояние, в котором как кислотные,
так и основные свойства белка проявляются в одинаковой степени.
Изоэлектрической точкой называется значение рН, при котором белок
находится в изоэлектрическом состоянии.
Кинетическая устойчивость – это свойство дисперсных частиц удерживаться во взвешенном состоянии.
Коллоидная защита – повышение устойчивости гидрофобных золей по
отношению к электролитам и другим факторам коагуляции при добавлении к
ним гидрофильных коллоидов.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коллоидная химия (от греч. кolla – клей, lidos – вид) – наука, изучающая
состав, внутреннее строение, превращения и свойства дисперсных систем, а
также поверхностные явления, возникающих на границах раздела фаз.
Контракция – уменьшение объема набухшего геля (меньше суммы объемов сухого геля и поглощенной им жидкости).
Лиофильные коллоиды – системы, для которых характерно сильное
взаимодействие частиц дисперсной фазы с молекулами дисперсионной среды,
в предельном случае наблюдается полное растворение.
Лиофобные коллоиды – системы, в которых частицы дисперсной фазы
не взаимодействуют или слабо взаимодействуют с дисперсионной средой.
Мицелла – это элементарная часть коллоидной системы, являющаяся
нейтральной.
Набухание – это процесс образования геля путем поглощения раствора
геля сухим веществом (ксерогелем), сопровождающийся увеличением объема
и массы системы.
Неограниченное набухание – это набухание, которое заканчивается растворением полимера.
Нефелометрия – метод определения концентрации и степени дисперсности коллоидных систем, основанный на явлении светорассеяния.
Ограниченное набухание – это набухание, которое не доходит до стадии
растворения полимера.
Пены – это дисперсные системы с газообразной дисперсной фазой и
жидкой или твердой дисперсной средой.
Пептизаторы – вещества, способствующие переходу коагеля в золь.
Пептизацией называют переход в коллоидный раствор осадков, образовавшихся при коагуляции.
Поверхность раздела фаз – это граничная область между фазами, слой
определенной толщины, в котором происходит изменение различных свойств от
значений, характерных для одной фазы, до значений, характерных для другой.
Порог коагуляции – это минимальная концентрация электролита, которая вызывает коагуляцию. Величина, обратная порогу коагуляции, называется
коагулирующей способностью.
Порошки – твердые мелкодисперсионные системы из пород и материалов широко распространенных.
Правило Шульце-Гарди: Коагулирующая способность иона тем выше,
чем выше его заряд.
Растворение ВМС – самопроизвольный процесс, сопровождающийся
уменьшением свободной энергии.
Седиментация – осаждение частиц под действием сил тяжести.
Синерезис – явление самопроизвольного уменьшения объема студня с
выделением двух микрофаз: жидкой и студнеобразной.
Степень набухания – это отношение массы, поглощенной низкомолекулярной жидкости к массе полимера до набухания.
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Структурирование – процессы гелеобразования, связанные с образованием структурной сетки.
Студень – насыщенный раствор низкомолекулярной жидкости в полимере, это система, состоящая из пространственной сетки и частично взаимослитых макромолекул и из молекул растворителя, которые заполняют пространство между макромолекулами.
Суспензии – это системы с жидкой дисперсной средой и твердой дисперсной фазой.
Тиксотропия – обратимое изотермическое превращение структурированной системы в деструктурированную и наоборот.
Фаза – это совокупность всех тождественных частей системы, имеющих
одинаковый состав, химические, физические и термодинамические свойства, и
отделенных от других частей системы поверхностью раздела.
Электроосмос – явление переноса жидкости (дисперсионной среды) через пористое тело под действием электрического тока; смещение жидкой фазы
относительно неподвижной твердой.
Электрокинетический потенциал – потенциал диффузной части двойного электрического слоя, обозначающийся ζ (дзета).
Электрофорез – явление перемещения частиц дисперсной фазы в электрическом поле к электроду, знак которого противоположен заряду частиц; перемещение твердых взвешенных частиц относительно неподвижной жидкости.
Эмульсии – это особый вид дисперсных систем, в которых дисперсная
фаза и дисперсная среда – жидкие. Это системы, в которых обе фазы не смешиваются и одна из них в другой образует дисперсию в виде мелких капелек.
Эффект Фарадея-Тиндаля. Если световой луч пропустить через прозрачный коллоидный раствор, находящийся в темноте, то в золе будет заметен
светящийся след светового пучка.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
IV. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Основная:
1. Стромберг, А.Г. Физическая химия: учебник для студ. вузов по хим.
спец. / А.Г. Стромберг. – М.: Высшая школа, 2006. – 743 с.
2. Заплишный, В.Н. Физическая и коллоидная химия: учеб. для с.-х. вузов
/ В.Н. Заплишный. – Краснодар, 2001. – 343 с.
Дополнительная:
1. Болдырев, А.И. Физическая и коллоидная химия / А.И. Болдырев. –
М.: Высшая школа, 1983. – 496 с.
2. Воюцкий, С.С. Курс коллоидной химии / С.С. Воюцкий. – М.: Химия,
1986. – 326 с.
3. Захарченко, В.И. Сборник задач и упражнений по физической и коллоидной химии / В.И. Захарченко. – М.: Просвещение, 1988. – 279 с.
4. Киреев, В.А. Курс физической химии / В.А. Киреев. – М.: Химия, 1990.
– 459 с.
5. Родин, В.В. Основы физической, коллоидной и биологической химии:
курс лекций / В.В. Родин. – Ставрополь: АГРУС, 2009. – 124 с.
6. Хмельницкий, Р.А. Физическая и коллоидная химия / Р.А. Хмельницкий. – М.: Высшая школа, 1988. – 400 с.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Францева Н.Н., Романенко Е.С.,
Безгина Ю.А., Волосова Е.В.
КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Учебное пособие
Печатается в авторской редакции
Компьютерная верстка В.Л. Сыровец
Дизайн обложки В.Л. Сыровец
ООО «Ставропольское издательство «Параграф»
г. Ставрополь, ул. Мира, 278 «Г»
тел./факс (8652) 24-55-54
www.paragraf.chat.ru
Подписано в печать 15.05.2013
Формат 60х84/16. Гарнитура Times New Roman
Бумага офсетная. Печать трафаретная
Усл. печ. л. 3,0. Уч.-изд. л. 2,6.
Тираж 100 экз. Заказ № 13032.
Отпечатано в ООО «Ставропольское издательство «Параграф»
52
Документ
Категория
Химические науки
Просмотров
370
Размер файла
853 Кб
Теги
коллоидная, 1329, химия
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа