Основные определения и термины. Системы, состоящие из двух или более веществ, отделенных друг от друга границей

Системы, состоящие из двух или более веществ, отделенных друг от друга границей раздела, называют дисперсными системами. В такой системе различают дисперсную среду − сплошную среду, в которой распределены частицы вещества, и дисперсную фазу – совокупность этих частиц.

В основу классификации дисперсных систем положено агрегатное состояние фаз дисперсных систем, размеры и форма раздробленной фазы, интенсивность межфазного взаимодействия, молекулярность, структура.

По степени дисперсности они подразделяются на четыре типа:

– грубодисперсные – грубые взвеси, суспензии, эмульсии, порошки с размером частиц ≥10^–5 м;

– микрогетерогенные 10^–5 – 10^–7 м;

– коллоидно-дисперсные золи с размером частиц 10^–7–10^–9 м;

– молекулярные или ионные растворы с размером частиц менее 10^–9 м.

Дисперсные системы по межфазному взаимодействию среды и фаз делятся на лиофобные и лиофильные.

В лиофобных системах дисперсная фаза слабо взаимодействует с дисперсной средой (суспензии, эмульсии), в лиофильных системах − интенсивно (растворы полимеров, поверхностно-активных веществ).

Частицы дисперсной фазы, структурно связанные в дисперсной системе, образуют гели, а несвязанные − золи.

Дисперсные системы получают двумя путями: 1) физической и химической конденсацией ионов или молекул в агрегаты; 2) диспергированием вещества до частиц коллоидных размеров.

Физическая конденсация может осуществляться при охлаждении паров или путем понижения растворимости веществ при замене растворителя.

Химическая конденсация происходит в результате химических реакций, сопровождающихся образованием труднорастворимых в дисперсионной среде соединений. Примерами могут служить следующие реакции:

2H₂S + O₂ ® 2S + 2H₂O;

2FeCl₃ + 3H₂O ® Fe(OH)₃ + 3HCl;

AgNO₃ + KJ ® AgJ + KNO₃ .

Из методов диспергирования особое значение имеет пептизация как физико-химический метод образования золей из “свежих” (рыхлых) осадков. Пептизаторы, растворами которых обрабатывают осадки, способствуют образованию двойного слоя ионов на поверхности частиц осадка, сообщая золю агрегативную устойчивость.

Различают пептизацию адсорбционную, диссолюционную и пептизацию промыванием осадка. При адсорбционной пептизации к осадку добавляют ПАВ или готовый электролит-пептизатор, неиндифферентные ионы которого избирательно адсорбируются на поверхности частиц потенциалообразующего слоя. При диссолюционной пептизации пептизатор образуется в ходе химической реакции между молекулами поверхностных слоев частиц осадка и добавленным реагентом.

Частицы дисперсной фазы в золях обладают сложной структурой, зависящей от условий их получения и природы стабилизатора. Такие частицы называются мицеллами.

Например, частицы гидрозоля иодистого серебра, которые получают приливанием раствора нитрата серебра к раствору иодистого калия (избыток KJ– стабилизатор). Реакция протекает по уравнению

m AgNO₃ + (m+n) KJ → mAgJnJ^– + mKNO₃.

Мицелла имеет следующую структуру:

{ m [AgJ] nJ^– (n–x) K⁺ }^–x x K⁺

123 123

агрегат диффузионный слой

ядро

частица

мицелла

Частица дисперсной фазы с окружающим ее диффузионным слоем называется мицеллой; m – число молекул AgJ в агрегате;
n – число избыточных ионов J^–, прочно адсорбированных на поверхности агрегата (как правило, m > n), называемых потенциалообразующими; x – количество ионов, входящих в диффузионный слой; (n-x) – количество противоионов K⁺ в адсорбционном слое. Количество таких ионов калия (n–x) меньше количества адсорбированных ионов иода (n), вследствие чего коллоидная частица имеет отрицательный заряд (–х).

Если получать золь иодистого серебра при некотором избытке нитрата серебра (AgNO₃), то частицы золя иодистого серебра приобретают положительный заряд (в отличие от предыдущего случая):

{m [AgJ] nAg ⁺(n–x) NO₃^–}^+x xNO₃^–

Знак заряда коллоидных частиц золей можно определить методам капилляризации.

Метод капилляризации применим для окрашенных золей. В основе этого метода лежит зависимость адсорбируемого золя от знака заряда поверхности адсорбента (фильтровальной бумаги). При смачивании фильтровальной бумаги водой, она поднимается по капиллярам бумаги. При этом стенки капилляров заряжаются отрицательно, а граничащая с ними вода – положительно.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Лабораторная работа. Получение золей

Цель работы: освоение методики получения золей различными методами, построение формул мицелл.

Реактивы: растворы реагентов концентраций: KMnO₄ – 0,05 моль/л, Na₂S₂O₃ – 0,02 моль/л, K₄[Fe(CN)₆] – 0,04 моль/л, (NH₄)₂CO₃ – 0,1 моль/л, AlCl₃ – моль/л, CH₃COONa – 0,2 моль/л, Na₂HPO₄ – 0,1 моль/л, FeCl₃ – 0,2 моль/л.

Оборудование: штатив с пробирками, колбы вместимостью 100 мл, набор пипеток, воронки пробирочные, стеклянные палочки, фильтровальная бумага, электроплитки.

Методика работы

1. Получение золя диоксида марганца. Соль марганца восстанавливают тиосульфатом натрия:

2KMnO₄+6Na₂S₂O₃+4H₂O®2MnO₂¯+3Na₂S₄O₆+2KOH+6NaOH.

В колбу вместимостью 50 мл помещают 1 мл раствора KMnO₄ концентрации 0,05 моль/л и 19 мл воды. В разбавленный раствор добавляют по каплям (5-6 капель) при взбалтывании раствор Na₂S₂O₃ концентрации 0,02 моль/л. Образуется золь темно- красного цвета.

2. Получение золя гексацианоферрата (II)-железа (III) калия (берлинской лазури) с отрицательно заряженными частицами:

FeCl₃ + K₄[Fe(CN)₆] ® KFe[Fe(CN)₆] ¯ + 3KCl.

К 20 мл воды добавляют 2-3 капли насыщенного на холоду раствора FeCl₃, а затем при взбалтывании – 1 каплю раствора K₄[Fe(CN)₆] концентрации 0,04 моль/л. Образуется золь сине- зеленого цвета.

3. Получение золя гексацианоферрата (II)-железа (III) калия (берлинской лазури) с положительно заряженными частицами:

К 20 мл воды добавляют 0,5 мл раствора K₄[Fe(CN)₆] концентрации 0,04 моль/л, а затем при взбалтывании – 2 капли раствора FeCl₃ концентрации 1/5 насыщенного. Образуется золь синего цвета.

4. Получение золя гидроксида железа:

К 20 мл кипящей воды прибавляют 1-2 капли насыщенного раствора FeCl₃. Образуется золь вишнево-красного цвета.

5. Получение золя фосфата железа:

FeCl₃+Na₂HPO₄+CH₃COONa®FePO₄¯+3NaCl+CH₃COOH.

К 10 мл воды добавляют 20 капель насыщенного раствора FeCl₃ и 10 капель раствора CH₃COONa концентрации
0,02 моль/л. К этому раствору добавляют по каплям при взбалтывании раствор Na₂HPO₄ концентрации 0,1 моль/л, до появления нерастворимых хлопьев фосфата железа. Образуется золь зеленовато-белесого цвета.

6. Получение золя фосфата алюминия:

AlCl₃ + Na₂HPO₄ + CH₃COONa ® AlPO₄¯ + 3NaCl + CH₃COOH.

К 10 мл воды добавляют 20 капель раствора AlCl₃ концентрации 0,2 моль/л и 10 капель раствора CH₃COONa концентрации 0,02 моль/л. К полученному раствору добавляют по каплям при взбалтывании раствор Na₂HPO₄ концентрации 0,10 моль/л до тех пор, пока появляющиеся хлопья фосфата алюминия не станут растворяться с трудом.

Вопросы для самостоятельной подготовки и контроля

1. Какие системы называются дисперсными? Как подразделяются дисперсные системы в зависимости от размера частиц?

3. Какие дисперсные системы относятся к лиофильным и лиофобным?

4. Как можно отличить коллоидные растворы от истинных?

5. Какими путями можно получить дисперсные системы?

6. Какими способами можно провести диспергирование твердых и жидких веществ?

7. Перечислите конденсационные методы получения коллоидных растворов.

9. Что называется мицеллой и каково ее строение?

10. Какими методами можно определить знак заряда золя?