În natura înconjurătoare, ca într-un organism viu, se găsesc rareori substanțe individuale. Mai des, varietatea de substanțe care alcătuiesc o natură vie și non-vie este reprezentată sub formă de soluții sau sub formă de sisteme dispersate. Sistemele coloidale (dispersate) sunt distribuite pe scară largă în natură și din timpuri străvechi joacă un rol imens în viața oamenilor. Cu toate acestea, primele studii sistematice ale unor astfel de sisteme se referă doar la mijlocul secolului al XIX-lea. În ultimii 150 de ani, știința coloizilor sa format ca o diviziune independentă a chimiei fizice.
Sistemul Disperse este un sistem eterogen, în care o fază constă din particule mici distribuite uniform în volumul celeilalte fazei omogene. Aceste sisteme ultramicroheterogeneous constând din particule din faza dispersată - împreună particule sfărâmate a căror dimensiune este cuprinsă în intervalul 10-9 - 10-5 m, și un mediu de dispersie continuă, în care sunt distribuite particule.
Pentru a caracteriza fragmentarea fazei dispersate, fizico-chimistul intern A.V. Dumansky (1880 - 1967) a introdus în 1913 conceptul gradului de dispersie δ. care este măsurată prin reciprocitatea diametrului mediu sau pentru particulele nesferice, valoarea diametrului mediu inversat d (m-1):
Particulele de sisteme de dispersie pot fi văzute cu ochiul liber sau cu ajutorul instrumentelor. Zaharina, particule de făină și păr uman percepe ochiul. Particulele de praf din aer devin vizibile numai atunci când o rază de lumină pătrunde în camera întunecată. Eritrocitele de sânge sunt vizibile printr-un microscop, cele mai mici particule pot fi detectate utilizând un microscop electronic. În conformitate cu condiția (1), cea mai mare dispersie în eritrocite și cea mai mică - în particule de zaharină și de făină.
Pe lângă particule, faza dispersată poate fi fire, fibre, pori și capilare, precum și filme și membrane. Toate acestea au una sau mai multe dimensiuni care determină dispersia. Există trei, două și un-dimensional faze de dispersie.
Dacă dimensiunea care determină dispersia este aceeași pentru toate particulele, atunci un sistem similar este denumit monodispers. de exemplu, polenul unor plante. Sistemele polidisperse caracterizate prin diferite dimensiuni ale particulelor sau dispersie sunt mult mai des întâlnite.
O caracteristică caracteristică a sistemelor de înaltă dispersie este o interfață foarte mare la limita dintre faza dispersată și mediul de dispersie. Se caracterizează printr-o suprafață specifică. prin care se înțelege raportul dintre suprafața totală a fazei dispersate Sd. la volumul total sau la masa sa:
Odată cu creșterea dispersiei sistemului, suprafața sa specifică crește brusc și în regiunea coloidală atinge valori enorme.
Fragilitatea și o interfață mare de fază specifică determină un exces semnificativ de energie de suprafață. Aceasta, la rândul său, conduce la apariția fenomenelor de suprafață. Fenomenele de suprafață sunt observate pe orice suprafață care delimitează fazele, dar o creștere accentuată a suprafeței specifice conduce la intensificarea acestora datorită excesului de energie de suprafață.
Fragilitatea implică formarea de particule de diferite forme, a căror suprafață este caracterizată printr-o anumită curbură. Curbura suprafeței în unele cazuri este un factor suplimentar în intensificarea proceselor care apar la interfața fazelor.
Astfel, starea coloidală a unei substanțe are două caracteristici principale - dispersie și eterogenitate. O caracteristică a sistemelor cu dispersie înaltă este instabilitatea lor asociată cu o mare rezervă de energie de suprafață liberă datorită unei suprafețe mari de separare a fazelor. Sistemele dispersate sunt caracterizate de procese spontane care reduc excesul de energie de suprafață datorită coarnei particulelor în faza dispersată. Asigurarea stabilității relative a sistemului se realizează prin asigurarea pe suprafața stratului protector al fazei dispersate - stratul dublu electric, care prevede respingerea electrostatică a particulelor, iar stratul de adsorbție-solvat care previne contactul și aderența particulelor. Straturile de stabilizare apar ca urmare a adsorbției ionilor sau a moleculelor.
^ Clasificarea sistemelor de dispersie.
Sistemele dispersate în natură sunt foarte diverse, astfel încât este imposibil să se facă o clasificare unică pentru ele. Clasificările se bazează pe diferite proprietăți existente ale sistemelor disperse dispersate dimensiunii particulelor de fază, starea de agregare a fazei dispersate și mediul de dispersie, natura interacțiunii fazei dispersate cu mediul de dispersie, proprietățile structurale și mecanice, etc ...
^ Clasificarea sistemelor prin dimensiunea particulelor unei faze dispersate.
În funcție de dimensiunea particulelor, d distinge între sistemele de înaltă, medie și grosier dispersate.
Limita inferioară a dimensiunilor sistemelor de înaltă dispersie (1 nm) se datorează faptului că sunt necesare cel puțin 20-30 molecule pentru a forma agregatul. Raza unei molecule, de exemplu apă, este de 0,138 nm. Prin urmare, cea mai mică particulă din care se formează faza dispersată nu poate fi mai mică de 1 nm.
^ Clasificarea prin starea agregată a fazelor.
Clasificarea statului agregat a fost propusă de Wolfgang Ostwald. În principiu, sunt posibile 9 combinații, însă sistemul de dispersie, în care atât faza dispersată, cât și mediul de dispersie sunt gaze, nu există, deoarece gazele sunt solubile în mod nelimitat între ele. Toate tipurile posibile de sisteme de dispersie sunt prezentate în Tabelul 2.
^ Clasificarea prin interacțiune a unei faze dispersate și a unui mediu de dispersie (prin interacțiune interfacială).
Această clasificare se aplică numai pentru sistemele cu mediu de dispersie lichid. G. Freindlich a propus sistemele de dispersare a împărțirii în două tipuri:
Ca lyophobic și o soluții coloidale liofilici unități structurale sunt micelii - microstructura formate prin interacțiunea componentelor fazei dispersate și mediul de dispersie. Natura diferită a acestei interacțiuni determină structura diferită a miceliilor în soluții coloidale lyophobic și liofilizați, precum și condițiile de existență și stabilitatea lor.
Natura fenomenelor observate depinde de dimensiunea particulelor fazei dispersate și de relația lor cu lungimea de undă (λ) a luminii incidente. Trecerea la lumină este observată pentru sistemele transparente în care particulele sunt mult mai mici decât lungimea de undă a luminii incidentate (rλ). Din punct de vedere vizual, acest fenomen este exprimat în turbiditatea acestor sisteme.
difuzia luminii este observată pentru sistemele în care particulele de fază dispersată este mai mică, dar comparabilă cu lungimea de undă de incident (r ≈ 0,1 λ). Tocmai această relație este satisfăcută pentru soluțiile coloidale. Sistemele coloidale de lumină transmise sunt transparente, și o lumină laterală împrăștie incidentul lumină asupra lor, astfel încât o grămadă de oameni din sistemul coloidal este văzut ca un luminos con strălucitor (con Tyndall - în numele omului de știință, prima dată în detaliu pentru a investiga acest fenomen). Teoria împrăștierii luminii a fost creată de fizicianul englez Rayleigh. Este derivat o ecuație privind intensitatea I a luminii dispersate la intensitatea I0 luminii incidente, lumina incidente lungime de undă λ r și mărimea particulelor fazei dispersate:
unde V este volumul unei particule, ν este concentrația parțială (numărul particulelor pe unitatea de volum), λ este lungimea de undă și n1, n0 sunt indicele de refracție al particulelor și respectiv mediul.
Ecuația Rayleigh este îndeplinită în următoarele condiții:
Atunci când stabilitatea agregată este ruptă, apare coagularea - procesul de coalescență a particulelor cu formarea de agregate mari. Ca urmare a coagulării, sistemul își pierde stabilitatea de sedimentare, deoarece particulele devin prea mari și nu pot participa la mișcarea Browniană.
Coagularea este un proces spontan, deoarece duce la o scădere a suprafeței interfațiale și, în consecință, la o scădere a energiei suprafeței libere.
Există două etape de coagulare.
Etapa 1 - coagulare latentă. În această etapă, particulele se coalizează, dar totuși nu își pierd stabilitatea de sedimentare.
Etapa 2 - coagulare evidentă. În această etapă, particulele își pierd stabilitatea la sedimentare. Dacă densitatea particulelor este mai mare decât densitatea mediului de dispersie, se formează un precipitat.
Cauzele coagulării sunt multiple. Orice acțiune externă cu o intensitate suficientă cauzează coagularea. Astfel de influențe includ:
Cel mai mare interes practic este cauzat de coagularea cu electroliți.
Tipuri de electroliți de coagulare.
Se constată că orice electrolit provoacă coagularea solului. Când solul este coagulat cu electroliți, se disting concentrația și coagularea neutralizării.
Coagularea concentrării are loc sub influența electroliților indiferenți. Indiferent se numește electrolit, la introducerea căruia nu se modifică potențialul interfazic φ. Acest electrolit nu conține ioni capabili de adsorbție specifică pe particule în conformitate cu regula Panet-Fayans, adică nu este capabil să finalizeze zăbrelele de cristal ale unității. Coagularea concentrării este observată, de exemplu, când nitrații sunt adăugați la o soluție coloidală de AgI cu o încărcătură pozitivă de particule coloidale:
Deoarece concentrația de adăugat electrolit (ioni) concentrația contraioni în crește stratul de difuzie, ceea ce duce la perturbarea distribuției stabilit anterior a difuziei contraioni și spori forțele de atracție electrostatice între potențial și contrari, în urma căruia o parte din stratul difuz al ionilor intră în adsorbție. În acest caz, stratul difuz se contractează, sarcina particulei coloidale scade și, în consecință, potențialul z scade.
Fig. Modificarea potențialului z cu adăugarea unui electrolit indiferent. Limita DES 1-1 corespunde soluției inițiale coloidale; au fost obținute limitele 2 - 2, 3 - 3 după adăugarea cantităților corespunzătoare de electroliți (suprafața culisantă coincide cu limita straturilor de adsorbție și difuzie).
În Fig. și, în plus, pentru simplitate, se presupune că suprafața de alunecare AB coincide cu limita straturilor de adsorbție și difuze. Cu o creștere suficientă a concentrației electrolitului indiferent, poate să apară o stare în care stratul difuz dispare și particula coloidală devine neutră din punct de vedere electric, adică apare o stare izoelectrică - starea particulei coloidale, în care potențialul electrokinetic (ζ) este zero, are loc coagularea. Formula micelară în această stare devine:
Coagularea neutralizării are loc atunci când un sol electrolit ne-indiferent este adăugat la sol. Electrolitul este capabil să schimbe potențialul electrokinetic (ζ) cuplat liniar de fază (φ), adică electrolitul, care nu este diferit. acest electrolit conține ioni care pot fi adsorbiți în mod specific pe suprafața agregatului, își completează grilele de cristal sau interacționează chimic cu ionii determinanți potențiali. Mecanismul de neutralizare se realizează numai atunci când încărcarea particulelor este scăzută. În acest caz, straturile contra ionice sunt mici și este posibilă adsorbția directă a ionilor de coagulare pe suprafața particulei, adică neutralizează ionii determinanți potențiali, reducând potențialul termodinamic și, în consecință, potențialul ξ.
Coagularea neutralizării este observată, de exemplu, prin adăugarea de K2S la o soluție AgI coloidală cu particule coloidale încărcate pozitiv. Între anionii coagulatori și ionii de Ag + care determină potențialul, se produce o reacție cu formarea unui compus slab aglomerat Ag2S, care conduce la distrugerea micelului Agl:
Ca urmare a legării potențial determină numărul de ioni și contraionii necesare pentru compensarea de încărcare a suprafeței nucleului este redusă, ceea ce duce la scădere potențial interfaciale și deci zeta - (. Fig) potențial până la zero.
Fig. Variația potențialelor φ și ζ cu adăugarea unui electrolit neindiferent.
ζ0). Apoi, după atingerea adsorbție maximă a ionilor potențiali care determină se va produce comprimarea stratului difuz, ceea ce duce la o reducere a zeta - potențial (ca în cazul acțiunii electrolitului de suport) și, după ce a atins valoarea critică pentru coagularea sistemului coloidal.
Coagularea în unele cazuri este reversibilă. Un proces reversibil, în care coagulul se transformă din nou într-o stare coloidală, se numește peptizare sau dezagregare. Peptizarea este cu atât mai probabil că a trecut mai puțin timp de la coagulare. Spalarii poate provoca coagulum coagulare de excesul electrolit de apă sau electrolit adăugarea care conține ioni potențiali care determină, datorită adsorbției care crește încărcătura suprafeței particulelor. În ambele cazuri, dezagregarea apare datorită unei creșteri a energiei de respingere a particulelor datorită creșterii grosimii stratului difuz sau a potențialului interfacial.
Abilitatea de a coagula este cea mai caracteristică a tuturor sistemelor coloidale tipice și are o mare importanță practică în biologie, geologie, agricultură, tehnologie.
Toți electroliții puternici adăugați la sol în cantitate suficientă îl determină să coaguleze.
Concentrația minimă a electrolitului, care determină coagularea solului pe o perioadă scurtă de timp, se numește pragul de coagulare.
Pragul de coagulare poate fi calculată din concentrația electrolitului coagulant C, cantitatea de electrolit adăugat V, și volumul soluției Vzolya (tipic 10 ml):
Inversa pragului de coagulare () se numește capacitatea de coagulare a electrolitului. Prin urmare, cu cât pragul de coagulare este mai mic, cu atât este mai mare capacitatea de coagulare a electrolitului.
efect coagulante nu are toate electrolit, ci numai taxa de ioni este același semn ca și încărcătura de contraioni micelii sol lyophobic (coagulante taxa ion opus sarcina particulelor coloidale). Acest ion este denumit coagulant ionic.
Capacitatea de coagulare a ionului coagulant este mai mare, cu atât este mai mare sarcina ionului. Cantitativ, acest model este descris de regulă empirică Schulze - Hardy, link ca fiind teoretic justificată între debitări și coagulante pragul de coagulare ionic dă teoria Deryagina - Landau:
În conformitate cu ecuația 17, raportul dintre pragurile de coagulare pentru ionii unu, doi și trivalenți este egal cu (regula valorii):
În consecință, capacitatea de coagulare a ionului triplu-încărcat este de 729 ori mai mare decât capacitatea de coagulare a ionului singular încărcat.
În prezent, instalate abateri de la normele Schulze - Hardy - Deryagina - Landau (de obicei, de valență). În plus față de coagulare încărcare prag influențează raza coagulante capacității de adsorbție de ioni și hidratare, precum natura ionului de coagulare concomitentă.
În cazul ionilor multipli încărcați, este posibil, de asemenea, un efect, cum ar fi schimbul de sarcină al particulelor, Schimbarea semnului încărcării și a potențialului particulei coloidale. Ionii adăugați pot fi înlocuiți cu contraioni, înlocuindu-i atât în straturile difuze, cât și în straturile de adsorbție. Astfel, dacă ionul cu sarcină multiplă este suficient de mic (de exemplu, Al3 +, TH4 +, etc.), se înlocuiește suprafața particulelor (în stratul de adsorbție) cantitatea neechivalente din taxa de foști ioni (sverhekvivalentnaya adsorbție). De exemplu, în loc de unul sau doi ioni K +, ionul Th4 + se poate dovedi a fi. Prin urmare, la o concentrație suficient de mare de astfel de ioni, sarcina creată de ele pe suprafață poate deveni mai mare în valoare absolută decât sarcina ionilor determinanți potențiali. Aceasta înseamnă o schimbare a semnului de încărcare și potențial. Acum, astfel de ioni devin potențial determinanți (în loc de cei precedenți) și alte contraioni sunt orientați în jurul particulei.
Acțiunea aditivă a electroliților (linia 1, figura). Electroliții acționează ca și cum ar fi independenți unul de altul, acțiunea lor totală fiind compusă din efectele fiecăruia dintre electroliți. Dacă - concentrația primului electrolit, atunci pentru coagularea solului, concentrația celui de-al doilea electrolit ar trebui să fie egală cu. Additivitatea este de obicei observată atunci când capacitatea de coagulare a ambilor electroliți este similară.
Fig. Acțiunea coagulantă a doi electroliți.
Sinergia acțiunii (linia 2). Electroliții par să contribuie unul la celălalt - necesită mai puțin coagulare decât este necesar în conformitate cu regula aditivității (
^ Antagonismul acțiunii (linia 3). Electroliții par să se contracareze reciproc și, pentru coagulare, ar trebui să fie adăugați mai mult decât este necesar de regula aditivității. Unul dintre motivele fenomenului de antagonism este interacțiunea dintre ioni.
Protecția coloidală se numește creșterea stabilității agregate a solului prin introducerea în el a unui DIU (un compus cu un conținut ridicat de moleculă înaltă) sau a unui surfactant (surfactant). Acțiunea protectoare a acestor substanțe este asociată cu formarea unui anumit strat de adsorbție pe suprafața particulelor coloidale. Surfactanții cu structură asimetrică a moleculelor sunt orientați vertical în stratul de suprafață. DIU-urile cu grupuri polar distribuite orizontal se adsorbesc orizontal la suprafață, formând o rețea în jurul particulelor coloidale. Stratul de protecție rezultat împiedică lipirea particulelor de fază dispersată.