Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 15 из 68)
(водоподготовка, очистка сточных вод).
Структурной единицей коллоидной системы является мицелла (см. Рис.3.1), а входящая в неѐ частица дисперсной фазы носит название коллоидной частицы. Коллоидная частица состоит из ядра, которое образуют частицы малорастворимого вещества. Ядро адсорбирует из дисперсной среды ионы родственной ядру природы. Эти ионы называются зарядообразующими, или потенциалопределяющими, их химическая природа близка природе ядра коллоидной частицы. Ядро коллоидной частицы с адсорбированными зарядообразующими ионами притягивает к себе из дисперсионной среды ионы противоположного знака (противоионы). В состав коллоидной частицы входит только часть имеющихся в системе противоионов (их называют связанными), которые образуют адсорбционный слой. Другая часть противоионов остается в дисперсионной среде, в жидкой фазе, образуя диффузный слой. Эти противоионы называются свободными. Противоионы адсорбционного и диффузного слоев находятся в состоянии динамического равновесия адсорбции – десорбции.
Рис. 3.1. Строение мицеллы йодида серебра
Ядро совместно с адсорбционным слоем противоионов является коллоидной частицей. Электрический заряд коллоидной частицы равен сумме зарядов потенциалопределяющих ионов и ионов адсорбционного слоя. Этот заряд, возникающий на коллоидной частице, приводит к возникновению потенциала, который называется ξ (дзета)- потенциалом. Коллоидная частица ведет себя в растворе как единое целое. Эта частица вместе со свободными противоионами диффузного слоя, которые сообщают заряд дисперсионной среде, образуют мицеллу – структурную единицу коллоидного раствора.
Суммарный заряд мицеллы в силу электронейтральности равен нулю. Знак ξ – потенциала коллоидной частицы зависит от состава дисперсионной среды в момент образования дисперсной фазы системы. Например, если система получена методом конденсации при медленном вливании разбавленного раствора нитрата серебра в более концентрированный раствор йодида калия в соответствии со следующей реакцией обмена: AgNO3(разб) + KCl(конц) → AgCl(крист) + KNO3, то на ядре, состоящем из кристаллов йодистого серебра, адсорбируются йодид-ионы, входящие в состав образующихся кристаллов йодистого серебра и присутствующие в системе в момент образования этих кристаллов в избытке. Йодид-ионы будут в данном случае потенциалопределяющими (зарядообразующими) и ξ – потенциал будет отрицательным. Если же порядок смешения растворов сменить на противоположный, то в момент образования кристаллов йодистого серебра в растворе в избытке будут находиться ионы серебра, входящие в состав кристаллов. Они и будут потенциалопределяющими, и в этом случае ξ–потенциал окажется положительным. Следовательно, химический состав мицеллы зависит от многих факторов и записывается полуколичественно, что позволяет составить общее представление о свойствах коллоидной системы. В формуле указывают качественный химический состав ядра, состав коллоидной частицы с потенциалопределяющими ионами и адсорбционным слоем противоионов и состав диффузного слоя мицеллы.
Например, положительно заряженный коллоидный раствор (золь) йодида серебра имеет мицеллу следующего состава: {[(AgJ)m∙nAg+∙xNO3-](п-х)+∙n-x)NO3-}
Отрицательно заряженный золь йодида серебра имеет мицеллу вида: {[(AgJ)m∙nJ-∙xK+] (п-х)-∙(n-x)K+}
где m – число молекул йодида серебра в ядре; n и x - количество потенциалопределяющих ионов и противоионов в адсорбционном слое частицы; (n-x) – число противоионов в диффузном слое мицеллы. На Рис. 3.1. показано схематическое строение мицеллы йодида серебра с положительно заряженной коллоидной частицей.
При добавлении раствора сульфата алюминия к раствору хлорида бария можно получить золь сульфата бария (нерастворимой соли) с положительно заряженной коллоидной частицей, так как в растворе имеется избыток катионов бария. Строение такой мицеллы сульфата бария можно выразить схемой:
{[(BaSO4)m∙nBa2+∙2(n-x)Cl-] 2x+∙2xCl-}
3.3. Свойства коллоидных систем
Коллоидные системы можно разделить на лиофобные и лиофильные. Лиофобные коллоидные системы необратимо взаимодействуют с дисперсионной средой, что приводит к их коагуляции. Такие системы очень чувствительны к коагулирующему воздействию электролитов. Лиофильные коллоидные системы нечувствительны к электролитам, так как дисперсная фаза таких систем обратимо взаимодействует с дисперсионной средой, что приводит к пептизации системы.
К важнейшим свойствам коллоидных систем относится их опалесценция (свечение, или эффект Тиндаля), вызванный дифракцией световых лучей на коллоидных частицах. Это свойство коллоидных растворов позволяет отличать их от истинных растворов. Если поместить дисперсную систему в электрическое поле, наблюдается явление, известное под названием электрофореза. Частицы дисперсной фазы (глина) и дисперсионной среды (вода) при наличии разности потенциалов движутся в противоположных направлениях. Электрофорезом называется перемещение в электрическом поле частиц дисперсной фазы; перемещение дисперсионной среды называется электроосмосом. Электрофорез используют для обезвоживания нефти, в производственных процессах (воздушные электрофильтры, покрытия), в медицинской практике для введения в организм коллоидных лекарственных препаратов и т.д. Электроосмос используется при опреснении воды (обратный осмос), при электроосушении и очистке лекарственных препаратов, для дубления кожи и пр.
При объяснении свойств коллоидных систем необходимо учитывать наличие в них поверхности раздела фаз, на которых могут происходить различные явления. На границе раздела жидкости и твѐрдого тела (а также жидкости и еѐ насыщенного пара или двух несмешивающихся жидкостей) в результате различного молекулярного взаимодействия в соприкасающихся фазах, в поверхностном слое жидкости появляется поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение δ зависит от свободной поверхностной энергии F и площади поверхностного слоя S:
, (3.1) 
где F - изменение свободной поверхностной энергии, а S -изменение площади поверхностного слоя.
Снижение поверхностного натяжения достигается введением в жидкость поверхностно-активных веществ (ПАВ) - мыл или моющих средств, которые адсорбируются на поверхностях раздела и уменьшают свободную поверхностную энергию. Молекулы большинства ПАВ обладают дифильным строением, т.е. содержат как полярную группу, так и неполярный углеводородный радикал.
Расположение таких молекул в поверхностном слое энергетически наиболее выгодно при условии ориентации молекул гидрофильной полярной группой к полярной фазе (полярной жидкости), а гидрофобной неполярной группой– к неполярной фазе (газу или неполярной жидкости). Поэтому соединения с гидрофобной поверхностью, плохо смачиваемые водой, концентрируются в виде плѐнки на границе раздела фаз. Это явление называется флотацией и используется, например, для извлечения металлов из руд. При малой концентрации раствора тепловое движение нарушает ориентацию молекул ПАВ; при повышении концентрации происходит насыщение адсорбционного слоя и на поверхности раздела фаз образуется слой вертикально ориентированных молекул ПАВ. Образование такого мономолекулярного слоя соответствует минимальной величине поверхностного натяжения раствора ПАВ и максимальному значению адсорбции; при дальнейшем увеличении концентрации ПАВ в растворе поверхностное натяжение и адсорбция не изменяются.
На границе раздела двух фаз может иметь место явление сорбции. Сорбция – это концентрирование или сгущение одного вещества в другом веществе, или поглощение одного вещества (например, газа) другим (например, жидкостью или твѐрдым телом). Адсорбцией называется поглощение вещества поверхностным слоем жидкости или твѐрдого тела. Абсорбция подразумевает распределение поглощаемого вещества по всему объѐму поглощающего вещества. Поглощаемое вещество называется адсорбатом, а поглощающее - адсорбентом. Десорбция – это процесс, обратный адсорбции, то есть отделение адсорбата от адсорбента. Адсорбированные частицы удерживаются адсорбентом некоторое время, которое зависит от природы адсорбента и адсорбата, температуры и давления. Со временем интенсивность адсорбции замедляется, а скорость процесса десорбции возрастает. Адсорбционным равновесием называется такое состояние системы «адсорбент-адсорбат», при котором скорости процессов адсорбции и десорбции сравниваются. При физической адсорбции адсорбционные силы имеют ту же природу, что и силы межмолекулярного взаимодействия в газах, жидкостях и твѐрдых телах. При химической адсорбции (хемосрбции) молекула адсорбата образуют химическое соединение с адсорбентом. Физическая сорбция, в отличие от химической, обладает невысоким тепловым эффектом и обратимостью.