Химия коллоидных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХИМИЯ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ

1. Классификация дисперсных систем

Приведенная цитата - это название книги об основах коллоидной химии, опубликованной В. Оствальдом в 1914 году. Ученый хотел подчеркнуть, что, во-первых, коллоидальное состояние вещества является функцией величины частиц, а, во-вторых, тот факт, этой области химии и физики уделяют недостаточно внимания.

Коллоидная химия - химия дисперсных систем. Дисперсными называются системы, состоящие из измельченных частиц одной фазы, распределенных в другой. Та фаза, которая распределена в виде мелких частиц, называется дисперсной фазой, а другая, сплошная фаза - дисперсионной средой.

Название “коллоиды” (от греч. ”колла”- клей) впервые ввел английский химик Томас Грэм в 1861 году. Подобные вещества изучали и раньше. Но долго коллоиды рассматривали либо в виде больших молекул, либо в виде множества сцепившихся друг с другом молекул, либо в виде тонких осадков.

Таблица 1. Классификация дисперсных систем по величине частиц

Тип системы	Диаметр частиц, см	Число атомов в молекуле	Характеристика
Грубодисперсные	> 10-2	>109	Видны невооруженным глазом
Микрогетерогенные	10-2 - 10-5		Видны в микроскоп
Коллоидные	10-5 - 10-7	103 - 109	Видны в ультрамикроскоп
Ионные и молекулярные	< 10-7	1 - 103

Особые свойства характерны для коллоидной дисперсии (диаметр частиц 10^-5 - 10^-7 см), и именно это состояние является основным объектом изучения коллоидной химии.

Отметим, что система приобретает коллоидные свойства даже тогда, когда хотя бы одно из измерений находится в указанной области высокой дисперсности. К такому типу систем относятся пленки, тонкие пластины (толщиной 10^-6 см), поверхностные слои на границах фаз в порах катализаторов, пенах, эмульсиях и т.п.

Таблица 2. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

№	Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Обозначение системы	Тип системы	Примеры
1.	Жидкость	Тв. в-во	Т/ж	Суспензии, золи	Взвесь в природных водах; золи металлов в воде; бактерии
2.	Жидкость	Жидкость	Ж/ж	Эмульсии	Молоко, смазки, сырая нефть, растворы ПАВ в воде
3.	Жидкость	Газ	Г/ж	Пены	Мыльная пена, взбитые белки,
4.	Тв. в-во	Тв. в-во	Т/т	Твердые коллоиды	Минералы, некоторые сплавы (сталь, чугун), самоцветы
5.	Тв. в-во	Жидкость	Ж/т	Гели, пористые тела, капиллярные системы	Адсорбенты, влажный грунт, некоторые минералы (жемчуг, опал)
6.	Тв. в-во	Газ	Г/т	Ксерогели, пористые и капиллярные системы	Порошки, осевшая пыль, активные гели, пемза, хлеб, пенопласт, древесина, ткани, кожа, бумага
7.	Газ	Тв. в-во	Т/г	Аэрозоли (пыль, дым)	Табачный дым, взвешенная пыль, космическая пыль
8.	Газ	Жидкость	Ж/г	Аэрозоли (туманы)	Туман, кучевые облака, тучи, распыленная вода
9.	Газ	Газ	Г/г	Системы с флуктуациями плотности	Атмосфера Земли

Основной признак дисперсионной среды - непрерывность. Так, для пены, содержащей менее 1 % (об.) воды (остальное - воздух) дисперсионной средой является вода, т.к. по водным пленкам можно пройти из одной точки в любую другую, а по газовой фазе непрерывного пути нет. А в капиллярно-пористых телах этому условию удовлетворяют обе фазы.

3. По структуре различают свободнодисперсные (1, 2, 7, 8, 9) и связнодисперсные системы (4, 5, 6). Промежуточное положение занимают пены (3).

4. По межфазному взаимодействию различают лиофильные (лио - растворяю, филео - люблю, т.е. любящий растворение) и лиофобные (лио - растворяю, фобос - страх, т.е. боящийся растворения) дисперсные системы.

Для лиофильных характерно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой, а для лиофобных - слабое.

Так, мыла, многие глины самопроизвольно "распускаются в воде".

К коллоидным системам относятся и растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), состоящие из гигантских молекул, по размеру соизмеримых с коллоидными частицами.

А каковы же размеры частиц дисперсной фазы?

Таблица 3. Размеры частиц дисперсной фазы некоторых образцов

Дисперсная фаза	Размер частиц, (1 мк = 10-6 м = 10-4 см) (1 нм = 10-9 м = 10-7 см)
Грунты
Песчаные	> 50 мк = 510-3 см
Пылеватые	1 - 50 мк
Эритроциты крови человека	7 мк
Кишечная палочка	3 мк
Вирус гриппа	0,1 мк = 10-5 см
Муть в природных водах	10 - 100 нм
Дым (древесный уголь)	30 - 40 нм
Вирус ящура	10 нм
Тонкие поры угля	1-10 нм
Поверхность Венеры (пыль)	0,1 - 10 мк
Молекула гликогена	10 нм

Основная особенность дисперсных систем состоит в том, при уменьшении размеров частиц, а особенно при коллоидной дисперсии резко увеличивается площадь поверхности частиц.

Рассмотрим такой пример.

У нас имеется образец твердого вещества, имеющий форму куба с ребром, равным 1 см. Его поверхность составляет S = 6 см².

Разделим этот кубик на 1000 одинаковых кубиков с ребром 0,1 см, тогда суммарная площадь поверхности составит S = 100060,1² = 60 см².

Если же разделить наш образец на одинаковые кубики с ребром 10^?6 см (т.е. размер частиц коллоидного размера), то таких кубиков окажется 10¹⁸, а площадь поверхности S = 10¹⁸6(10^?6)² = 610⁶ см² = 600 м².

Приведенный пример показывает, что площадь поверхности вещества существенно зависит от размеров его частиц.

Коллоиды широко распространены в природе (почвы, глины, дым, пыль, воздух, облака, минералы). Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. Такие биологические жидкости как кровь, плазма, лимфа, представляют собой коллоидные системы, в которых ряд веществ, например, белки, холестерин, гликоген находятся в коллоидном состоянии. Известно изречение русского ученого И.И. Жукова: “Человек - ходячий коллоид”.

Важнейшие пищевые продукты - хлеб, молоко, масло - коллоидные системы. От величины капелек жира зависит скорость их всасывания через стенки органов пищеварения. Именно поэтому тонко раздробленный жир сливочного масла усваивается организмом лучше, чем жир в сплошной массе, например, сало.

В медицине широко используются лекарственные вещества в виде коллоидных систем - суспензии, эмульсии, мази, кремы, пасты, аэрозоли.

Жировые эмульсии применяются для энергетического обеспечения голодающего или ослабленного организма. Их готовят на основе хлопкового, оливкового, соевого масла.

Существенную роль играют коллоиды в промышленности, при добыче и переработке нефти, в производстве строительных материалов, в текстильной, лакокрасочной и пищевой промышленности.

2. Способы получения коллоидов

Для получения коллоидов необходимо:

достаточно малая растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде;

определенная степень дисперсности (10^-5 - 10^-7 см);

наличие в системе стабилизатора, препятствующего слипанию коллоидных частиц (это электролиты или ВМС).

Существует два основных метода получения коллоидов: дисперсионный и конденсационный.

Дисперсионные методы

1. Механическое дробление в шаровых или коллоидных мельницах, где материал вместе с дисперсионной средой и стабилизатором дробится и истирается.

В природе дисперсионный метод получения коллоидов реализуется, например, при извержениях вулканов. Известно, что извержение вулкана Кракатау в Индонезии в 1883 году вызвало выброс в атмосферу 16 км³ расплавленной лавы, камней, грязи и пыли. При этом образовалось большое количество коллоидных частиц, и из-за них в течение нескольких лет наблюдались солнечные закаты удивительной окраски.

2. Электрическое распыление в вольтовой дуге. Для этого два электрода из металла, золь которого хотят получить, погружают в жидкость с добавленным стабилизатором, и пропускают электрический ток. Электроды сближают для получения вольтовой дуги, металл при этом испаряется и конденсируется в жидкости, образуя золь. Этим методом получают золи серебра, золота, платины.

Аналогично получают фуллерены в присутствии лекарственных веществ.

3. Действие ультразвука. Высокочастотные механические колебания (от 20 000 до 1 000 000 колебаний в секунду), которые получают с помощью специальных генераторов. Разрывающие усилия возникают как вследствие чередующихся локальных сжатий и расширений, так и образования, и лопания пузырьков при локальных растяжениях жидкости. При этом развиваются локальные избыточные давления порядка тысяч атмосфер. Так получают золи серы, гипса, графита, гидроксидов металлов.

4. Метод пептизации заключается в раздроблении свежеприготовленных рыхлых осадков на отдельные коллоидные частицы при добавлении небольшого количества электролита - пептизатора.

Пептизация имеет биологическое значение: рассасывание камней в почках и печени, атеросклеротических бляшек, тромбов.

Конденсационные методы

Различают физические и химические конденсационные методы образования коллоидов.

К физическим методам относят образование туманов, облаков, дыма, а также метод замены растворителя, в котором вещество хорошо растворимо, на растворитель, в котором данное вещество мало растворимо. Так, например, спиртовой раствор духов или одеколона в воде образуют белую взвесь (суспензию).

В основе химических конденсационных методов лежат химические реакции (окисления, восстановления, гидролиза, обмена), приводящие к образованию труднорастворимых веществ в присутствии тех или иных стабилизаторов.

Например, в формировании структуры почв играет большую роль золь оксида кремния, который образуется при гидролизе силикатов:

Na₂SiO₃ + H₂O = SiO₂ + 2NaOH.

Получение дымовых и туманных завес в военном деле осуществляется посредством гидролиза хлорида кремния (или титана):

SiCl₄ + 2H₂O = SiO₂ + 4HCl.

3. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение

Как было уже отмечено, своеобразие дисперсных систем определяется большой поверхностью дисперсной фазы и физико-химическим взаимодействием дисперсной фазы и дисперсионной среды на границе раздела фаз.

Граница раздела фаз, поверхность раздела, отличается по термодинамическим параметрам от обеих фаз. На поверхности раздела фаз имеют место поверхностные явления - поверхностное натяжение, адсорбция и др.

Поверхностный слой, возникающий на границе различных фаз, следует рассматривать как самостоятельную фазу толщиной в несколько молекул. В отдельных случаях поверхностный слой имеет толщину, равную диаметру молекулы, и его называют мономолекулярным.

Молекулы, ионы, атомы, находящиеся на границе раздела фаз, не равноценны тем же частицам, находящимся в объеме фазы. Внутри объема фазы все силы, действующие на молекулы, одинаковы и их равнодействующая равна нулю. Поверхностный слой обладает нескомпенсированными силами и, в итоге, избыточной поверхностной энергией.

Поверхностная энергия - это потенциальная энергия межфазовой поверхности.

Все возможные поверхности раздела в зависимости от агрегатного состояния граничащих фаз делят на подвижные поверхности раздела (газ - жидкость, жидкость - жидкость); неподвижные поверхности раздела (твердое вещество - газ; твердое вещество - жидкость; твердое вещество - твердое вещество).

Поверхностная энергия Гиббса G_s системы пропорциональна межфазной поверхности.

В живых системах величина поверхностной энергии очень велика. Так, поверхность кожи человека составляет 1,5 м², а поверхность эритроцитов имеет величину 3000 м². Трудно оценить величину суммарной поверхности, разделяющей все клетки организма, если учесть, что их общее число составляет примерно 10¹⁴, а к ним еще следует добавить микроорганизмы кишечной флоры, количество которых больше, чем общее число клеток организма.

Для систем жидкость - газ, жидкость - твердое вещество

G_s = S, где

- коэффициент пропорциональности, называемый поверхностным натяжением. Его величину измеряют в кДж/м² ил в Дж/см².

Поверхностное натяжение - величина, измеряемая энергией Гиббса, приходящейся на единицу площади поверхностного слоя.

Факторы, влияющие на поверхностное натяжение

1. Характер жидкости.

Таблица 4. Поверхностное натяжение жидкостей на границе с воздухом (298 К)

Жидкость	, кДж/м2	Жидкость	, кДж/м2
Ртуть	0,48	Глицерин	0,065
Вода	0,073	Этанол	0,022
Плазма крови	0,045	Растительное масло	0,033

Поверхностное натяжение возрастает с увеличением взаимодействия между молекулами жидкости. Так, вещества, для которых характерны водородные связи, обладают большим значением поверхностного натяжение. К таким веществам относится, в первую очередь, вода.

2. Температура. С увеличением температуры уменьшается, а при критической температуре становится равным нулю, т.к. поверхность раздела фаз исчезает.

3. С увеличением давления уменьшается (на границе раздела газ - жидкость), т.к. концентрация газа возрастает, увеличивается взаимодействие газа с молекулами поверхностного слоя и поверхностная энергия уменьшается.

4. Растворенные вещества могут повышать, понижать и вообще не влиять на .

4.1. Растворенное вещество понижает растворителя (_{раствора} < ₀). Такие вещества называют поверхностно-активными веществами (ПАВ). В этом случае поверхностная энергия понижается. Концентрация ПАВ значительно выше на поверхности, чем в объеме раствора.

4.2. Растворенное вещество повышает растворителя (_{раствора} > ₀). Это поверхностно-инактивные вещества (ПИВ). По отношению к воде ПИВ - сильные электролиты (кислоты, гидроксиды, соли), сильно полярные органические соединения (глицерин, аминокислоты). Концентрация растворенных веществ больше в объеме раствора, чем у поверхности.

4.3. Поверхностно-неактивные вещества (ПНВ) не изменяют поверхностного натяжения (_{раствора} = ₀). У таких веществ (например, сахароза и другие углеводы) одинаковы объемные и поверхностные концентрации.

Наиболее широко используются и биологически значимы ПАВ - поверхностно-активные вещества.

Молекулы поверхностно-активных веществ дифильны, т.е. содержат одновременно полярную группу (-ОН, -СООН, -NН₂, -SО₃Н и др.) и неполярную углеводородную цепь. Концентрируясь на границе раздела вода - воздух, дифильные молекулы ориентируются своими полярными группами в воду, а неполярные углеводородные радикалы выталкиваются в воздух, тем самым достигается уменьшение поверхностного натяжения.

В присутствии ПАВ увеличивается площадь контакта капли воды с горящей поверхностью, что приводит к увеличению огнетушащей эффективности воды. В присутствии ПАВ (смачивателей) вода легче проникает в волокнистые и пористые материалы (хлопок, торф, сено, ткань). У готового к применению водного раствора пенообразователя поверхностное натяжение не должно превышать 0,037 кДж/м². Опытные данные показывают, что использование смачивателей повышает огнетушащую эффективность воды в 1,5 - 2 раза, сокращает время тушения.

ПАВ обладают моющим действием, которое заключается в следующем. По преимуществу частицы загрязняющих веществ (например, жира) гидрофобны и, следовательно, не смачиваются водой. Поэтому чистая вода обладает слабым моющим действием. Если применить ПАВ, его молекулы адсорбируются на частицах грязи, ориентируясь гидрофобными участками к его молекулам, а гидрофильными - к молекулам воды.

Поскольку вода будет находиться в контакте только с полярными группами, которые легко ассоциируются с ней, частицы загрязняющих веществ окажутся растворенными в воде и будут легко смываться ею. В результате молекулы ПАВ постепенно проникают между очищаемой поверхностью и частицами загрязнителя. Это явление называется расклинивающим эффектом. В итоге частицы грязи отделяются от загрязненной поверхности.

Наличие поверхностной энергии на границе раздела газовой жидкой и твердой фаз используется в промышленном процессе, который называется флотацией.

Целью этого процесса является разделение компонентов твердых смесей, например, руд металлов. Руду размалывают до размера частиц примерно 0,1 мм, а затем размешивают в воде, куда добавляют по меньшей мере два поверхностно-активных вещества.

Одно из этих веществ называется собирателем или коллектором - оно изменяет поверхностное натяжение воды таким образом, чтобы вода смачивала ненужные твердые вещества и лишь частично смачивала ценную породу.

Второе ПАВ называется пенообразователем и добавляется для получения неустойчивой пены при пропускании через водную смесь потока воздуха. Пузырьки воздуха подхватывают ценные компоненты руды и поднимаются наверх, и это позволяет получить обогащенную смесь. А ненужные компоненты остаются в растворе, и затем могут быть удалены.

Поверхностной пленкой называется такой поверхностный слой, отдельные компоненты которого (хотя бы один) отсутствуют в объемных фазах. Более всего распространены пленки нерастворимых веществ на поверхности воды и водных растворов.

Методы получения поверхностных пленок были разработаны около 4000 лет тому назад (Вавилон, Ассирия, Египет). Связаны они были, главным образом, со способностью масла гасить морские волны, известной еще Плинию старшему и Плутарху. В 18 веке впервые были проведены и измерения толщины пленок и площади растекания. Установлено, что 1 чайная ложка масла растекается на площадь 2000 м². Измеренная скорость растекания составляет 20 см/с.

Из современных применений наиболее важным является нанесение пленки на поверхность воды с целью предотвращения высыхания водных бассейнов (озер). В США озеро Онтарио покрыто сплошной пленкой гексадеканола, Рэтлейк - додеканола. Из сплошной пленки скорость испарения воды уменьшается на 60 - 90 %, что дает экономию более 500 т воды в секунду для Запада США (где испаряется около 210¹⁰ т/г). Установлено, что наличие пленки не влияет на равновесие вода - пар или кислород (воздух) - кислород (вода), но существенно изменяет на 3-4 порядка кинетику испарения.

В практике тушения нефтепродуктов используются пленкообразующие пенообразователи. Такие вещества как, например, пенообразователь «Подслойный» способны самопроизвольно формировать на поверхности углеводородов водную пленку, которая предотвращает поступление паров воды в зону горения. Этот эффект достигается за счет резкого понижения поверхностного натяжения воды до величины порядка 0,015 - 0,018 кДж/м².

4. Сорбционные процессы

Наличие несбалансированных сил на поверхности дисперсной фазы определяет наличие взаимодействия таких поверхностей с прилегающими к ним фазами.

Сорбцией (от лат. “sorbeo” - поглощаю) называют любой процесс поглощения одного вещества другим (сорбентом).

В зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию. абсорбцию и хемосорбцию.

Адсорбцией называют изменение концентрации вещества на границе раздела фаз. Другими словами, адсорбция - поглощение поверхностью вещества.

Поверхностная адсорбция играет чрезвычайно важную роль в механизме действия многих катализаторов. Именно на твердых катализаторах адсорбируются молекулы и затем реагируют друг с другом.

Адсорбция газов твердыми телами играет большую роль в процессах газообмена организма с окружающей средой. Сорбция газов и паров на твердых поверхностях используется в системах автономной очистки воздуха (системы жизнеобеспечения в замкнутых пространствах подводных лодок и космических кораблей, а также в противогазах).

Первый противогаз для защиты от ядовитых газов - противогаз Куманта - Зелинского - Авалова - был изобретен в России в годы первой мировой войны, что спасло жизнь русским солдатам.

Инженер Кумант предложил резиновую маску, к которой прикреплялся сам противогаз. Великий русский химик Николай Дмитриевич Зелинский предложил в качестве сорбента использовать активированный березовый уголь. А инженер Авалов изобрел клапан, облегчающий дыхание в противогазе.

Активированный уголь - чрезвычайно эффективный адсорбент с развитой поверхностью. Установлено, что 50 см³ такого угля могут поглотить до 950 см³ газообразных веществ.

Однако явление адсорбции кислорода и паров воды каменным углем в условиях затрудненного теплоотвода (больших штабелях) может привести к процессу самовозгорания. Адсорбция - экзотермический процесс, и при определенных условиях выделяющееся тепло может способствовать процессу окисления компонентов угля. Этот факт необходимо учитывать при оценке пожарной опасности технологических процессов хранения и транспортировки угля и других материалов, способных к самовозгоранию.

Абсорбцией называется такое поглощение одного вещества другим, которое происходит во всем объеме сорбента. Примером такого процесса является растворение газов в жидкостях.

Хемосорбцией называется поглощение одного вещества другим, сопровождающееся химическими реакциями.

Примером этого процесса может быть поглощение аммиака водой, поглощение углекислого газа оксидом кальция и др. Хемосорбированный слой более устойчив, чем адсорбированный.

На практике встречаются комбинации этих механизмов сорбции.

Хроматографические методы

Явление адсорбции лежит в основе большого класса методов выделения и концентрирования веществ - хроматографических методов.

Любую разновидность хроматографии можно определить, как физико-химический метод разделения смесей веществ, основанный на их распределении между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых является неподвижной, а другая - подвижной.

Неподвижная фаза представляет собой поверхностно-активное твердое тело или жидкость, закрепленную на поверхности инертного твердого носителя. Подвижная фаза - газ или жидкость, которые проходят через слой неподвижной фазы.

Метод был открыт в 1903 году Михаилом Семеновичем Цветом, который впервые применил его для разделения пигментов листьев растений. Один из английских ученых оценил открытие Цвета так: "был предложен новый остроумный метод химического анализа, которому предназначено оказать влияние на жизнь человечества и всего живого мира".

В адсорбционной хроматографии процесс разделения основан на различии в относительном сродстве соединений к твердому адсорбенту (неподвижная фаза), а подвижной фазой служит жидкость (колоночная адсорбционная или тонкослойная хроматография).

В распределительной хроматографии вещества распределяются между двумя жидкими фазами (жидкостная распределительная хроматография) или между неподвижной жидкой и газовой фазами (газо-жидкостная хроматография).

В жидкостной хроматографии неподвижная фаза может представлять собой пленку или слой (хроматография на бумаге или тонкослойная хроматография) или может быть диспергирована на объемном носителе (колоночная распределительная хроматография).

В основе ионообменной хроматографии лежит обратимый обмен ионов, содержащихся в растворе, на подвижные ионы ионообменников.

Особняком в ряду хроматографических методов стоит афинная или биоспецифическая хроматография. В ее основе лежит свойство высокомолекулярных и других биологически активных соединений "узнавать" в любой смеси "свои" строго определенные вещества и взаимодействовать с ними. Так, антиген "узнает" антитело, гормон - "свой" рецептор и т.д.

Основные задачи хроматографического анализа:

1. Идентификация нескольких компонентов в одном образце.

2. Удаление соединений, мешающих анализу другим методом.

3. Концентрирование компонента, присутствующего в виде следов в сложной смеси с целью его дальнейшего анализа.

4. Решение специальных задач, например, вопросов химического превращения компонентов (главным образом, токсических) в окружающей среде.

5. Молекулярно-кинетические и оптические свойства коллоидных растворов

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов принципиально не отличаются от обычных молекулярных растворов. К ним относятся: броуновское движение, диффузия и осмос.

Под действием силы тяжести все коллоидные частицы оседают в растворе. Этот процесс называют седиментацией. Его скорость находится в прямой зависимости от размера частиц. Естественно, более крупные частицы оседают быстрее, чем мелкие.

При рассматривании коллоидного раствора в проходящем свете он кажется совершенно прозрачным. Если луч света направлен на коллоидный раствор сбоку, то его путь будет обнаруживаться на темном фоне в виде светящегося конуса, получившего название конуса Тиндаля.

В основе явления Тиндаля лежит рассеяние видимого света коллоидными частицами, которое связано с размерами коллоидных частиц и длиной волны падающего света. Частицы более крупные, чем световые волны (10^-3 - 10^-6 м), отражают их; очень мелкие частицы - молекулы и ионы низкомолекулярных веществ (10^-10 м) пропускают свет; частицы, размеры которых соизмеримы с длиной полуволны r = /2, а именно такими являются коллоидные частицы, рассеивают свет во все стороны: световые волны, наталкиваясь на подобные частицы, огибают их, и луч отклоняется от прямой линии (явление дифракции света).

По закону Рэлея, интенсивность рассеянного света (I) обратно пропорциональна четвертой степени волны падающего света:

,

где I - интенсивность рассеянного света;

I₀ - интенсивность падающего света;

К - константа, зависящая от коэффициентов преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды;

- число частиц в 1 см³ золя (частичная концентрация);

V - объем отдельной частицы;

- длина волны падающего света.

Из этого уравнения следует, что короткие волны (синяя и фиолетовая часть спектра) рассеиваются сильнее, чем длинные волны (желто-оранжевая часть спектра). Следовательно, если исходный свет белый, то рассеянный свет обогащается коротковолновыми компонентами и приобретает голубой оттенок, характерный для многих коллоидных систем при боковом освещении. Этим объясняется голубая окраска неба. В проходящем свете остается больше длинноволновых компонентов спектра, которые и придают ему красный оттенок.

Наглядным проявлением эффекта Тиндаля является рассеяние света ночных маяков и фонарей, обусловленное наличием в воздухе коллоидных частиц пыли.

На явлении рассеяния света коллоидными частицами основана работа ультрамикроскопа, сконструированного Жигмонди, с помощью которого возможно определить размер коллоидных частиц.

Еще одним оптическим свойством коллоидных систем - золей является так называемый “эффект искрящихся слоев” (“шлирен-эффект”). Этот эффект имеет место при образовании некоторых кристаллических веществ в мелкодисперсном состоянии, когда наблюдается явление под названием “муар”.

Другое проявление этого оптического свойства коллоидов явление мерцания пластинчатых частиц можно наблюдать, например, в минерале авантюрин, а в быту - в некоторых видах перламутровых лаков.

6. Строение коллоидных частиц

Рассмотрим строение коллоидных частиц на примере золя (дисперсная система твердое вещество - жидкость).

Всякий золь состоит из мицелл, которые составляют дисперсную фазу золя и дисперсионной среды, в состав которой входят растворитель и растворенные в нем электролиты и неэлектролиты.

Мицелла имеет сложное строение. Она состоит из яда, окруженного двойным электрическим слоем. Ядро составляет основную массу мицеллы и представляет собой агрегат из атомов или нейтральных молекул (обычно их число огромно - несколько сотен или тысяч). Ядро имеет кристаллическое строение.

Ядро окружено двойным электрическим слоем, который в свою очередь состоит из адсорбционного и диффузного слоев.

На ядре адсорбируются те ионы, которые входят в состав кристаллической решетки ядра. Они называются потенциалопределяющими ионами.

Они сообщают ядру заряд, вследствие чего вокруг ядра начинают группироваться противоионы, часть из которых располагается близко к ядру и вместе с потенциалопределяющими ионами образует адсорбционный слой.

Ядро + адсорбционный слой образуют гранулу, заряженную вследствие неполной компенсации заряда потенциалопределяющих ионов.

Остальные противоионы распределяются в дисперсионной среде диффузно, т.е. их концентрация по мере удаления от поверхности частицы убывает.

Гранула + диффузный слой противоионов составляют мицеллу. Мицелла электронейтральна.

Электролит, один из ионов которого адсорбирован на ядре, называется стабилизатором (обычно это электролит, который взят в избытке), он сообщает устойчивость коллоидным частицам.

Рассмотрим строение мицелл золя AgI. Его можно получить по реакции: KI + AgNO₃ = AgI + KNO₃. В зависимости от того, какой реагент взят в избытке, заряд золя будет разный.

7. Электрокинетические свойства коллоидных растворов

Электрокинетическими называются процессы, возникающие в гетерогенной системе при относительном перемещении двух фаз с участием электрического тока. Открыты эти процессы русским ученым Ф.Ф. Рейссом в 1807 году.

Причина электрокинетических явлений - существование двойного электрического слоя и легкость смещения гранулы относительно диффузного слоя. При действии электрического поля мицеллы как бы разрываются на границе между адсорбционным и диффузным слоями (эта граница называется поверхностью скольжения): гранула движется к одному полюсу (электрофорез), а ионы диффузного слоя движутся к другому полюсу, увлекая за собой гидратные оболочки (электроосмос).

Электрофорез - перемещение заряженных частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля.

Электроосмос - движение дисперсионной среды относительно дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля.

Электрофорез используют для борьбы с топочными дымами, при изготовлении посуды, нанесении металлических покрытий на изделия сложных профилей.

Электроосмос применяют для интенсификации добычи нефти, для осушки и пропитки пористых материалов (например, осушка торфа, пропитка древесины), для понижения уровня грунтовых вод и т.д.

Белки, бактерии, вирусы несут заряд и потому, находясь в буферном растворе, способны двигаться под действием электрического поля, причем скорость движения зависит от размера и заряда частиц. Поэтому электрофорез чрезвычайно широко применяется в медицине и биологии.

С помощью электрофореза проводят разделение и анализ смесей макромолекул (например, белков сыворотки крови, мочи и др.). Этот метод применяется для контроля за ходом болезни, т.к. скорость электрофореза белков сыворотки крови специфична при различных патологических состояниях.

Электрофорез лекарственных веществ успешно используется при лечении многих заболеваний. Введение через неповрежденную кожу лекарственного вещества с созданием депо способствует более длительному действию его на организм больного.

Если проталкивать жидкость под давлением через капиллярную систему, на концах ее возникает разность потенциалов, получившая название потенциала протекания (или течения).

При оседании коллоидных частиц в жидкой среде также появляется разность потенциалов между нижним и верхним слоями жидкости, называемая потенциалом оседания (или седиментации).

Потенциалы протекания и оседания представляют собой один из механизмов возникновения биотоков при проталкивании крови по сосудам и могут быть зафиксированы на электрокардиограмме.

При транспортировке жидкого топлива возникают высокие потенциалы протекания и седиментации, которые могут быть причиной пожаров и взрывов.

Вся коллоидная частица обладает электродинамическим потенциалом Е, который составляет примерно 1 вольт.

Гранула имеет электрический потенциал того же знака, что и Е потенциал, но величина его меньше (50 - 100 мВ) и зависит от количества противоионов в адсорбционном слое. Потенциал гранулы называется дзета-потенциалом (-потенциалом). Его можно определить, как разность потенциалов между подвижной (диффузной) и неподвижной (адсорбционной) частью двойного электрического слоя. Чем больше заряд гранулы, тем больше дзета-потенциал, тем толще диффузный слой, который предохраняет гранулы от слипания, т.е. коагуляции, и тем более устойчива коллоидная частица.

Величина дзета-потенциала является характерной для каждого вида организмов и варьируется в очень узких пределах. Так, например, дзета-потенциал эритроцитов человека составляет 0,0168 В, обезьяны 0,0170 В, кошки 0,0178 В, крысы 0,0186 В, собаки 0,0211 В, кролика 0,0070 В.

Кроме того, дзета-потенциал различен у здоровой и воспаленной клетки, зависит от возраста клетки и наличия посторонних белков и др. веществ.

8. Устойчивость и разрушение коллоидных систем

Коллоидные растворы - это гетерогенные системы, обладающие большой свободной энергией поверхности, т.е. они термодинамически неустойчивы. Различают кинетическую и агрегативную устойчивость коллоидных систем.

Причиной кинетической устойчивости является броуновское движение, которое противодействует оседанию частиц под действием силы тяжести.

Причиной агрегативной устойчивости является наличие у частиц одноименных зарядов и сольватных оболочек, которые мешают слипанию частиц. Агрегативная устойчивость может быть определена как способность системы к сохранению дисперсности и индивидуальности частиц дисперсной фазы.

Процесс разрушения коллоидных систем связан прежде всего с потерей агрегативной устойчивости и представляет собой коагуляцию - процесс объединения коллоидных частиц в более крупные агрегаты. Коагуляты представляют собой осадки (или всплывающие образования) различной структуры - плотные, творожистые, хлопьевидные, волокнистые, кристаллоподобные.

Коагуляция наступает тогда, когда силы притяжения между частицами превышают силы отталкивания одноименно заряженных гранул.

Процесс коагуляции могут вызвать следующие факторы: изменение температуры, увеличение концентрации, механическое воздействие, облучение, добавление электролитов.

Все сильные электролиты вызывают коагуляцию коллоидного раствора при увеличении их концентрации в растворе до некоторого значения, называемого порогом коагуляции. Порог коагуляции - это минимальное количество электролита, которое надо добавить к 1 л золя, чтобы вызвать начало коагуляции за определенный промежуток времени.

Коагулирующее действие электролитов подчиняется правилу Шульце-Гарди: коагуляцию вызывают ионы с зарядом, противоположным заряду гранулы, и коагулирующая способность тем выше, чем выше заряд коагулирующего иона. Лучшим коагулятором является тот электролит, который имеет наименьший порог коагуляции для данного золя. Сильной коагулирующей способность обладают ионы двух и трехвалентных металлов.

В природе процессы коагуляции играют огромную роль в формировании структуры почв. Образование плодородных дельт в устьях рек легко объясняется тем, что электролиты морской воды вызывают коагуляцию коллоидных частиц, содержащихся в речной воде, а остановка течения способствует оседанию коагулированных агрегатов.

Решение многих проблем в медицине связано с проблемой свертывания крови. В хирургии во время операций в кровь вводят антикоагулянты (гепарин), а после операций - вещества, повышающие коагуляцию - протамин-сульфат.

С явлением коагуляции эритроцитов вследствие уменьшения их дзета-потенциала врачи постоянно имеют дело при проведении анализа на скорость оседания эритроцитов (СОЭ). Это явление объясняется тем, что при патологии в крови увеличивается содержание некоторых видов белков, место ионов электролитов на поверхности эритроцитов занимают белки, заряд которых ниже, чем у суммы замещенных ими ионов. Заряд эритроцитов понижается, они быстрее объединяются и оседают.

При добавлении некоторых высокомолекулярных веществ к золям устойчивость золей к действию электролитов увеличивается, что выражается в повышении порога коагуляции. Такое явление получило название коллоидной защиты. Защитными веществами в водной среде могут служить белки, углеводы, пектины.

Явление защиты играет большую роль в жизни организмов. Так, белки крови защищают жир, холестерин, малорастворимые соли кальция и мочевой кислоты от коагуляции и выделения их на стенках сосудов. При понижении защитной функции белков возникают заболевания: атеросклероз, подагра, образование камней в печени и почках.

9. Методы разрушения аэрозолей

Борьба с дымом - одна из важнейших задач как пожарной охраны, так и промышленных предприятий, строек, электростанций. Мероприятия по борьбе с дымом многообразны, но в них практически всегда можно выделить две стадии: уловить дисперсные частицы, т.е. отделить их от дисперсионной среды и предотвратить возможность повторного попадания частиц в дисперсионную среду.

Это значит, что надо, во-первых, обеспечить перемещение частиц относительно газа на определенное расстояние, вплоть до поверхности некоторого тела, которое назовем коллектором, и, во-вторых, обеспечить прочную фиксацию частиц на этой поверхности.

Для аэрозолей характерна незначительная агрегативная устойчивость, т.к. заряд аэрозольных частиц очень мал, и электростатический фактор устойчивости в аэрозолях намного ниже, чем в жидких системах. Но это приводит к тому, что, попав на какую-либо поверхность, частицы аэрозоля закрепляются на ней недостаточно прочно, и могут снова попасть в дисперсионную среду.

Разрушение аэрозолей в большей степени связано с разрушением кинетической устойчивости. Чем выше дисперсность пыли, тем труднее разрушить ее кинетическую устойчивость.

Снижение кинетической устойчивости аэрозолей может быть достигнуто тремя основными способами:

1) силовое воздействие на частицы. Наиболее широко используют инерционные и электростатические силы. Инерционное осаждение частиц осуществляется в результате воздействия на них аэродинамического потока. Важным классом инерционных пылеотделителей являются циклоны. Частицы, вращаясь вместе с газом, подвергаются действию центробежных инерционных сил, способствующих их осаждению на внутреннюю поверхность циклона.

2) воздействие на свойства самих частиц, что способствует их транспорту. Часто важно увеличить массу частиц, что достигается посредством конденсации водяных паров, причем сама частица выступает в роли ядра конденсации.

3) придание коллектору пылеулавливающих свойств. Например, эффективно мокрое пылеулавливание, при котором пылинки осаждаются на поверхность воды. Вода при этом должна находиться в диспергированном состоянии. дисперсный коллоид молекулярный аэрозоль

В качестве коллекторов часто используется фильтры с особо тонкими волокнами. Используют заряженные коллекторы для улавливания тонкодисперсных пылей.

Размещено на Allbest.ru

...