Размещено на http://www.allbest.ru/

Общая характеристика дисперсных систем и методы их получения

Основные понятия и определения

Истинные растворы являются гомогенными смесями веществ, в которых составные части нельзя обнаружить ни визуально, ни с помощью оптических приборов.

Кроме гомогенных, существуют гетерогенные смеси, в которых визуально или с помощью оптических приборов можно различить области различных веществ, разграниченные поверхностью раздела. Такие области называются фазами.

Гетерогенная смесь состоит из двух или большего числа фаз.

Дисперсная система - гетерогенная смесь, в которой одна фаза в виде отдельных частиц распределена в другой.

В таких системах различают:

дисперсную фазу - раздробленное вещество (частицы) того или иного размера и формы.

дисперсионную среду - среда, в которой находится раздробленное (диспергированное) вещество.

Важнейшей характеристикой дисперсных систем является степень дисперсности - средний размер частиц дисперсной фазы или степень раздробленности D - величина обратная размеру дисперсных частиц, измеряется [см^-1].

,

где а - поперечник частицы - равен либо диаметру сферических или волокнистых частиц, либо длине ребра кубических частиц, либо толщине пленок.

Степень дисперсности D численно равна числу частиц, которые можно уложить плотно в ряд (или в стопку пленок) на протяжении одного сантиметра.

Между соприкасающимися фазами любой гетерогенной системы существует область, свойства которой отличаются от свойств составляющих систему фаз - переходная область, называемая поверхностный слой.

Соотношение межфазной поверхности, приходящуюся на единицу объема дисперсной фазы или массы, характеризует удельная поверхность:

.

Чем меньше размеры частиц, тем больше дисперсность или удельная поверхность. S_уд монодисперсной системы можно определить, зная только размер отдельной частицы. Для систем сферических частиц с диаметром d и кубических с размером ребра lS_уд рассчитывается по формулам:

и ,

; .

Таким образом, дисперсные системы характеризуются процессами, происходящими в межфазовой поверхности, а не внутри ее и не частицами в целом.

Своеобразие дисперсных систем определяется:

1) большой удельной поверхностью дисперсной фазы;

2) физико-химическим взаимодействием дисперсной фазы и дисперсной среды на границе раздела фаз.

Особенности коллоидных растворов:

способны рассеивать свет или опалесцировать, что наглядно можно продемонстрировать: через коллоидный раствор пропускают пучок сходящихся лучей, подставив между источником света и кюветой с раствором линзу, сбоку хорошо виден светящийся конус - конус Тиндаля. Опалесценция указывает на неоднородность раствора;

коллоидные растворы в отличие от истинных растворов очень медленно диффундируют;

способны к диализу, т.е. могут быть отчищены с помощью полупроницаемой мембраны от содержащихся в них растворенных примесей кристаллических веществ, которые проходят через мембрану, а коллоидные частицы остаются в виде очищенного раствора;

агрегативно неустойчивы, т.е. коллоидно растворенное вещество способно сравнительно легко выделяется из раствора, т.е. коагулировать под влиянием незначительных внешних воздействий, в результате выпадает осадок - коагулят - это агрегаты, состоящие из слипшихся друг с другом первичных частиц;

свойственно явление электрофореза (Ф.Ф. Рейс 1808 - 1809 г. г. Россия) - это перенос коллоидных частиц в электрическом поле к одному из электродов, т.е. происходит заметный перенос вещества только в одном направлении в отличие от электролиза, где продукты выделяются на электродах в эквивалентных количествах в соответствие с законом Фарадея.

Классификация дисперсных систем

Рассматривается классификация именно дисперсных систем, т.к. коллоидные растворы являются видом дисперсных систем.

Следует отметить, что коллоидная система - это лишь одно из состояний нахождения вещества в другом веществе, это не постоянное свойство вещества. Например, сахар или каменная соль (NaCl) при растворении в воде образуют истинные растворы, а в керосине или в бензоле образуют коллоидные растворы (т.к. в этих растворителях практически нерастворимы).

Существует несколько классификаций по различным признакам.

I. по топографическому строению

пленочно-дисперсные волокнисто дисперсные корпускулярно дисперсные

или или или

ламинарные фибриллярные корпускулярные

Представим себе кубик какого-либо вещества, который будем разрезать параллельно одной из его плоскостей, затем полученные пластинки нарежем на палочки, а последние на кубики. В результате такого диспергирования (дробления) получаются следующие системы:

II. по степени дисперсности (табл. 1)

Таблица 1

Классификация корпускулярно дисперсных систем по степени дисперсности

системы	раздробленность вещества	поперечник частиц, м	степень дисперсности D, см-1	число атомов в одной частице
грубодисперсные (микрогетерогенные)	макроскопическая	10-2 - 10-4	1 - 102	> 1018
	микроскопическая	10-4 - 10-6	102 - 105	> 109
предельно высоко дисперсные (ультра микрогетерогенные)	коллоидная	10-7 - 10-9	105 - 107	109 - 103
молекулярные и ионные (истинные растворы)	молекулярная и ионная	10-9 - 10-10	>107	< 103

III. по агрегатному состоянию (табл.2)

Тип дисперсной системы принято обозначать двумя буквами, первая относится к дисперсной фазе (д. ф.), а вторая - к дисперсионной среде (д. с.).

Таблица 2. Классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды.

д. ф. /д. с.	тип системы	примеры
Т1/Т2	твердые коллоидные растворы	минералы, цветные стекла, рубин, сплавы
Ж/Т	гели, коллоиднодисперные системы	почва, жемчуг, клетки
Г/Т	пористые системы	пемза, кирпич, туфы, пенобетоны, пенопласты, активированный уголь
Т/Ж	грубодисперсные - малоконцентрированныесуспензии (взвесь) и концентрированные - пасты	взмученная глина в воде, пасты
	коллоиднодисперсные-лиозоли, гели	золи металлов
Ж1/Ж2	грубодисперсные - эмульсии	капли масла в воде
	коллоиднодисперсные - лиозоли	молоко, майонез
Г/Ж	грубодисперсные - пены, газовые эмульсии (при малой концентрации д. ф.)	пены мыльные, противопожарные
Т/Г	грубодисперсные аэрозоли	пыль, дым, смог
	коллоиднодисерсные аэрозоли	аэрозоли
Ж/Г	грубодисперсные и коллоиднодисперсные аэрозоли	туман, облака

Т - твердое, Ж - жидкое, Г - газообразное агрегатное состояние.

IV. по однородности размеров частиц

монодисперсные - все частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры

полидисперсные - частицы дисперсной фазы неодинакового размера

V. по наличию взаимодействия между частицами д. ф.:

свободнодисперсные	связнодисперсные
- частицы д. ф. не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием силы тяжести;	- возникают при контакте частиц д. ф., приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки, такое структурирование называется - гель; твердообразны;
- они текучи;	примеры: порошки, концентрированные эмульсии и суспензии (пасты), пены.
примеры: аэрозоли, лиозоли, разбавленные суспензии и эмульсии.

Отдельно выделяют капиллярнодисперсные системы - это системы, в которых частицы дисперсной фазы образуют сплошную массу, частицы дисперсионной среды ее пронизывают как поры или капилляры. Примером капиллярнодисперных систем могут быть древесина, мембраны, диафрагмы, кожа, бумага, картон, ткани.

Среди всего множества дисперсных систем особый интерес представляют коллоидные растворы или золи (от латинского "solutio" - раствор), которые рассматриваются в курсе изучения дисциплины "коллоидная химия".

Коллоидные растворы - это высокодисперсные системы с жидкой дисперсной средой. Коллоидные частицы называются мицеллами (ядро с адсорбционным и диффузионным слоями).

Наличие одноименного заряда у всех гранул является важным фактором устойчивости. Заряд препятствует слипанию и укрупнению коллоидных частиц.

дисперсная система коллоидный раствор

При добавлении к золям электролитов происходит уменьшение зарядов гранул, что приводит к слипанию частиц. Соединение коллоидных частиц в более крупные агрегаты называется коагуляция. В результате коагуляции частицы могут или выпасть в осадок под влиянием силы тяжести - это процесс седиментации, или образовать полутвердую упругую массу - гель или студень.

Пример сложной коллоидной системы: молоко. Составные части: вода, жир, казеин и молочный сахар: жир в виде эмульсии: при стоянии поднимается кверху > сливки; казеин в виде коллоидного раствора: самопроизвольно не выделяется, но при подкислении уксусом осаждается > творог или в естественных условиях казеин выделяется при скисании молока; молочный сахар в виде молекулярного раствора: выделяется лишь при испарении воды.

Еще примеры коллоидных систем: протоплазма живых клеток, кровь, сок растений - это золи.

Способы получения коллоидных систем

Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами. Поэтому коллоидные растворы могут быть получены либо путем ассоциации (методы конденсации) молекул или ионов истинных растворов, либо дальнейшим раздроблением частиц дисперсной фазы грубодисперсных систем (диспергационные методы).

Коллоидным растворам свойственна неустойчивость. В зависимости от причины наступления неустойчивости различают кинетическую устойчивость (зависит от размера частиц д. ф.) и агрегативную устойчивость (устойчивость частиц к взаимному слипанию). Для систем с агрегативной неустойчивостью необходимо наличие стабилизатора - вещества, которое препятствует процессу самопроизвольного укрупнения коллоидных частиц.

I. Конденсация

физическая - без протекания химических реакций:	химическая - образование коллоидной системы в результате протекания химической реакции, приводящей к образованию нерастворимого вещества:
- метод понижения температуры - конденсация молекул испаряющегося вещества, соединяющихся в мелкие частицы при охлаждении; метод замены растворителя - изменение среды, при котором вещество из растворимого становится нерастворимым или малорастворимым.	- ox-red реакция: Na2S2O3 + H2SO4 = Nа2SO4 + SO2^ + Sv + H2O 2HAuCl4 + 3H2O2 = 2Auv + 8HCl + 3O2 гидролиз: FeCl3 + 3H2O = Fe (OH) 3 + 3HCl^ реакцияобмена: AgNO3 + KCl = AgClv + KNO3 Hg (CN) 2 + H2S = HgSv + 2HCN
Необходимое условие существования коллоидной системы является нерастворимость вещества в растворителе.	Необходимые условия: - растворы 2-х веществ должны быть с низкой концентрацией; один из растворов должен находиться в изобилии.

II. Диспергирование. В природе коллоидные системы образуются преимущественно методом диспергирования - при обвалах, выветривании, эрозии почвы, замерзании воды в трещинах и др.

1. Механическое диспергирование - измельчение твердых тел в данной среде в присутствии стабилизаторов в шаровых или коллоидных мельницах, с помощью измельчителей или ультразвука, вольтовой дуги и т.д.

а) Получение коллоидных растворов механическим раздроблением твердого тела осуществляется с помощью коллоидных мельниц - быстро вращающийся механизм ударного действия (v = 150 м/с); измельченные частицы вещества для диспергирования смешивают с жидкостью, содержащей стабилизатор-взвесь; частицы взвеси приобретают скорость, ударяются о неподвижные выступы, разбиваются на мелкие частицы.

б) Метод электрического распыления осуществляется с помощью шаровых мельниц: через дисперсионную среду, например воду, пропускают электрический ток между электродами, изготовленными из материала коллоидный раствор которого надо получить, один из электродов распыляется; сначала осуществляется молекулярное дробление, молекулы конденсируются в коллоиды. Применяют для получения коллоидных растворов металлов (Au, Ag, Pt).

в) Ультразвуковое дробление осуществляется при помощи ультразвука - колебания воздуха с большой частотой (10⁵ …10⁶ Гц) - пъезоэлектроические осцилляторы. Применяют для получения коллоидных растворов смол, гипса, графита, красителей, крахмала и т.д.

2. Физико-химическое дробление осадков (пептизация) - это метод уменьшения размеров частиц свежеполученных осадков до коллоидных размеров (т.е. пептизация является процессом, как бы обратным коагуляции).

Метод пептизации - это процесс получения золей из студней или рыхлых осадков при действии на них некоторых веществ, способных хорошо адсорбироваться на поверхности коллоидных частиц и таким путем сообщать им способность перехода в золь.

При пептизации происходит не изменение степени дисперсности частиц, образующих студень или осадок, а только их разъединение. Пептизаторы способствуют образованию двойного слоя ионов на поверхности частиц осадка, придавая золю агрегативную устойчивость.

Различают следующие виды пептизации:

пептизация осадка электролитом - адсорбционная пептизация - отталкивание частиц осадка друг от друга вызывается двойными ионными слоями, образованными на поверхности частиц за счет адсорбции ионов добавляемого электролита-пептизатора;

пептизация путем поверхностной диссоциации - образование двойного ионного слоя за счет диссоциации молекул на поверхности твердой фазы. Пептизатор в этом случае способствует процессу диссоциации (например, образование растворимых соединений);

пептизация путем промывания осадка - применяется в случае высокой концентрации электролита, когда на поверхности частиц осадка есть двойные ионные слои, но они сжаты. Промывание водой уменьшает концентрацию электролита, что приводит к увеличению двойного ионного слоя и силы электростатического отталкивания и вызывает коллоидное растворение осадка.

Различают пептизацию непосредственную и посредственную, в зависимости от того, что адсорбируется на поверхности частиц перед их разделением: прибавленное вещество (стабилизатор) или продукт его взаимодействия с веществом частиц.

Способы очистки коллоидных систем

Некоторые молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем используют для очистки золей от электролитов и молекулярных примесей, которыми полученные золи загрязнены.

Наиболее распространенными методами очистки коллоидных систем являются: диализ, электродиализ и ультрафильтрация.

Все методы основаны на свойстве некоторых материалов - полупроницаемых мембран - пропускать ионы и молекулы небольших размеров и задерживать коллоидные частицы (целлофан, пергамент, коллодий - это пористые тела). Их непроницаемость для коллоидных частиц обусловлена: меньшей массой молекул; меньшим размером молекул; значением коэффициента диффузии коллоидных частиц (меньше на несколько порядков, чем для ионов или молекул).

Диализ (предложил Грэм) позволяет очистить коллоидную систему от низкомолекулярных примесей: концентрация примесей больше в золе, чем в растворителе.

Электродиализ используется для более быстрой и полной очистки золей, осуществляется с помощью прибора электродиализатора, который состоит из 3-х частей. В среднюю часть, которая отделена от двух других полупроницаемой мембраной, наливают золь. В крайних помещены электроды. При подключении к электродам разности потенциалов катионы диффундируют через мембрану к катоду, анионы соответственно к аноду.

Преимущество этого метода заключается в возможности удаления даже следов электролитов.

Ультрафильтрация позволяет избавиться от примесей большого размера. Осуществляется отделением дисперсной фазы от дисперсионной среды путем фильтрования под давлением через полупроницаемую мембрану, на фильтре остаются коллоидные частицы.

Комбинированный метод заключается в совместном использовании диализа и ультрафильтрации.

Степень очистки ограничивается устойчивостью коллоидных частиц: удаление из золя ионов-стабилизаторов приведет к коагуляции.

Список литературы

1. Горбунцова, С.В. Физическая и коллоидная химия (в общественном питании): Учебное пособие / С.В. Горбунцова, Э.А. Муллоярова, Е.С. Оробейко, Е.В. Федоренко. - М.: Альфа-М, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 270 c.

2. Сумм, Б.Д. Коллоидная химия: Учебник для студентов учреждений высших учебных заведений / Б.Д. Сумм. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 240 c.

3. Щукин, Е.Д. Коллоидная химия: Учебник для бакалавров / Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина. - М.: Юрайт, 2013. - 444 c.

Размещено на Allbest.ru