Что такое коллоиды. Коллоиды. Классификация коллоидных систем

Частицы коллоидных размеров могут иметь различную внутреннюю структуру, что существенно сказывается как на методах получения коллоидных растворов, так и на их свойствах. Существуют следующие три типа внутренней структуры первичных частиц коллоидных размеров.

I тип - суспензоиды (или необратимые коллоиды, лиофобные коллоиды). Так называют коллоидные растворы металлов, их оксидов, гидроксидов, сульфидов и других солей. Первичные частицы дисперсной фазы коллоидных растворов этих веществ по своей внутренней структуре не отличаются от структуры соответствующего компактного вещества и имеют молекулярную или ионную кристаллическую решетку. Суспензоиды - типичные гетерогенные высокодисперсные системы, свойства которых определяются очень сильно развитой межфазной поверхностью. От суспензий они отличаются более высокой дисперсностью. Суспен-зоидами их назвали потому, что, как и суспензии, они не могут длительно существовать в отсутствие стабилизатора дисперсности. Необратимыми их называют потому, что осадки, остающиеся при выпаривании таких коллоидных растворов, не образуют вновь золя при контакте с дисперсионной средой. Лиофобными (греч. "лиос" - жидкость, «фобио» - ненавижу) их назвали, предполагая, что особые свойства коллоидных растворов этого типа обусловлены очень слабым взаимодействием дисперсной фазы и дисперсионной среды. Концентрация лиофобных золей невелика, обычно меньше . Вязкость таких золей незначительно отличается от вязкости дисперсионной среды.

Лиофобные золи, как вообще дисперсные системы, в соответствии с их промежуточным положением между миром молекул и крупных тел, могут быть получены двумя путями: методами диспергирования, т. е. измельчения крупных тел, и методами конденсации молекулярно - или ионнорастворенных веществ. Измельчение путем дробления, помола, истирания дает сравнительно крупно-дисперсные порошки .

Более тонкого измельчения достигают с помощью специальных аппаратов, получивших название коллоидных мельниц, или применяя ультразвук.

Метод конденсации состоит в получении нерастворимых соединений путем реакций обмена, гидролиза, восстановления, окисления. Проводя эти реакции в сильно разбавленных растворах и в присутствии небольшого избытка одного из компонентов, получают не осадки, а коллоидные растворы. К конденсационным методам относится также получение лиозолей путем замены растворителя. Например, коллоидный раствор канифоли можно получить, выливая ее спиртовой раствор в воду, в которой канифоль нерастворима.

Как было выяснено ранее (§ 106), чем выше дисперсность, тем больше свободная поверхностная энергия, тем больше склонность к самопроизвольному уменьшению дисперсности. Поэтому для получения устойчивых, т. е. длительно сохраняющихся, суспензий, эмульсий, коллоидных растворов необходимо не только достигнуть заданной дисперсности, но и создать условия для ее стабилизации. Ввиду этого устойчивые дисперсные системы состоят не менее чем из трех компонентов: дисперсионной среды, дисперсной фазы и третьего компонента - стабилизатора дисперсной системы.

Стабилизатор может иметь как ионную, так и молекулярную, часто высокомолекулярную, природу. Ионная стабилизация золей лиофобных коллоидов связана с присутствием малых концентраций электролитов, создающих ионные пограничные слои между дисперсной фазой и дисперсионной средой (см. § 112 и 113).

Высокомолекулярные соединения (белки, полипептиды, спирт и другие), добавляемые для стабилизации дисперсных систем, называют защитными коллоидами. Адсорбируясь на границе раздела фаз, они образуют в поверхностном слое сетчатые и гелеобразные структуры, создающие структурно-механический барьер, который препятствует объединению частиц дисперсной фазы. Структурно-механическая стабилизация имеет решающее значение для стабилизации вззесей, паст, пен, концентрированных эмульсий.

II тип - ассоциативные, или мицелл я рные, коллоиды. Их называют также полуколлоидами. Коллоиднодисперсные частицы этого типа возникают при достаточной концентрация дифильных молекул низкомолекулярных веществ путем их ассоциации в агрегаты молекул - мицеллы - сферической или пластинчатой формы (рис. 90):

Рис. 90. Растворы мицеллярных коллоидов; молекулярный раствор (а), коллоидные раствори со сферическими (б) и пластинчатыми (в) мицеллами. Дифильная молекула: 1 - углеводородный радикал; 2 - полярная группа.

Мицеллы представляют собой скопления правильно расположенных молекул, удерживаемых преимущественно дисперсионными силами.

Образование мицелл характерно для водных растворов моющих веществ (например, мыл - щелочных солей высших жирных кислот) и некоторых органических красителей с большими молекулами. В других средах, например в этиловом спирте, эти вещества растворяются с образованием молекулярных растворов.

III тип - молекулярные коллоиды. Их называют также обратимыми или лиофильными (от греч. "филио" - люблю) коллоидами. К ним относятся природные и синтетические высокомолекулярные вещества с молекулярной массой от десяти тысяч до нескольких миллионов. Молекулы этих веществ имеют размеры коллоидных частиц, поэтому такие молекулы называют макромолекулами.

Разбавленные растворы высокомолекулярных соединений - это истинные, гомогенные растворы, которые при предельном разведении подчиняются общим законам разбавленных растворов. Растворы высокомолекулярных соединений могут быть приготовлены также с высоким содержанием по массе - до десяти и более процентов. Однако молярная концентрация таких растворов мала из-за большой молекулярной массы растворенного вещества. Так, 10 %-ный раствор вещества с молекулярной массой 100 000 представляет собой лишь примерно 0,0011 М раствор.

Для получения растворов молекулярных коллоидов достаточно привести сухое вещество в контакт с подходящим растворителем. Неполярные макромолекулы растворяются в углеводородах (например, каучуки - в бензоле), а полярные макромолекулы - в полярных растворителях (например, некоторые белки - в воде и водных растворах солей). Вещества этого типа назвали обратимыми коллоидами потому, что после выпаривания их растворов и добавления новой порции растворителя сухой остаток вновь переходит в раствор.

Название лиофнльные коллоиды возникло из предположения (как оказалось - ошибочного), что сильное взаимодействие со средой обусловливает их отличие от лиофобных коллоидов.

Растворение макромолекулярных коллоидов проходих через стадию набухания, являющуюся характерной качественной особенностью веществ этого типа. При набухании молекулы растворителя проникают в твердый полимер и раздвигают макромолекулы. Последние из-за своего большого размера медленно диффундируют в раствор, что внешне проявляется в увеличении объема полимера. Набухание может быть неограниченным, когда конечным его результатом является переход полимера в раствор, и ограниченным, если набухание не доходит до растворения полимера. Ограниченно набухают обычно полимеры с особой, «трехмерной» структурой, отличающейся тем, что атомы всего вещества соединены валентными связями. Химическая модификация полимеров путем «сшивания» их макромолекул с целью уменьшения набухания полимера является важной стадией в производстве многих материалов (дубление сыромятной кожи, вулканизация каучука при превращении его в резину).

Растворы высокомолекулярных соединений имеют значительную вязкость, которая быстро возрастает с увеличением концентрации растворов. Повышение концентрации макромолекулярных растворов, добавки веществ, понижающих растворимость полимера, и часто понижение температуры приводят к застудневанию, т. е. превращению сильно вязкого, но текучего раствора в сохраняющий форму твердообразный студень. Растворы полимеров с сильно вытянутыми макромолекулами застудневают при небольшой концентрации раствора. Так, желатин и агар-агар образуют студии и гели в растворах. Высушенные студни способны вновь набухать (существенное отличие от гелей).

Застудневание является важной стадией получения волокнистых материалов из растворов полимеров. Свойства растворов высокомолекулярных соединений с повышением их концентрации все больше и больше отличаются от свойств растворов низкомолекулярных соединений. Это происходит в результате взаимодействия друг с другом отдельных макромолекул, приводящего к образованию надмолекулярных структур, оказывающих большое влияние на качества изделий (волокон, пластмасс) из полимеров.

Высокомолекулярные соединения, как и любые другие вещества, при подходящих условиях могут быть получены в высокодисперсном - коллоидном состоянии. Такие дисперсии полимеров в нерастворяющих их жидкостях, большей частью в воде, называют латекса . Частицы дисперсной фазы латексов имеют близкую к сферической форму и размеры порядка 10-100 нм.

Термин «коллоиды», что означает «клееподобные» (от греч. «колла» - клей, «еидос» - вид), возник в 1861 г., когда шотландский химик Томас Грэм для разделения веществ применил диализ (рис. 91). Метод диализа основан на неодинаковой способности компонентов растворов к диффузии через тонкие пленки - мембраны (из целлофана, пергамента, нитроцеллюлозы, ацетилцеллюлозы).

Рис. 91. Схема диализа: 1 - внутренний диализируемый раствор; 2 - наружная жидкость; 3 - диализационная мембрана (через ее поры проходят только низкомолекулярные вещества); 4 - шкив для вращения мембраны с внутренним раствором.

Этот метод широко применяют для очистки коллоидных растворов и растворов высокомолекулярных соединений. Вещества, не проникающие через мембраны при диализе, Грэм назвал коллоидами, а вещества, способные к кристаллоидами, так как при выпаривании их растворов образовывались кристаллические осадки.

Деление веществ на кристаллоиды и коллоиды оказалось ошибочным. П. П. Веймарн, доцент Петербургского горного института, получил ряд типичных «кристаллоидов» в коллоидном состоянии, тем самым доказав (1906 г.), что любое вещество при подходящих условиях может быть получено в коллоидном состоянии.

В 30-40-х годах XX века была выяснена химическая природа первичных частиц обратимых (лиофильных) коллоидов, оказавшихся макромолекулами. В связи с этим от коллоидной химии отделилась новая химическая дисциплина - физическая химия высокомолекулярных соединений. Однако в силу исторических причин, общности молекулярно-кинетических свойств лиофильных и коллоидов, частого образования гетерогенных структур в молекулярных коллоидах, а также существования многочисленных композиций из высокомолекулярных соединений и высокоднсперсных систем (например, резины, многие лакокрасочные материалы, стеклопластики, пено- и поропласты) предмет коллоидной химии трактуют более расширенно, чем сказано в § 106, а имеино, как физическую химию гетерогенного дисперсного состояния вещества, межфазовых поверхностей и высокомолекулярных соединений.

Основной темой данной статьи будет коллоидная частица. Здесь мы рассмотрим понятие и мицеллы. А также ознакомимся с основным видовым разнообразием частиц, относящихся, к коллоидным. Отдельно остановимся на различных особенностях изучаемого термина, некоторых отдельных понятиях и многом другом.

Введение

Понятие коллоидной частицы тесно связано с различными растворами. В своей совокупности они могут образовывать разнообразные системы микрогетерогенного и дисперсного характера. Частички, образующие такие системы, по размерам обычно лежат в пределах от одного до ста мкм. Помимо наличия поверхности с четко разделенными границами между дисперсной средой и фазой, коллоидные частицы характеризуются свойством малой устойчивости, а сами растворы образоваться самопроизвольно не могут. Наличие большого разнообразия в строении внутренней структуры и размерах вызывает создание большого числа методов получения частиц.

Понятие коллоидной системы

В коллоидных растворах частицы во всей своей совокупности образуют системы дисперсоного типа, которые являются промежуточными между растворами, которые определяют как истинные и грубодисперсные. В данных растворах капли, частички и даже пузырьки, образующие дисперсную фазу, обладают размером от одного до тысячи нм. Они распределяются в толще дисперсной среды, как правило, непрерывной, и отличаются от исходной системы составом и/или агрегатным состоянием. Чтобы лучше понять значение такой терминологической единицы, лучше рассмотреть ее на фоне систем, которые она образует.

Определение свойств

Среди свойств коллоидных растворов основными можно определить:

Образующие частички не мешают прохождению света.
Прозрачные коллоиды обладают свойством, позволяющим рассеивать световые лучи. Это явление называют эффектом Тиндаля.
Заряд коллоидной частицы является одинаковым для дисперсных систем, вследствие чего они не могут встречаться в растворе. В Броуновском движении дисперсные частички не могут выпадать в осадок, что обуславливается их поддержанием в состоянии полета.

Главные типы

Основные классификационные единицы коллоидных растворов:

Взвесь частичек твердого типа в газах называют дымом.
Взвесь частичек жидкости в газах называют туманом.
Из мелких частичек твердого или жидкого типа, взвешенных в среде газа, образуется аэрозоль.
Газовую взвесь в жидкостях или твердых телах называют пеной.
Эмульсия - это жидкостная взвесь в жидкости.
Золь - это дисперсная система ультрамикрогетерогенного типа.
Гелем называются взвесь из 2 компонентов. Первый создает каркас трехмерного характера, пустоты которого будут заполнены различными низкомолекулярными растворителями.
Взвесь частичек твердого типа в жидкостях называют суспензией.

Во всех этих коллоидных системах размеры частиц могут сильно отличаться в зависимости от своей природы происхождения и агрегатного состояния. Но даже несмотря на такое крайне разнообразное количество систем, обладающих разной структурой, все они относятся к коллоидным.

Видовое разнообразие частиц

Первичные частицы, имеющие коллоидные размеры, по типу внутренней структуры делятся на следующие виды:

Суспензоиды. Их также называют необратимыми коллоидами, что не способны самостоятельно существовать в длинных промежутках времени.
Коллоиды мицеллярного типа, или, как их еще называют, полуколлоиды.
Коллоиды обратимого типа (молекулярные).

Процессы образования данных структур очень различаются между собой, что усложняет процесс понимания их на детальном уровне, на уровне химии и физики. Коллоидные частицы, из которых образуются такие имеют крайне разную форму и условия протекания процесса образования цельной системы.

Определение суспензоидов

Суспензоидами называют растворы с элементами металлов и их вариациями в форме оксида, гидроксида, сульфида и прочих солей.

Все образующие частицы вышеупомянутых веществ обладают молекулярной или ионной кристаллической решеткой. Они формируют фазу дисперсного типа вещества - суспензоида.

Отличительной чертой, позволяющей отличать их от суспензий, является наличие более высокого показателя дисперсности. Но они связаны между собой отсутствием механизма стабилизации для дисперсности.

Необратимость суспензоидов объясняется тем, что осадок процесса их впаривания не дает человеку получить вновь золи посредством создания контакта между самим осадком и дисперсной средой. Все суспензоиды являются лиофобными. В подобных растворах называются коллоидными частицы, относящиеся к металлам и производным солям, которые были измельчены или конденсированы.

Методика получения ничем не отличается от тех двух способов, которыми всегда создают дисперсные системы:

Получение путем диспергирования (измельчения крупных тел).
Методом конденсации ионно- и молекулярнорастворенных веществ.

Определение мицелярных коллоидов

Мицелярные коллоиды также именуют полуколлоидами. Частички, из которых они создаются, возникать могут при наличии достаточного уровня дифильного типа. Такие молекулы могут образовать только низкомолекулярные вещества посредством их ассоциирования в агрегат молекулы - мицеллу.

Молекулы дифильной природы - это структуры, состоящие из углеводородного радикала, параметрами и свойствами сходного с неполярным растворителем и гидрофильной группой, которую также называют полярной.

Мицеллы - это особые скопления правильно расставленных молекул, которые удерживаются преимущественно посредством использования дисперсных сил. Мицеллы образуются, например, в водных растворах моющих средств.

Определение молекулярных коллоидов

Молекулярными коллоидами называют высокомолекулярные соединения как природного, так и синтетического происхождения. Молекулярный вес может колебаться от 10.000 до нескольких миллионов. Молекулярные фрагменты подобных веществ обладают размером коллоидной частицы. Сами молекулы именуют макромолекулами.

Соединения высокомолекулярного типа, подверженные разбавлению, называют истинными, гомогенными. Они, в случае предельного разведения, начинают подчиняться общему ряду законов для разбавленных составов.

Получение коллоидных растворов молекулярного типа является довольно простым заданием. Достаточно заставить контактировать и соответствующий растворитель.

Неполярная форма макромолекул растворяться может в углеводородах, а полярная - в полярных растворителях. Примером последнего может послужить растворение различных белков в растворе воды и соли.

Обратимыми эти вещества называют в связи с тем, что подвергание их выпариванию с добавлением новых порций заставляет молекулярные коллоидные частицы принимать форму раствора. Процесс их растворения должен проходить через стадию, на которой он набухает. Она является характерной чертой, выделяющей молекулярные коллоиды, на фоне других систем, которые были рассмотрены выше.

В процессе набухания молекулы, образующие растворитель, проникают в твердую толщу полимера и тем самым расталкивают макромолекулы. Последние в связи со своими большими размерами начинают медленно диффундировать в растворы. Внешне это можно наблюдать при увеличении объемной величины полимеров.

Устройство мицеллы

Мицеллы коллоидной системы и их строение будет проще изучить, если рассмотреть образующий процесс. Возьмем для AgI. В данном случае частицы коллоидного типа будут образоваться в ходе следующей реакции:

AgNO 3 +KI à AgI↓+KNO 3

Молекулы иодида серебра (AgI) образуют практически нерастворимые частички, внутри которых кристаллическая решетка будет образована катионами серебра и анионами иода.

Образующиеся частицы поначалу имеют строение аморфного типа, однако далее, по мере протекания их постепенной кристаллизации, приобретают постоянное устройство внешнего вида.

Если взять AgNO 3 и KI в соответственных эквивалентах, то кристаллические частицы будут расти и достигать значительных размеров, превосходящих даже величину самой коллоидной частицы, а далее быстро выпадать в осадок.

Если взять одно из веществ с избытком, то можно искусственно сделать из него стабилизатор, который будет сообщать об устойчивости коллоидных частиц иодида серебра. В случае чрезмерного количества AgNO 3 раствор будет содержать в себе больше положительных ионов серебра и NO 3 - . Важно знать о том, что процесс формирования кристаллических решеток AgI подчиняется правилу Панета-Фаянса. Следовательно, он способен протекать только в случае наличия ионов, входящих в состав данного вещества, которые в данном растворе представлены катионами серебра (Ag +).

Положительные ионы аргентума будут продолжать достраиваться на уровне формирования кристаллической решетки ядра, прочно входящего в структуру мицеллы и сообщающего об электрическом потенциале. Именно по этой причине ионы, которые используются для достройки ядерной решетки, называют потенциалопределяющими ионами. В ходе образования коллоидной частицы - мицеллы - есть и другие особенности, обуславливающие то или иное течение процесса. Однако здесь было рассмотрено все на примере с упоминанием важнейших элементов.

Некоторые понятия

Термин коллоидной частички тесно связан с адсорбционным слоем, который образуется одновременно с ионами потенциалопределяющего типа, в ходе адсорбции общего количества противоионов.

Гранула - это структура, образованная ядром и адсорбционным слоем. Она обладает электрическим потенциалом такого же знака, которым наделен Е-потенциал, однако его величина будет меньшей и зависит от исходной величины противоионов в слое адсорбции.

Слипание коллоидных частиц является процессом, который именуют коагуляцией. В дисперсных системах она приводит к образованию из мелких частичек более крупных. Процесс характеризуется сцеплением между маленькими структурными компонентами с образованием коагуляционных структур.

В результате изучения материала главы 18 студент должен: знать теоретические основы коллоидной химии: поверхностных явлений, образования и устойчивости дисперсных систем, механизмов и закономерностей процессов, протекающих в этих системах; различные методы определения размеров частиц дисперсной фазы, методы оценивания смачивания твердых поверхностей; кинетические, реологические и электрические свойства дисперсных систем; закономерности адсорбции веществ на границах раздела различной природы; закономерности поверхностных и природных явлений и производственных процессов с их участием;

уметь строить интегральные и дифференциальные кривые распределения частиц; определять угол смачивания; экспериментально определять поверхностное натяжение жидкостей и влияние поверхностно-активных веществ (ПАВ) на эту величину; экспериментально определять величину адсорбции;

владеть методами обработки результатов химических экспериментов в части обработки данных коллоидно-химических экспериментов; основными синтетическими и аналитическими методами получения и исследования веществ, находящихся в коллоидном состоянии.

Коллоидная химия - раздел физической химии, изучающий двух- или многофазные системы, в которых хотя бы одна из фаз находится в высокодисперсном состоянии. Введем основные понятия, которые используются в коллоидной химии.

Основные понятия

Фаза - часть системы одного состава, одинаковых физических и химических свойств, ограниченная от других частей поверхностью раздела. Систему, состоящую из одной фазы, а следовательно, имеющую одинаковые свойства во всех ее точках, называют гомогенной. Гетерогенная система состоит из двух и более фаз. Гетерогенная система, в которой одна из фаз представлена в виде частиц микроскопических размеров, называется микрогетерогенной или улътрамикрогетерогенной. Эти два класса систем являются дисперсными системами. Дисперсными называются системы, состоящие из двух или более фаз, одна из которых состоит из отдельных мелких частиц (дисперсная фаза ), распределенных в другой фазе (дисперсионной среде). Каждая частица состоит из достаточно большого числа молекул.

Коллоидные системы характеризуются предельно высокой дисперсностью, т.e. степенью развития поверхности раздела. При раздроблении (диспергировании) дисперсной фазы, т.е. при возрастании ее дисперсности.

увеличивается внутренняя поверхность раздела между фазами. При этом возрастает роль граничных слоев и связанных с ними особых явлений. Именно особые свойства раздела фаз и изучает коллоидная химия. Иногда коллоидную химию называют химией поверхностных явлений.

Дисперсность (5) представляет собой удельную поверхность дисперсной фазы и определяется соотношением

где S1,2 - площадь поверхности раздела между дисперсной фазой (I) и дисперсионной средой (2); V - объем дисперсной фазы. Таким образом, дисперсность обратно пропорциональна линейным размерам частиц и обладает размерностью см -1 .

Коллоидные системы относятся к дисперсным системам - системам, где одно вещество в виде частиц различной величины распределено в другом. Дисперсные системы чрезвычайно многообразны; практически всякая реальная система является дисперсной. Дисперсные системы классифицируют прежде всего по размеру частиц дисперсной фазы (или степени дисперсности); кроме того, их разделяют на группы, различающиеся по природе и агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Коллоидные системы весьма распространены в природе. К ним относятся различные ткани животного и растительного мира, почва.

Если дисперсионной средой является жидкость, а дисперсной фазой - твердые частицы, система называется взвесью или суспензией ; если дисперсная фаза представляет собой капельки жидкости, то систему называют эмульсией. Эмульсии, в свою очередь, подразделяют на два типа: прямые, или "масло в воде" (когда дисперсная фаза - неполярная жидкость, а дисперсионная среда - полярная жидкость) и обратные, или "вода в масле" (когда полярная жидкость диспергирована в неполярной). Среди дисперсных систем выделяют также пены (газ диспергирован в жидкости) и пористые тела (твердая фаза, в которой диспергированы газ либо жидкость). Основные типы дисперсных систем приведены в табл. 18.1.

Таблица 18.1

Основные типы дисперсных систем

К коллоидным системам близки и растворы высокомолекулярных соединений, которые, не являясь коллоидными в прямом смысле этого слова, по многим свойствам близки им. Размеры молекул высокомолекулярных соединений могут даже превышать размеры коллоидных частиц. Водные растворы многих полимеров, например белков, реально являются не однофазными системами, а микрогетерогенными, так как включают гидрофобные области внутри белковых глобул. С другой стороны, в разбавленных растворах высокомолекулярные соединения раздроблены до молекул и, следовательно, эти растворы не могут быть отнесены к типичным коллоидным системам. Растворы высокомолекулярных соединений объединяют свойства и коллоидных систем, и истинных растворов.

Кроме того, любые вещества при определенных условиях могут быть в коллоидном состоянии.

По степени дисперсности выделяют обычно следующие классы дисперсных систем.

Грубодисперсные системы - системы, размер частиц дисперсной фазы в которых превышает 10 -5 м (табл. 18.2).

Таблица 18.2

Классификация дисперсных систем в зависимости от размера частиц дисперсной фазы

Коллоидные системы - системы, размер частиц дисперсной фазы в которых составляет 10~ 7 -10~ 9 м. Коллоидные системы характеризуются гетерогенностью, т.е. наличием поверхностей раздела фаз и очень большим значением удельной поверхности дисперсной фазы. Это обусловливает значительный вклад поверхностной фазы в состояние системы и приводит к появлению у коллоидных систем особых, присущих только им, свойств.

Иногда выделяют молекулярно(ионно)-дисперсные системы , которые, строго говоря, являются истинными растворами, т.е. гомогенными системами, поскольку в них нет поверхностей раздела фаз.

Коллоидные системы, в свою очередь, подразделяются на две группы, резко отличные по характеру взаимодействий между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды, - лиофобные коллоидные растворы (золи) и растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), которые ранее называли лиофильными коллоидами. К лиофобным коллоидам относятся системы, в которых частицы дисперсной фазы слабо взаимодействуют с дисперсионной средой; эти системы могут быть получены только с затратой энергии и устойчивы лишь в присутствии стабилизаторов.

Растворы ВМС образуются самопроизвольно благодаря сильному взаимодействию частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой и способны сохранять устойчивость без стабилизаторов. Лиофобные коллоиды и растворы ВМС различаются также и структурой частиц, составляющих дисперсную фазу. Для лиофобных коллоидов единицей структуры является сложный многокомпонентный агрегат переменного состава - мицелла, для растворов ВМС - макромолекула.

Таким образом, размер частиц (или дисперсность) является одним из важнейших количественных показателей дисперсных систем, определяющих их качественные особенности.

Третий признак, по которому классифицируют все дисперсные системы, обусловлен видом дисперсной фазы. Дисперсную фазу могут составлять частицы, пленки, мембраны, нити или капилляры.

Различают трехмерные (частицы), двухмерные (нити, волокна, капилляры, поры) и одномерные (мембраны, пленки) дисперсные фазы.

Кроме общих признаков, которые охватывают все дисперсные системы, существует ряд частных признаков. Эти признаки характерны только для некоторых дисперсных систем. В основу частной классификации положены:

1) способы получения дисперсных систем;
2) структурно-механические свойства;
3) взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой;
4) устойчивость дисперсных систем.
1. Классификация по структуре.

Все дисперсные системы можно разделить на два класса - свободно-дисперсные в которых частицы дисперсной фазы не связаны между собой и могут перемещаться свободно (суспензии, эмульсии, золи, в том числе аэрозоли), и связно-дисперсные , в которых одна из фаз не перемещается свободно, поскольку структурно закреплена. К ним относятся капиллярно-пористые тела, мембраны - тонкие пленки, гели, студни, пены - жидкие сетки с воздушными ячейками, твердые растворы.

2. Классификация по межфазному взаимодействию.

Взаимодействие между веществами дисперсной фазы и дисперсионной

среды за счет межмолекулярных сил на границе раздела фаз протекает всегда, но степень его проявления может быть различной.

В зависимости от этого дисперсные системы могут быть лиофильными и лиофобными.

Для первых характерно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой, а для вторых - слабое. Лиофильные системы термодинамически устойчивы (AG < 0) и характеризуются самопроизвольным диспергированием. Системы, в которых самопроизвольного диспергирования не происходит, могут быть названы лиофобными, но они лиофилизированы в той или иной степени.

Данное издание создано в помощь студентам вузов, которые хотят быстро подготовиться к экзаменам и сдать сессию без проблем. Пособие составлено с учетом Государственного образовательного стандарта.

5. Коллоиды. Примеры коллоидных систем, их распространенность в природе и значение для современной технологии

Дисперсионные микрогетерогенные системы, частицы дисперсной фазы которых имеют размеры 10 –7 –10 –9 м и равномерно распределены в дисперсной среде, называют коллоидными растворами .

1. Суспензоиды (или лиофобные коллоиды , необратимые коллоиды). Так называют коллоидные растворы металлов, их оксидов, гидроксидов, сульфидов и других солей. Первичные частицы дисперсной фазы коллоидных растворов этих веществ по внутренней структуре не отличаются от структуры соответствующего вещества и имеют кристаллическую решетку. Суспензоиды – типичные коллоидные системы с сильно развитой межфазной поверхностью. От суспензий они отличаются более высокой дисперсностью, но, как и суспензии, не могут длительно существовать в отсутствие стабилизатора дисперсности. Для получения устойчивых коллоидных растворов добавляют стабилизатор дисперсной системы ионной или молекулярной природы. Ионная стабилизация связана с присутствием электролитов, создающих ионные пограничные слои между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Высокомолекулярные соединения (белки, полипептиды, поливиниловый спирт), добавляемые для стабилизации, называют защитными коллоидами. Адсорбируясь на границе раздела фаз, они образуют в поверхностном слое сетчатые структуры, создающие структурно-механический барьер, препятствующий объединению частиц дисперсной фазы. Структурно-механическая стабилизация имеет решающее значение для стабилизации взвесей, паст, пен, концентрированных эмульсий. Осадки, остающиеся при их выпаривании, не образуют вновь золя при контакте с дисперсионной средой. Вязкость этих золей незначительно отличается от вязкости дисперсионной среды.

2. Мицеллярные коллоиды . Их называют также полуколлоидами (семиколлоидами). Они возникают при достаточной концентрации дифильных молекул низкомолекулярных веществ путем их ассоциации в мицеллы сферической или пластинчатой формы. Мицеллы представляют собой скопления правильно расположенных молекул, удерживаемых преимущественно дисперсионными силами. Образование мицелл характерно для водных растворов моющих веществ, например мыл и синтетических моющих веществ, некоторых органических красителей, дубящих веществ (таннидов), алкалоидов. В других средах, например в этаноле, эти вещества образуют молекулярные растворы.

3. Молекулярные, или лиофильные коллоиды . Их называют обратимыми, т. к. после выпаривания их растворов и добавления новой порции растворителя сухой остаток вновь переходит в раствор. К ним относятся природные и синтетические высокомолекулярные вещества с молекулярной массой от 10 000 до нескольких миллионов. Молекулы этих веществ имеют размеры коллоидных частиц, поэтому такие молекулы называют макромолекулами. Для получения растворов молекулярных коллоидов достаточно привести сухое вещество в контакт с подходящим растворителем. Неполярные макромолекулы растворяются в углеводородах (например, каучуки – в бензоле), а полярные макромолекулы – в полярных растворителях (например, некоторые белки – в воде). Их растворы имеют значительную вязкость, возрастающую с увеличением концентрации растворов. Повышение концентрации макромолекулярных растворов, добавки веществ, понижающих растворимость полимера, и часто понижение температуры приводят к застудневанию – превращению сильно вязкого раствора в сохраняющий форму твердообразный студень. Растворы полимеров с сильно вытянутыми макромолекулами застудневают при небольшой концентрации раствора. Так, желатин и агар-агар образуют студни и гели в 0,2–1,0 %-ных растворах. Высушенные студни способны вновь набухать (существенное отличие от гелей).

Коллоиды широко распространены в природе, технике и быту.

1. Возникновение и основные этапы развития коллоидной химии. Предмет и объекты исследований коллоидной химии
2. Основные особенности дисперсных систем. Особенности ультрамикрогетерогенного состояния (наносостояния)
3. Различные типы классификации дисперсных систем. Лиофильные и лиофобные дисперсные системы
4. Дисперсность. Удельная поверхность дисперсных систем, методы ее измерения
5. Коллоиды. Примеры коллоидных систем, их распространенность в природе и значение для современной технологии
6. Оптические методы исследования дисперсных систем (нефелометрия, турбидиметрия)
7. Оптические свойства коллоидов. Статическое рассеяние света. Оптическая анизотропия
8. Поглощение света дисперсными системами, уравнение Бугера-Ламберта-Бера. Определение размеров коллоидных частиц
9. Поверхностные явления. Роль поверхностных явлений в процессах, протекающих в дисперсных системах
10. Поверхность раздела фаз. Свободная поверхностная энергия. Поверхностное натяжение. Адсорбция
11. Термодинамическое описание разделяющей поверхности
12. Адсорбция. Площадь, приходящаяся на одну молекулу в адсорбционном слое
14. Закономерности ионного обмена в коллоидных растворах. Ацидоиды. Роль pН в ионном обмене
16. Особенности ионного обмена в амфолитоидах, изоэлектрическое состояние амфолитоидов. Понятие об обменной емкости

Когда речь идет об агрегатном состоянии веществ, то принято выделять четыре основных типа:

плазма;
твердое;
жидкость;

Однако большинство биологических сред, жидкостей, природных явлений представляет собой некую смесь из нескольких вариантов. Значительная часть всех растворов обладает особыми свойствами. Они отличаются и внешними признаками, и внутренним строением. Называют их так: коллоидные системы. Это совокупная смесь веществ разной природы, находящихся в разных агрегатных состояниях. Чтобы лучше разобраться в данном вопросе, следует рассмотреть все свойства и характеристики подобных растворов, что мы и сделаем в ходе данной статьи.

Коллоидно-дисперсная система: характеристика

Если говорить простым обыденным языком, то данная система - это нечто среднее между истинным раствором, который является 100% гомогенной средой и грубодисперсными взвесями, в которых четко прослеживается граница раздела фаз.

Вообще коллоидные системы являются частью дисперсных систем, одной из их разновидностей. Поэтому неудивительно, что свойства их во многом схожи. Чтобы лучше представить себе, что же такое описываемое состояние вещества, приведем несколько примеров из жизни.

Гели и гелеподобные тела. Например, те, что применяются для укладки прически. Также сюда можно отнести гелеобразные и студнеобразные крема, в том числе и кондитерские. Раствор агар-агара, набухший крахмал, раствор куриного белка - все это коллоидные системы. Химия, которая занимается изучением подобных структур, именуется физколлоидной или физической.
Золи. Другими словами, это деструктурированные гели. Именно они и стоят на границе между грубодисперсными системами и истинными растворами. Примеры данного состояния: туман, дым или пыль в воздухе.

Также можно привести еще несколько общеизвестных соединений, которые считают коллоидами:

пыль;
аэрозоль;
эмульсия;
суспензия;
туман и прочие.

Для каждого приведенного примера можно привести свои специфические свойства. Однако существуют и те, что являются для них общими.

Классификация коллоидных систем

Так как разнообразие рассматриваемых соединений велико, то естественно, что имеется их классификация. В основу положены признаки строения - структурированность, размеры дисперсной фазы по отношению к среде и прочие. Если все коллоидные системы разделить на типы по характеру входящих в их состав частиц, то можно выделить основные из них:

жидкость в газе - туман, например;
твердые частицы в газовой среде - дым, пыль;
жидкость в жидкости - различные эмульсии;
твердые частицы в жидкости - суспензии;
жидкость в твердом - эмульсии;
твердые частицы в твердой среде - твердые золи.

Также существует еще один признак, который ложится в основу разделения рассматриваемых систем. Это взаимодействие частиц фазы и среды друг с другом. Классификация коллоидных систем в этом случае принимает следующий вид.

Лиофильные. Включают в себя те системы, в которых происходит взаимодействие и даже растворение частиц фазы в среде.
Лиофобные. Не происходит ни взаимодействия между средой и фазой, ни их взаимного растворения.

Если речь идет о такой среде, как вода, то можно эти же группы назвать, соответственно, гидрофильными и гидрофобными.

Еще один вариант подразделения рассматриваемых систем следующий:

Свободнодисперсные. Это такие, в которых частицы находятся в постоянном движении, взаимодействуют друг с другом и не формируют определенной структуры, то есть находятся в неком хаосе. Примеры: мелкодисперсные суспензии, эмульсии, лиозоли, аэрозоли.
Связнодисперсные - это коллоидные системы, в которых внутренняя структура четко упорядочена и представляет собой некий молекулярный каркас из среды, заполненный внутри фазой. Примерами могут служить гели, пасты, порошки, густые эмульсии и суспензии.

Возможен самопроизвольный переход золя в гель, этот процесс имеет название гелеобразования. Однако нередко наблюдается и обратный процесс.

Лиофобные системы: золи

Это такая коллоидная система, фазы которой достаточно четко отделены друг от друга границей раздела. Однако увидеть это сложно, ведь размеры частиц дисперсных - не более 100 нм. Именно поэтому золи - промежуточное состояние между истинными растворами и грубодисперсными составами.

У данных систем есть своя классификация. Их разделяют в зависимости от вида дисперсионной среды. Можно выделить несколько основных вариантов:

гидрозоли - среда водная;
алкозоли - спирт;
этерозоли - эфирная;
органозоли - более общее обозначение органической природы среды.

Именно для лиозолей (среда - жидкая) характерно такое понятие, как мицелла. Им обозначают фазные частицы в совокупности с внешней сферой - частицами (ионами) окружающей среды. Для любой зольной системы можно записать свое химическое выражение, отражающее ее состав в виде мицеллы.

Пример: красный золь золота с составом NaAuO 2 + HCOH + Na 2 CO 3 → Au + HCOONa + H 2 O имеет мицеллу следующего вида: { m · n AuO 2 - · (n-x) Na + } x- · xNa + .

Свойства золей можно описать несколькими пунктами:

Существует граница раздела фаз, у которой сильное поверхностное натяжение.
Частица фазы и среды находятся в постоянном броуновском движении.
Частицы способны к агрегации - слипанию и осаждению. Это объясняется их постоянным взаимодействием.

Если же говорить об использовании золей в промышленности, то оно достаточно широко. Если вспомнить, что все аэрозоли, суспензии и эмульсии относятся именно к ним, то становится ясно, что без подобных коллоидных систем не обходятся:

химическая промышленность;
фармацевтика;
военное дело;
пищевая отрасль и прочие.

При определенных условиях золи могут начать структурироваться. То есть выстраивать внутренний каркас из дисперсных частиц, ячейки в которых будут заполнены молекулами среды. Еще одно название происходящего - коагуляция или слипание. В этом случае говорят о гелеобразовании, так как продуктом станет гель.

Лиофильные системы

Данные структуры образуются благодаря тесному взаимодействию частиц среды и фазы. Это приводит к тому, что они растворяются друг в друге, набухают и образуются студенистые гелеобразные по консистенции соединения. Внутри же они представляют собой трехмерную пространственную сетку, в которой все поры заполняются частицами жидкой или твердой среды. Благодаря такому строению все лиофильные гели обладают следующими свойствами:

упругость;
способность сохранять постоянную форму;
прочность;
пластичность;
нетекучесть.

Такие молекулярные коллоидные системы встречаются очень часто. Ведь по своей природе это как высокомолекулярные, так и низкомолекулярные вещества, подвергшиеся воздействию для изменения свойств. Приведем несколько всем известных вариантов:

косметические гели для бритья, для волос;
лекарственные препараты - от болей, ушибов, ран и прочего;
бытовая химия;
адсорбенты в химической промышленности.

Особое свойство данных веществ - способность самопроизвольно необратимо разрушаться при высушивании. Наверняка многие замечали, что есть обычный гель для волос оставить открытым, то через два-три дня от него останется лишь маленькая сухая масса, непригодная к использованию.

Это происходит из-за разрушения пространственной структуры и испарения влаги. Иногда влагу специально убирают из состава гелей, чтобы получить нужный продукт. Но делается это химическим путем, без разрушения общей структуры. Так получают силикагели, алюмогели.

Особенные и общие свойства коллоидов

Свойства коллоидных систем (или коллоидов) следующие:

Отличительный внешний вид, особенно если речь идет о гелях, эмульсиях и суспензиях, аэрозолях.
Особое отношение к проходящему сквозь вещество свету: большинство из них не препятствует этому, а часть (прозрачные) вообще рассеивают направленный пучок.
Постоянное движение частиц не позволяет в коллоидных системах образовываться осадку.
Так как среда и фаза могут быть очень разными по отношению друг к другу, то выделить общие физические параметры сложно. Они должны относиться к каждому конкретному веществу.

Если говорить об особых свойствах рассматриваемых состояний веществ, то следует указать на броуновское движение структурных элементов и на эффект Тиндаля, то есть на рассеивание света.

Эффект Тиндаля

Данное явление входит в особые оптические свойства коллоидных систем. Суть его заключается в следующем: пучок света, проходящий через раствор (или аэрозоль) системы, рассеивается. Однако делает это не совсем обычно. Так как способность отражать или поглощать пучки света у всех частиц разная, показатель преломления варьируется, то получается, что можно наблюдать конусообразное пятно на темном фоне.

Этот эффект используется для определения качества, количества и размеров частиц, составляющих данную систему. Впервые методика была разработана и введена в использование Джоном Тиндалем, за что и получила такое название.

Очень простой и доступный опыт в домашних условиях позволит убедиться в наличии данного эффекта. Нужно приготовить раствор куриного белка в воде. Получится типичная лиофильная коллоидная система. Затем пропустить через него лазерный луч и обеспечить позади сосуда темный фон. Таким образом, конус Тиндаля будет виден очень отчетливо, а свет внутри раствора рассеется.

Броуновское движение частиц

Это еще одно особое свойство рассматриваемых систем. Заключается в постоянном движении частиц фазы в среде раствора как газообразной, так и жидкой. Молекулы, атомы, ионы находятся в беспрерывном хаотическом круговороте. Это позволяет коллоиду существовать в неизменном виде. Кроме того, благодаря их одинаковым зарядам слипания между ними не происходит. Это позволяет системе быть достаточно устойчивой.

Это явление характерно лишь для тех частиц, размер которых не превышает 3 мкм. Иначе наступает седиментация раствора.

Способы образования коллоидов

Методы получения коллоидных систем достаточно разнообразны, поскольку и сами системы неодинаковы. Можно выделить несколько наиболее часто применяемых приемов.

Конденсация.
Диспергирование.
Пептизация.

Все эти методы коллоидных систем имеют широкое промышленное значение при работе с ними, при их получении и изучении свойств. Рассмотрим более подробно каждый из них.

Конденсация - это метод, в основе которого лежит способность молекул и ионов ассоциироваться друг с другом, слипаться, образуя более крупные частицы. Таким образом, формируется новая система, чаще всего обладающая свойствами коллоида. Сделать это можно двумя путями:

заменой растворителя (то есть среды);
химической конденсацией, то есть рядом последовательных взаимодействий, приводящих к укрупнению частиц.

И в том, и в другом случае получаются настоящие коллоиды, в которых твердые частицы удерживаются броуновским движением во взвешенном состоянии.

Диспергирование, напротив, заключается в измельчении фазового компонента смеси до того состояния, когда раствор станет коллоидом. Делают это несколькими способами:

механическим дроблением;
электродуговым распылением;
измельчением ультразвуком и прочее.

Пептизация - химическое расщепление слипшихся коагулированных частиц на более мелкие структуры. Таким способом получают растворы в промышленности. При этом обязательное участие принимают специфические агенты - пептизаторы.

Условия устойчивого состояния

Устойчивость коллоидных систем требует определенных условий. Ведь мы уже говорили, что с течением времени они могут разрушаться, иногда необратимо. Особенно это касается лиофобных систем - золей. Поэтому существуют методы, позволяющие сохранить и повысить устойчивость коллоидов:

Добавление специальных антикоагулянтов - стабилизаторов.
Введение постоянных и временных электролитов для изменения значения электродного потенциала участников системы.

Остальные способы являются узкоспецифичными для каждого конкретного коллоида, когда учитываются все свойства раствора.

Распространение и значение коллоидных систем

Встретиться с коллоидами можно как в химической лаборатории, так и в природе. Известно, что практически все внутренние биологические вещества живого организма представляют собой именно такие дисперсные системы. Например:

цитоплазма;
строма;
костный мозг и прочие.

Среди строительных материалов очень много именно коллоидных систем, которые обладают хорошими техническими характеристиками. Это бетон, металлические сплавы, глиносодержащие соединения, пены, аэрозоли и так далее.

Фармацевтика вообще невозможна без коллоидов. Все пасты, мази, гели, суспензии и эмульсии - это лекарственные средства, представляющие собой рассматриваемые нами системы. Поэтому переоценить значение и распространение коллоидов сложно, они одни из самых распространенных и широко используемых видов агрегатного состояния вещества.