Какие свойства не характерны для коллоидных систем
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 20 ноября 2019;
проверки требует 1 правка.
Коллоидные системы, коллоиды (др.-греч. κόλλα — клей + εἶδος — вид; «клеевидные») — дисперсные системы, промежуточные между истинными растворами и грубодисперсными системами — взвесями, в которых дискретные частицы, капли или пузырьки дисперсной фазы, имеющие размер хотя бы в одном из измерений от 1 до 100 нм, распределены в дисперсионной среде, обычно непрерывной, отличающейся от первой по составу или агрегатному состоянию. В свободнодисперсных коллоидных системах (дымы, золи) частицы не выпадают в осадок.
Основные свойства[править | править код]
- Коллоидные частицы не препятствуют прохождению света.
- В прозрачных коллоидах наблюдается рассеивание светового луча (эффект Тиндаля).
- Дисперсные частицы не выпадают в осадок — Броуновское движение поддерживает их во взвешенном состоянии, но в отличие от броуновского движения частиц, дисперсные частицы в коллоидных растворах не могут встретиться, что обусловлено одинаковым зарядом частиц.
Основные виды[править | править код]
- дым — взвесь твёрдых частиц в газе.
- туман — взвесь жидких частиц в газе.
- аэрозоль — состоит из мелких твёрдых или жидких частиц, взвешенных в газовой среде
- пена — взвесь газа в жидкости или твёрдом теле.
- эмульсия — взвесь жидких частиц в жидкости.
- золь — ультрамикрогетерогенная дисперсная система, лиозоль — золь с жидкостью в качестве дисперсионной среды.
- гель — взвесь из двух компонентов, один из которых образует трёхмерный каркас, пустоты в котором заполнены низкомолекулярным растворителем (обладает некоторыми свойствами твёрдого тела).
- суспензия — взвесь твёрдых частиц в жидкости.
Коллоидные системы, применяемые в химическом анализе[править | править код]
Из коллоидных систем наибольшее значение для химического анализа имеют гидрозоли — двухфазные микрогетерогенные дисперсные системы, характеризующиеся предельно высокой дисперсностью, в которых дисперсионной средой является вода — наиболее часто применяемый в аналитической практике растворитель. Встречаются также органозоли, в которых дисперсионной средой являются неводные (органические) растворители. В результате молекулярного сцепления частиц дисперсной фазы из золей при их коагуляции образуются гели. При этом не происходит разделения фаз; другими словами, переход золей в гель не является фазовым превращением.
При образовании геля вся дисперсионная среда (например, вода в гидрозоле) прочно связывается поверхностью частиц дисперсной фазы и в ячейках пространственной структуры геля. Гели способны обратимо восстанавливать свою пространственную структуру во времени, но после высушивания наступает разрушение их структуры и они теряют эту способность.
Коллоидные свойства галогенидов серебра[править | править код]
В процессе титрования галогенид-ионов растворами солей серебра получаются галогениды серебра, весьма склонные к образованию коллоидных растворов. В присутствии избытка ионов Наl−, то есть до точки эквивалентности при титровании галогенидов ионами серебра или после точки эквивалентности при титровании ионов серебра галогенидами, вследствие адсорбции ионов Hal− взвешенные частицы AgHal приобретают отрицательный заряд:
mAgHal + nНаl− → [AgHal]m · nНаl−
В присутствии избытка ионов Ag± (то есть до точки эквивалентности при титровании ионов серебра галогенидами или после точки эквивалентности при титровании галогенидов ионами серебра) взвешенные частицы приобретают положительный заряд:
mAgHal + nAg+ → [AgHal]m · nAg+
Таким образом, заряд взвешенной частицы [AgHal]m · nHal− или [AgHal]m · nAg+ определяется зарядом ионов, адсорбированных на поверхности ядра мицеллы [AgHal]m, и зависит от наличия в системе избытка Hal− или Ag+, обусловливающих отрицательный или положительный заряд взвешенной частицы золя.
Помимо адсорбционного слоя, находящегося на поверхности ядра мицеллы и обусловливающего определенный электрический заряд, в состав мицеллы входит также часть ионов противоположного знака, образующих второй (внешний) слой ионов.
Например, в процессе титрования иодида калия раствором нитрата серебра
Ag+ + NO3− + К+ + I− → AgI + K+ + NO3−
образуются мицеллы следующего строения:
- мицеллы, образуемые Ag при избытке нитрата серебра:
{[AgI]m · nAg+ · (n − x)NO3−}x+ · xNO3−
- мицеллы, образуемые AgI при избытке иодида калия:
{[AgI]m · nI− · (n − x)K+}x− · xK+
Коллоидные частицы, несущие одноимённые электрические заряды, отталкиваются друг от друга. Силы взаимного отталкивания мешают частичкам сблизиться настолько, чтобы произошло взаимное притяжение. В то же время заряженные частички обладают высокой адсорбционной способностью, они притягивают к себе частицы, несущие обратные по знаку электрические заряды, и образуют с ними малорастворимые соединения. В первую очередь на поверхности заряженных коллоидных частиц адсорбируются те ионы, которые дают наименее растворимые осадки с ионами, входящими в состав этих частиц. Кроме того, адсорбируются те ионы, концентрация которых наибольшая. Например, при осаждении AgI могут соосаждаться вместе с ним Вr−, Cl−, SCN− и другие ионы. При титровании галогенидов, не содержащих посторонних примесей, осадком адсорбируются имеющиеся в растворе ионы Наl−, сообщая частичкам AgHal отрицательные заряды. И в том, и в другом случаях результаты титрования искажаются. Поэтому требуется строго соблюдать условия осаждения, рекомендуемые в методиках определения тех или иных веществ.
Анализ коллоидных систем[править | править код]
Существует несколько методов анализа коллоидных систем, среди них есть химические и физико-химические методы: анализ с помощью адсорбционных индикаторов; методы на основе измерения рассеяния проходящего света (нефелометрия и турбидиметрия); методы на основе измерения скорости седиментации (Седиментационный анализ), а также скорости Броуновского движения в коллоидных системах (анализ траекторий наночастиц), динамическое и статическое светорассеяние.
См. также[править | править код]
- Агрегация
- Сыпучее тело
- Кристаллоид
- Стабильность коллоидного раствора
- Дисперсная система
Источники[править | править код]
- Морозова Э.Я. Коллоидная химия.Конспект лекций. — Витебск: ВГМУ, 2003. — 86 с.
Ссылки[править | править код]
- Коллоидный журнал
- Системы дисперсные и коллоидные. Базовая терминология — см. «https://samlib.ru/a/anemow_e_m/ege-6.shtml»
Молекулярно-кинетические явления в коллоидных растворах
Одним из характерных свойств коллоидных растворов является наличие в них броуновского движения. Броуновское движение – это хаотичное перемещение частиц дисперсной фазы, возникающее в результате не скомпенсированного воздействия молекул дисперсионной среды. Молекулы среды находятся в непрерывном тепловом движении и при своем перемещении они ударяются о коллоидные частицы. Количество ударов с разных сторон неодинаково и поэтому возникает импульс силы, заставляющий частиц перемещаться. Интенсивность броуновского движения обратно пропорциональна размеру частиц и как только размер частиц приближается к 10-5 м, броуновское движение прекращается. Это происходит, потому что с увеличением площади поверхности частиц возрастает вероятность скомпенсированности ударов со стороны молекул окружающей среды. Интенсивность движения связана с размером частиц через коэффициент диффузии и выражается уравнением Эйнштейна:
D = Ö2Дt
Здесь D — среднее смещение одной частицы от исходного положения за время наблюдения t (тау), Д – коэффициент диффузии.
Следовательно, броуновское движение в коллоидных растворах прямо пропорционально диффузии. Диффузия – это самопроизвольное выравнивание концентрации растворенных веществ в результате теплового движения молекул. Как и в истинных растворах, диффузия в коллоидных растворах подчиняется закону Фика, а коэффициент диффузии выражается уравнением Эйнштейна-Смолуховского:
Д = RT / N 3Пrh
Здесь R – газовая постоянная, Т – абсолютная температура, N – число Авогадро, 3П – коэффициент, характеризующий шарообразную форму частиц, r – радиус частиц и h (этта) — вязкость среды.
Из уравнения следует, что скорость диффузии тем меньше, чем больше размер частиц. В коллоидных растворах частицы несравнимо больше молекул или ионов растворенного вещества в обычных истинных растворах и поэтому скорость диффузии в их растворах будет небольшая.
В коллоидных растворах, как и в истинных, проявляется осмотическое давление. Осмотическое давление – это избыточное гидравлическое давление, оказываемое на полупроницаемую мембрану и возникающее в процессе осмоса. Осмосом называют одностороннее проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в сторону большей концентрации растворенного вещества. Этот процесс можно наблюдать в ходе простого опыта (объяснить на примере).
Величина осмотического давления выражается уравнением Вант-Гоффа:
Р = СRT;
где С – молярная концентрация растворенного вещества, R – универсальная газовая постоянная и Т – абсолютная температура.
В виду большого размера коллоидных частиц концентрация их растворов, как правило, невысокая и поэтому осмотическое давление будет значительно ниже, чем в истинных растворах. Кроме того, осмотическое давление в коллоидных системах постоянно меняется из-за изменения числа частиц в растворе, происходящим вследствие процесса коагуляции.
В противоположность осмотическому давлению вязкость коллоидных раствор значительно выше вязкости истинных растворов. Вязкость — это понятие, которое характеризует способность жидкости или газа к текучести. Эта способность определяется взаимодействием между молекулами или ионами растворенного вещества с молекулами растворителя. Чем более выражено это взаимодействие, тем выше вязкость раствора. Например, вода растекается, значительно быстрее, чем силикатный клей. Это означает, что вязкости воды значительно ниже вязкости клея. Повышенная вязкость коллоидных растворов обусловлена, способностью коллоидных частиц связывать значительно большего числа молекул растворителя благодаря своему размеру.
Эйнштейн установил, что вязкость коллоидных растворов, в которых частицы сферичны и не взаимодействуют друг с другом, прямо пропорциональна их объемной концентрации:
h = h0 (1 + КСv);
где h — вязкость коллоидного раствора, h0 — вязкость растворителя, К – коэффициент, зависящий от формы частиц, Сv – объемная концентрация частиц в коллоидном растворе.
Чаще всего вязкость коллоидных растворов не подчиняется уравнению Эйнштейна, так как она еще зависит от способности частиц к сольватации.
В коллоидных растворах наблюдается седиментация. Седиментация – это процесс оседания коллоидных частиц под действием силы тяжести. Стокс установил, что скорость седиментации прямо пропорциональна размеру коллоидных частиц:
S = 2r2 (d1 – d2) g
9h
где S – скорость седиментации, r – радиус частиц, d1 и d2 – плотность коллоидных частиц и растворителя, g – коэффициент свободного падения, h — вязкость растворителя.
Процессу седиментации коллоидных частиц противодействует процесс диффузии и, когда эти два процесса уравновешиваются, наступает седиментационное равновесие. Это приводит к распределению частиц по высоте раствора в соответствии с их размером. Крупные частицы концентрируются ближе ко дну сосуда, а мелкие распределяются по высоте более или менее равномерно.
Из уравнения Стокса следует, что скорость седиментации можно значительно ускорить за счет повышения коэффициента свободного падения. Этот коэффициент возрастает при помещении коллоидного раствора во вращающийся вокруг своей оси ротор. Вращательное движение приводит к увеличению центробежной силы, которая и вызывает повышение коэффициента свободного падения, а значит и скорости седиментации. Этот принцип и осуществлен в приборах названных центрифугами. Наиболее часто в медицинской практике центрифугирование используется с цель получения плазмы крови, для выделения клеточных органелл и клеток.
Определение скорости оседания положено в основу седиментационного анализа, с помощью которого определяют размер частиц и их фракционный состав, то есть число частиц разного размера. Седиментационный анализ широко используется и в практической медицине в виде определения скорости оседания эритроцитов (СОЭ). Скорость оседания эритроцитов изменяется при различных заболеваниях, так как она определяется функциональным состоянием кровеносной системы, которая весьма чувствительна к различным патологическим воздействиям.
Оптические свойства коллоидных систем
В коллоидных растворах, в отличие от обычных растворов, происходит частичное светорассеяние. Это явление было открыто Фарадеем и изучено Тиндалем. Его можно наблюдать в виде светящегося конуса, если смотреть сбоку на освещаемый раствор. Явление Фарадея-Тиндаля часто наблюдается в природе. Это видимые лучи прожектора, солнечные лучи в запыленной комнате. Появление светящего конуса в коллоидных растворах объясняется тем, что размер коллоидных частиц соизмерим с половиной длин волн видимого света и основывается на двух физических явлениях – рассеяние световых волн и их дифракции (огибание волной препятствия). Светорассеяние происходит, потому что коротковолновая часть спектра видимого света, попадая на частицы, отражаются от них и рассеиваются во все стороны, благодаря чему мы и наблюдаем это явление. Длинноволновая часть световых лучей способна огибать частицы, так как их размер больше чем размер коллоидных частиц и тем самым вызывает расширение светового потока по мере прохождения его через раствор. Следовательно, явление Фарадея — Тиндаля обусловлено дифракционным рассеянием световых волн на коллоидных частицах.
Интенсивность светорассеяния определяется законом Рэлея, который установил, что интенсивность светорассеяния прямо пропорционально числу частиц, их размеру и обратно пропорциональна четвертой степени длины волны падающего света:
I = I0 K N V
l4
где I – интенсивность светорассеяния, I0 — интенсивность фонового света, К – коэффициент, представляющий отношение показателей преломления вещества дисперсной фазы и дисперсионной среды, N – число частиц в 1 дм3, V – средний объем одной частицы, l — длина волны падающего света.
Как следует из закона Рэлея, наиболее интенсивно будут рассеиваться лучи с наименьшей длиной волны, то есть лучи голубой части спектра. Поэтому коллоидные растворы с бесцветными частицами имеют голубоватый оттенок. Это голубоватое как бы само свечение, заметное в условиях рассеянного освещения, называется опалесценцией. Опалесцирует сыворотка крови, раствор крахмала. Цвет неба также обусловлен рассеянием коротковолновой части спектра видимого света на различных взвешенных частицах атмосферы. Часто коллоидные частицы имеют собственную окраску. Тогда наслоение голубоватого оттенка на собственный цвет частиц вызывает явление дихроизма или двойного окрашивания. При наблюдении сбоку раствор имеет один оттенок, а при наблюдении прямо на просвет – другой.
Явление светорассеяния используется в работе ультрамикроскопа и нефелометра. Ультрамикроскоп представляет собой обычный оптический микроскоп, в котором специальной фокусирующей системой создается боковое освещение коллоидного раствора от электрической дуги. При этом коллоидные частицы выглядят как светящиеся точки на темном фоне. Ультрамикроскоп позволяет наблюдать броуновское движение частиц, определить их концентрацию, а иногда и форму.
Нефелометр – оптический прибор, в котором измеряется интенсивность светорассеяния. Измерение светорассеяние путем сравнения со стандартным раствором или путем расчета по уравнению Рэлея, позволяет определить размер коллоидных частиц и их концентрацию в растворе.
Строение коллоидных частиц
Строение собственно самих коллоидных частиц различно в зависимости от того являются ли они лиофильными или лиофобными.
Лиофильные коллоидные частицы обычно состоят из дифильных молекул поверхностно-активных веществ или высокомолекулярных соединений. В таких лиофильных частицах в водном растворе углеводородные группировки отдельных молекул обращены внутрь частицы, а гидрофильные полярные группировки обращены наружу, в сторону воды, так что вся частица имеет гидрофильную поверхность. Вокруг нее образуется большая многослойная сольватная оболочка из молекул растворителя, придающая высокую устойчивость в растворе всей лиофильной частице. Таким образом, по внутренней структуре лиофильные коллоидные частицы являются микрокапельками.
Лиофобные частицы представляют агрегаты из молекул трудно растворимого вещества, имеющие кристаллическое строение. Сам кристаллический агрегат из отдельных молекул называется ядром частицы. На ядре происходит эквивалентная адсорбция ионов электролита, присутствующего в растворе. Такой электролит называется ионогенным или стабилизирующим. Адсорбция ионов происходит в соответствии с правилом Панета-Фаянса (в первую очередь адсорбируются те ионы, которые входят в состав адсорбента). Ионы, адсорбирующиеся непосредственно на поверхности ядра, называются потенциалопределяющими, потому что именно они определяют заряд частиц. Поверх потенциалопределяющих ионов адсорбируются ионы противоположного заряда, называемые противоионами. Часть противоионов связываются очень прочно и вместе с потенциалопредяющими ионами образуют на поверхности ядра адсорбционный слой. Адсорбционный слой прочно удерживается на ядре частицы так, что создается единое целое, называемое гранулой. Гранула свободно перемещается в растворе, она имеет заряд за счет избытка потенциалопределяющих ионов над противоионами в адсорбционном слое. Другая часть противоионов связывается не прочно. Они участвуют в тепловом движении, располагаются рыхло и в совокупности образуют поверх адсорбционного слоя диффузный слой. Гранула вместе с диффузным слоем представляет полную коллоидную частицу, называемую мицеллой. Мицелла электронейтральна. Однако, поскольку при движении частиц противоионы диффузного слоя могут отставать и отрываться, то в растворе коллоидные частицы проявляют заряд гранул.
Например.
AgNO3 + KI = AgI + KNO3,
в этом случае реакция заканчивается выпадением AgI в осадок. Поэтому для получения коллоидного раствора AgI необходимо взять одно из веществ в избытке. Если избыток КI
{[mAI],n I-,(n-x)K+}x- xK+
Все свойства коллоидно-дисперсных систем можно разделить на три основные группы: молекулярно-кинетические, оптические и электрокинетические.
Рассмотрим молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов, к ним относят:
Броуновское движение– непрерывное хаотичное движение частиц по всему объему. Причем расстояние, на которое перемещается частица в данном направлении за определенное время (называемое смещением) будет тем больше, чем меньше вязкость дисперсионной среды и размер частиц, и чем выше температура.
Другое молекулярно-кинетическое свойство – это диффузия. Диффузия– это самопроизвольный процесс выравнивания концентраций по всему объему под влиянием броуновского движения. Причем скорость диффузии возрастает с ростом температуры и уменьшением размера частиц и вязкости дисперсионной среды, т. е. от тех же факторов, что и смещение при броуновском движении.
Третье молекулярно-кинетическое свойство коллоидных растворов – это осмотическое давление. Оно очень мало и с трудом поддается измерению. Это связано с тем, что осмотическое давление коллоидных растворов определяется не молярной концентрацией (p = CRT) находящегося в дисперсионной среде вещества, а числом частиц в единице объема, которое много меньше, чем концентрация.
По оптическим свойствам коллоидные растворы существенно отличаются от истинных растворов низкомолекулярных веществ и грубодисперсных систем. Это связано с тем, что в коллоидных растворах размер частиц соизмерим с длиной волны падающего света, поэтому наиболее характерными оптическими свойствами коллоидно-дисперсных систем являютсяопалесценция, эффект Фарадея-Тиндаля, адсорбция света поверхность коллоидных частиц.
Опалесценция– это явление рассеяния света мельчайшими частицами (самосвечение каждой частицы). Поэтому окраска золей в отраженном и проходящем свете будет различной. Например, белые золи в проходящем свете имеют красно-желтую окраску, а в отраженном – голубоватую.
Эффект Фарадея-Тиндаля (1857): образование светового конуса при прохождении луча света через коллоидный раствор. Для того, чтобы решить, является раствор коллоидным или нет, необходимо проверить его на эффект Фарадея-Тиндаля.
Окраска коллоидно-дисперсных систем связана с адсорбцией света поверхности частиц. Если тело способно поглощать все длины волн падающего света, то оно называется абсолютно черным; если тело отражает свет, то оно называется белым. Большинство тел способно поглощать лишь часть спектра, т. е. они обладают избирательной адсорбцией, и этим объясняется интенсивная окраска коллоидно-дисперсных систем, которая во много раз превышает интенсивность окраски истинных растворов.
К электрокинетическим свойствам относят электроосмос и электрофорез.
Электроосмос– это явление перемещения жидкости в электрическом поле относительно неподвижной твердой поверхности (движение частиц дисперсионной среды).
Электрофорез– явление перемещения твердых частиц в электрическом поле относительно неподвижной жидкости к электроду, знак которого противоположен заряду перемещающихся частиц (движение частиц дисперсной фазы).
Эти явления впервые были обнаружены Ф. Ф. Рейссом(1909) при воздействии постоянного электрического тока на диспергированную в воде глину (рис. 9). Под действием электрического тока, отрицательно заряженные частицы глины перемещаются к аноду с зарядом «+», а дисперсная среда, имеющая положительно заряженные ионы водорода (H+) перемещается в сторону катода, с зарядом «-». При этом в трубке с анодом уровень жидкости уменьшается и раствор мутнеет, а в трубке с катодом уровень жидкости увеличивается и она остается прозрачной.