Взаимная коагуляция золей

Коагуляция золя может быть вызвана его взаимодействием с другим золем, частицы которого имеют противоположный заряд. Так, смешение золя гидроксида железа, частицы которого имеют положительный заряд, с отрицательно заряженным золем сульфида мышьяка приводит к их взаимной коагуляции:

{[Fe(OH)₃]m · n FeO+· (n-x)Cl–}x+ · xCl–               {[Аs₂S₃]m · n НS–· (n-x)Н+}x– · xН+

В данном случае коагуляция обусловлена тем, что коллоидные частицы одного вида являются как бы очень крупными многозарядными ионами – коагулянтами для частиц другого вида. Взаимная коагуляция коллоидных систем может наблюдаться и тогда, когда частицы золей имеют одноименный заряд; в этом случае причиной потери устойчивости одного из золей является сильная специфическая адсорбция иона – стабилизатора данной системы поверхностью коллоидных частиц другой системы.

Старение золей и пептизация

Термодинамическая неустойчивость лиофобных коллоидных систем является причиной старения золей – самопроизвольной коагуляции (автокоагуляции) золей. Автокоагуляция золей происходит значительно медленнее, чем коагуляция электролитами; так, золи золота могут сохраняться без видимых изменений десятилетиями. Одной из основных причин старения золей является медленно совершающийся процесс перекристаллизации вещества ядра.

Пептизацией (дезагрегацией) называется процесс расщепления коагулировавшего золя (коагулята) на первичные частицы – процесс, противоположный коагуляции. Пептизация возможна лишь тогда, когда структура частиц в коагуляте не изменена по сравнению с первоначальной (т.е. когда еще не произошло полного сращивания частиц и они слабо связаны друг с другом). Различают непосредственную и опосредованную пептизацию.

Непосредственная пептизация происходит в результате добавления к коагуляту электролита, содержащего потенциалопределяющий ион; в результате его специфической адсорбции на поверхности частиц дисперсной фазы их заряд вновь увеличивается, толщина двойного электрического слоя возрастает. Это приводит к тому, что силы отталкивания между частицами начинают преобладать над силами притяжения; происходит деагрегация – распад образовавшегося ранее агрегата из слипшихся частиц. 

Опосредованная пептизация вызывается добавлением в систему вещества, химическое взаимодействие которого с поверхностью коагулята приводит к высвобождению потенциалопределяющих ионов. Например, коагулировавший золь гидроксида железа(III) может быть пептизирован добавлением в систему либо какой-либо соли железа (непосредственная пептизация), либо соляной кислоты (опосредованная пептизация).

Между ядром и раствором возникает полный электрический потенциал или термодинамический (фи)-потенциал. Это – разность потенциалов, созданных всеми положительными и отрицательными зарядами мицеллы. Другой потенциал, называемый электрокинетическим, или (дзета)-потенциалом, существует между слоем ионов адсорбционного слоя и диффузного слоя. Электрокинетический потенциал назван так потому, что диффузный слой подвижен и может смещаться при движении мицеллы. Этот потенциал составляет часть термодинамического потенциала и всегда меньше его (рис. 4).

Рис. 4 Сопоставление термодинамического ( ) и электрокинетического ( ) потенциалов

Слой ионов вокруг агрегата образуется за счет электростатического взаимодействия и химических связей с ионами агрегата. Это прочный и плотный слой, сохраняющийся при изменении условий существования гранулы (если, конечно, дисперсная система не разрушается). Адсорбционный слой противоионов вокруг ядра образуется также за счет электростатического взаимодействия с ионами потенциалобразующего слоя и благодаря взаимодействиям типа сил Ван-дер-Ваальса. Это плотный слой, и ионы в нем закреплены довольно прочно. Ионы диффузного слоя не закреплены прочно и могут смещаться и даже отрываться от гранулы в электрическом поле или при движении мицеллы.

Электрокинетический потенциал снижается по мере удаления от поверхности гранулы (или твердого тела). На -потенциал влияет концентрация ионов в растворе. При увеличении концентрации ионов -потенциал уменьшается за счет перехода части ионов диффузного слоя в адсорбционный слой или благодаря замене ионов с зарядом одного знака на ионы с зарядом другого знака.

Добавление ионов, особенно многозарядных, может привести к их адсорбции в таких количествах, что произойдет перезарядка гранулы и изменение знака электрокинетического потенциала. Когда все противоионы находятся в адсорбционном слое, -потенциал становится равным нулю. Подобное состояние называется изоэлектрическим состоянием (изоэлектрической точкой).

С увеличением концентрации ионов электрокинетический потенциал уменьшается, проходит через изоэлектрическую точку, изменяет знак и снова увеличивается. В изоэлектрическом состоянии электрокинетический потенциал равен нулю, и в этом состоянии дисперсные системы наименее устойчивы, частицы укрупняются, выпадают в осадок, и из ядра, играющего роль кристаллического зародыша, вырастает кристалл. Лиофильные системы в отличие от лиофобных в изоэлектрическом состоянии устойчивы (кроме некоторых белков).

Знак заряда гранулы может меняться при смене растворителя, а также при изменении среды раствора. У амфотерного гидроксида алюминия знак заряда гранулы в кислотной и нейтральной средах положителен и потенциалопределяющими являются ионы алюминия; в слабощелочной среде знак заряда гранулы становится отрицательным (потенциалопределяющие ионы – алюминат- или гидроксид-ионы, противоионы – катионы). Смена знака заряда происходит при переходе через значение рН, соответствующее изоэлектрической точке.

Знак заряда коллоидной частицы устанавливается по направлению ее движения к соответствующему электроду при пропускании постоянного электрического тока. Знак заряда может быть определен другим очень простым способом – по характеру взаимодействия окрашенных коллоидных частиц с целлюлозой бумаги. В водной среде капилляры целлюлозы заряжаются отрицательно, а находящаяся в них вода – положительно. Вдоль полоски фильтровальной бумаги (целлюлоза) по ее капиллярам могут передвигаться частицы, имеющие тот же заряд, что и целлюлоза, т.е. отрицательно заряженные частицы. Положительно заряженные частицы задерживаются на стенках капилляров в самом начале пути.

При исследовании бесцветного коллоидного раствора пропитанную раствором бумагу следует высушить и обработать реактивом, окрашивающим коллоидные частицы. Подобный анализ представляет собой вариант хроматографического анализа на бумаге.

Положительный знак заряда имеют гранулы гидроксидов Fe(OH)₃, Al(OH)₃, Cr(OH)₃, Ti(OH)₃ и др. Отрицательный знак заряда имеют гранулы некоторых гидроксидов, оксидов MnO₂, SnO₂, SiO₂, золи кремниевой кислоты, сульфидов As₂S₃, PbS и других, коллоиды высокодисперсных металлов Au, Ag, Pt и серы S, а также глинистые коллоиды и гуминовые кислоты почвы.

Явления смещения диффузного слоя в мицелле и даже его отрыва или, наоборот, возникновения разности потенциалов при движении мицеллы называют электрокинетическими явлениями. Все электрокинетические явления связаны с наличием двойного электрического слоя и определяются электрокинетическим потенциалом. Эти явления наблюдаются в дисперсных системах и в капиллярах и связаны с подвижностью диффузного слоя ионов. На электрокинетических явлениях основаны некоторые методы очистки воды. Из этих явлений наиболее важны электроосмос и электрофорез.

В плоскую чашку положим влажную глину и воткнем в нее две стеклянные трубки, в которые нальем воду с добавкой небольшого количества электролита для увеличения электропроводности (рис. 5). В воду опустим электроды и соединим их с источником постоянного тока.

Рис.5 Электрофорез

Через некоторое время жидкость в трубке с положительным электродом становится мутной из-за подъема частиц глины к электроду. Одновременно уровень жидкости в этой трубке понизится, а в другой поднимется. Этот опыт показывает, что частицы глины имеют отрицательный заряд и перемещаются в электрическом поле.

Движение дисперсных частиц относительно дисперсионной среды (жидкой и газообразной) под действием электрического поля называется электрофорезом. В водной среде частица двигается к электроду, знак заряда которого противоположен знаку электрокинетического потенциала.

Диффузный слой ионов мицеллы непрочен, при перемещении мицеллы происходит его частичное разделение, при этом дисперсная фаза и дисперсионная среда приобретают противоположные заряды. В электрическом поле гранула перемещается к одному полюсу, а часть противоионов диффузного слоя отрывается от мицеллы и передвигается к противоположному полюсу (рис. 6).

Рис. 6. Схема электрофореза

В отличие от электролиза при электрофорезе не происходит выделения дисперсного вещества, мицеллы не разрушаются, а наблюдается концентрирование коллоидных примесей с последующим удалением их из приэлектродной зоны.

Если в электрическом поле коллоидная частица не перемещается, то у нее нет заряда, она электронейтральна, что может указывать на ее изоэлектрическое состояние.

На электрофорезе основаны очистка воды, улавливание частиц дыма или пыли, выделение белков, аминокислот, витаминов и т.п. Поскольку вместе с гранулами передвигаются молекулы жидкости, составляющие их сольватные оболочки, электрофорезом производят частичное обезвоживание различных материалов (глины, почвы, мокрого торфа).

В медицине электрофорезом через кожу или слизистые оболочки вводят лекарственные вещества. При электрофорезе частицы могут перезаряжаться и заряжаться. Например, хотя частицы белка электронейтральны, в кислотной среде белок передвигается к катоду, а в щелочной – к аноду.

Если вместо глины взять пористую диафрагму (мембрану) или перегородку из пористого фарфора или стекла, плотной или смерзшейся почвы, то через мембрану в электрическом поле будет проходить жидкость без дисперсных частиц (рис. 7). Это явление называется электроосмосом. Электроосмос – перемещение дисперсионной среды под действием электрического поля: противоионы диффузного слоя притягиваются к соответствующему электроду и увлекают за собой жидкость дисперсионной среды. Электроосмос проявляется также при движении жидкости дисперсной системы через капилляры или поры диафрагмы под действием электрического тока. Электроосмосом можно объяснить некоторые природные процессы. Электроосмос используют для обезвоживания древесины, грунта, торфа и других материалов.

Рис. 7. Схема электроосмоса

Электрокинетические явления осуществимы только в том случае, если частицы заряжены. Благодаря электрокинетическим явлениям может быть определен знак заряда коллоидной частицы, величина электрокинетического потенциала и изучены другие свойства дисперсных систем. 

   КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ

  Агрегативная устойчивость лиофобных коллоидов.

Строение коллоидной мицеллы

Лиофобные коллоиды обладают очень высокой поверхностной энергией и являются поэтому термодинамически неустойчивыми; это делает возможным самопроизвольный процесс уменьшения степени дисперсности дисперсной фазы (т.е. объединение частиц в более крупные агрегаты) – коагуляцию золей. Тем не менее золям присуща способность сохранять степень дисперсности – агрегативная устойчивость, которая обусловлена, во-первых, снижением поверхностной энергии системы благодаря наличию на поверхности частиц дисперсной фазы двойного электрического слоя и, во-вторых, наличием кинетических препятствий для коагуляции в виде электростатического отталкивания частиц дисперсной фазы, имеющих одноименный электрический заряд.

Строение структурной единицы лиофобных коллоидов – мицеллы – может быть показано лишь схематически, поскольку мицелла не имеет определенного состава. Рассмотрим строение коллоидной мицеллы на примере гидрозоля иодида серебра, получаемого взаимодействием разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия:

AgNO₃ + KI  ––>   AgI + KNO₃

Коллоидная мицелла золя иодида серебра образована микрокристаллом иодида серебра, который способен к избирательной адсорбции из окружающей среды катионов Ag+ или иодид-ионов. Если реакция проводится в избытке иодида калия, то кристалл будет адсорбировать иодид-ионы; при избытке нитрата серебра микрокристалл адсорбирует ионы Ag+. В результате этого микрокристалл приобретает отрицательный либо положительный заряд; ионы, сообщающие ему этот заряд, называются потенциалопределяющими, а сам заряженный кристалл – ядром мицеллы. Заряженное ядро притягивает из раствора ионы с противоположным зарядом – противоионы; на поверхности раздела фаз образуется двойной электрический слой. Некоторая часть противоионов адсорбируется на поверхности ядра, образуя т.н. адсорбционный слой противоионов; ядро вместе с адсорбированными на нем противоионами называют коллоидной частицей или гранулой. Остальные противоионы, число которых определяется, исходя из правила электронейтральности мицеллы, составляют диффузный слой противоионов; противоионы адсорбционного и диффузного слоев находятся в состоянии динамического равновесия адсорбции – десорбции.

Схематически мицелла золя иодида серебра, полученного в избытке иодида калия (потенциалопределяющие ионы – анионы I–, противоионы – ионы К+) может быть изображена следующим образом:

{[AgI]m · nI– · (n-x)K+}x– · x K+

При получении золя иодида серебра в избытке нитрата серебра коллоидные частицы будут иметь положительный заряд:

{[AgI]m · nAg+ · (n-x)NO₃^–}x+ · x NO₃^–  

 

Рис  Строение коллоидной мицеллы  

Агрегативная устойчивость золей обусловлена, таким образом, рядом факторов: во-первых, снижением поверхностной энергии дисперсной фазы (т.е. уменьшения движущей силы коагуляции) в результате образования двойного электрического слоя и, во-вторых, наличием кинетических препятствий для коагуляции в виде электростатического отталкивания имеющих одноименный заряд коллоидных частиц и противоионов. Еще одна причина устойчивости коллоидов связана с процессом гидратации (сольватации) ионов. Противоионы диффузного слоя сольватированы; эта оболочка из сольватированных противоионов также препятствует слипанию частиц.

  Коагуляция лиофобных коллоидов

Как было показано выше, лиофобные коллоиды являются термодинамически неустойчивыми системами, существующими благодаря стабилизации за счет возникновения двойного электрического слоя. Изменение состояния ДЭС может, следовательно, привести к потере агрегативной устойчивости – слипанию частиц в более крупные агрегаты, т.е. коагуляции золя. Коагуляция золей может быть вызвана различными факторами: прибавлением электролитов, нагреванием или замораживанием, механическим воздействием и т.д. Наиболее важным и изученным фактором коагуляции гидрофобных коллоидов является воздействие на них растворов электролитов.

Для коагуляции золей электролитами установлен ряд эмпирических закономерностей.

1. Для начала коагуляции золя необходима некоторая минимальная концентрация электролита, называемая порогом коагуляции γ.

2. Коагулирующим действием обладает тот из ионов электролита, заряд которого противоположен заряду коллоидных частиц, причем коагулирующее действие иона тем сильнее, чем больше его заряд (правило Шульце – Гарди или правило значности). Величины порогов коагуляции двухзарядных ионов примерно на порядок, а трехзарядных – на два порядка меньше, чем для однозарядных ионов. Правило значности имеет приближенный характер и справедливо только для неорганических ионов; некоторые однозарядные органические ионы обладают более сильным коагулирующим действием, чем двухзарядные неорганические ионы, что обусловлено их сильной специфической адсорбируемостью.

3. В рядах неорганических ионов с одинаковыми зарядами коагулирующее действие возрастает с уменьшением гидратируемости ионов; например, в ряду однозарядных катионов щелочных металлов коагулирующее действие возрастает от лития к рубидию:

γ (Li+) > γ (Na+) > γ (К+) > γ (Rb+)

Ряды, в которые сгруппированы по возрастанию либо по убыванию коагулирующего действия ионы с одинаковым зарядом, называют лиотропными рядами.

4. В осадках, получаемых при коагуляции золей электролитами, всегда присутствуют ионы, вызвавшие коагуляцию.

5. При коагуляции золей смесями электролитов сравнительно редко наблюдается их независимое (аддитивное) действие; обычно имеет место взаимное усиление либо ослабление коагулирующего действия (синергизм либо антагонизм ионов).

Механизм и кинетика коагуляции золей электролитами

Необходимому для коагуляции сближению частиц дисперсной фазы препятствует, как было показано выше, электростатическое отталкивание имеющих одноименный заряд коллоидных частиц и противоионов и взаимодействие сольватных оболочек противоионов диффузного слоя. При добавлении к золю раствора электролита имеющееся равновесие адсорбции – десорбции между противоионами адсорбционного и диффузного слоев смещается в сторону адсорбции вследствие увеличения в дисперсионной среде концентрации ионов, имеющих заряд, противоположный заряду ядра (ионы с одноименным зарядом в равновесии адсорбции – десорбции не участвуют). Адсорбция дополнительного числа противоионов приводит к уменьшению заряда коллоидных частиц, уменьшению числа противоионов диффузного слоя (уменьшению толщины ДЭС) и, следовательно, к снижению агрегативной устойчивости золя. При достижении некоторого предельного значения заряда коллоидные частицы получают возможность сближения и объединения в более крупные агрегаты за счет ван-дер-ваальсовых сил; иными словами, происходит коагуляция золя.

Очевидно, что, поскольку при адсорбции многозарядных противоионов заряд коллоидной частицы уменьшается быстрее, чем при адсорбции того же числа однозарядных противоионов; адсорбируемость неорганических ионов с увеличением их заряда также возрастает. Следствием этого и является тот факт, что величина порога коагуляции для неорганических ионов будет тем меньше, чем больше заряд иона-коагулянта (величина порога коагуляции γ обратно пропорциональна заряду иона-коагулянта в шестой степени z6).

Процесс коагуляции золя характеризуется определенной величиной скорости коагуляции, которую можно определить как изменение числа коллоидных частиц в единице объема за единицу времени. Скорость коагуляции золя электролитами зависит как от концентрации самого золя, так и от концентрации электролитов. Типичный вид коагуляционной кривой (зависимости отношения концентрации коллоидных частиц n к их начальной концентрации nо от времени t) и кривой зависимости скорости коагуляции V от концентрации электролита С показан на рисунках 4.10-4.11. На кривой ОАБВ (рис. 4.11) отрезок ОА отвечает периоду скрытой коагуляции, при которой золь сохраняет свою устойчивость. В точке А при концентрации электролита С1 начинается явная коагуляция; на участке АБ скорость коагуляции быстро возрастает с ростом концентрации электролита. На участке БВ скорость коагуляции остается постоянной; это связано с тем, что при концентрации электролита С2 величина ζ-потенциала становится равной нулю; скорость коагуляции при этом достигает максимального значения.  

  

Рис. 1  Коагуляционная кривая.  Рис. 2  Зависимость скорости                                                                   коагуляции  от  концентрации.  

Взаимная коагуляция золей

Коагуляция золя может быть вызвана его взаимодействием с другим золем, частицы которого имеют противоположный заряд. Так, смешение золя гидроксида железа, частицы которого имеют положительный заряд, с отрицательно заряженным золем сульфида мышьяка приводит к их взаимной коагуляции:

{[Fe(OH)₃]m · n FeO+· (n-x)Cl–}x+ · xCl–               {[Аs₂S₃]m · n НS–· (n-x)Н+}x– · xН+

В данном случае коагуляция обусловлена тем, что коллоидные частицы одного вида являются как бы очень крупными многозарядными ионами – коагулянтами для частиц другого вида. Взаимная коагуляция коллоидных систем может наблюдаться и тогда, когда частицы золей имеют одноименный заряд; в этом случае причиной потери устойчивости одного из золей является сильная специфическая адсорбция иона – стабилизатора данной системы поверхностью коллоидных частиц другой системы.

Старение золей и пептизация

Термодинамическая неустойчивость лиофобных коллоидных систем является причиной старения золей – самопроизвольной коагуляции (автокоагуляции) золей. Автокоагуляция золей происходит значительно медленнее, чем коагуляция электролитами; так, золи золота могут сохраняться без видимых изменений десятилетиями. Одной из основных причин старения золей является медленно совершающийся процесс перекристаллизации вещества ядра.

Пептизацией (дезагрегацией) называется процесс расщепления коагулировавшего золя (коагулята) на первичные частицы – процесс, противоположный коагуляции. Пептизация возможна лишь тогда, когда структура частиц в коагуляте не изменена по сравнению с первоначальной (т.е. когда еще не произошло полного сращивания частиц и они слабо связаны друг с другом). Различают непосредственную и опосредованную пептизацию.

Непосредственная пептизация происходит в результате добавления к коагуляту электролита, содержащего потенциалопределяющий ион; в результате его специфической адсорбции на поверхности частиц дисперсной фазы их заряд вновь увеличивается, толщина двойного электрического слоя возрастает. Это приводит к тому, что силы отталкивания между частицами начинают преобладать над силами притяжения; происходит деагрегация – распад образовавшегося ранее агрегата из слипшихся частиц. 

Опосредованная пептизация вызывается добавлением в систему вещества, химическое взаимодействие которого с поверхностью коагулята приводит к высвобождению потенциалопределяющих ионов. Например, коагулировавший золь гидроксида железа(III) может быть пептизирован добавлением в систему либо какой-либо соли железа (непосредственная пептизация), либо соляной кислоты (опосредованная пептизация).

Между ядром и раствором возникает полный электрический потенциал или термодинамический (фи)-потенциал. Это – разность потенциалов, созданных всеми положительными и отрицательными зарядами мицеллы. Другой потенциал, называемый электрокинетическим, или (дзета)-потенциалом, существует между слоем ионов адсорбционного слоя и диффузного слоя. Электрокинетический потенциал назван так потому, что диффузный слой подвижен и может смещаться при движении мицеллы. Этот потенциал составляет часть термодинамического потенциала и всегда меньше его (рис. 8.35).

Рис. 8.35. Сопоставление термодинамического ( ) и электрокинетического ( ) потенциалов

Слой ионов вокруг агрегата образуется за счет электростатического взаимодействия и химических связей с ионами агрегата. Это прочный и плотный слой, сохраняющийся при изменении условий существования гранулы (если, конечно, дисперсная система не разрушается). Адсорбционный слой противоионов вокруг ядра образуется также за счет электростатического взаимодействия с ионами потенциалобразующего слоя и благодаря взаимодействиям типа сил Ван-дер-Ваальса. Это плотный слой, и ионы в нем закреплены довольно прочно. Ионы диффузного слоя не закреплены прочно и могут смещаться и даже отрываться от гранулы в электрическом поле или при движении мицеллы.

Электрокинетический потенциал снижается по мере удаления от поверхности гранулы (или твердого тела). На -потенциал влияет концентрация ионов в растворе. При увеличении концентрации ионов -потенциал уменьшается за счет перехода части ионов диффузного слоя в адсорбционный слой или благодаря замене ионов с зарядом одного знака на ионы с зарядом другого знака.

Добавление ионов, особенно многозарядных, может привести к их адсорбции в таких количествах, что произойдет перезарядка гранулы и изменение знака электрокинетического потенциала. Когда все противоионы находятся в адсорбционном слое, -потенциал становится равным нулю. Подобное состояние называется изоэлектрическим состоянием (изоэлектрической точкой).

С увеличением концентрации ионов электрокинетический потенциал уменьшается, проходит через изоэлектрическую точку, изменяет знак и снова увеличивается. В изоэлектрическом состоянии электрокинетический потенциал равен нулю, и в этом состоянии дисперсные системы наименее устойчивы, частицы укрупняются, выпадают в осадок, и из ядра, играющего роль кристаллического зародыша, вырастает кристалл. Лиофильные системы в отличие от лиофобных в изоэлектрическом состоянии устойчивы (кроме некоторых белков).

Знак заряда гранулы может меняться при смене растворителя, а также при изменении среды раствора. У амфотерного гидроксида алюминия знак заряда гранулы в кислотной и нейтральной средах положителен и потенциалопределяющими являются ионы алюминия; в слабощелочной среде знак заряда гранулы становится отрицательным (потенциалопределяющие ионы – алюминат- или гидроксид-ионы, противоионы – катионы). Смена знака заряда происходит при переходе через значение рН, соответствующее изоэлектрической точке.

Знак заряда коллоидной частицы устанавливается по направлению ее движения к соответствующему электроду при пропускании постоянного электрического тока. Знак заряда может быть определен другим очень простым способом – по характеру взаимодействия окрашенных коллоидных частиц с целлюлозой бумаги. В водной среде капилляры целлюлозы заряжаются отрицательно, а находящаяся в них вода – положительно. Вдоль полоски фильтровальной бумаги (целлюлоза) по ее капиллярам могут передвигаться частицы, имеющие тот же заряд, что и целлюлоза, т.е. отрицательно заряженные частицы. Положительно заряженные частицы задерживаются на стенках капилляров в самом начале пути.

При исследовании бесцветного коллоидного раствора пропитанную раствором бумагу следует высушить и обработать реактивом, окрашивающим коллоидные частицы. Подобный анализ представляет собой вариант хроматографического анализа на бумаге.

Положительный знак заряда имеют гранулы гидроксидов Fe(OH)₃, Al(OH)₃, Cr(OH)₃, Ti(OH)₃ и др. Отрицательный знак заряда имеют гранулы некоторых гидроксидов, оксидов MnO₂, SnO₂, SiO₂, золи кремниевой кислоты, сульфидов As₂S₃, PbS и других, коллоиды высокодисперсных металлов Au, Ag, Pt и серы S, а также глинистые коллоиды и гуминовые кислоты почвы.

Явления смещения диффузного слоя в мицелле и даже его отрыва или, наоборот, возникновения разности потенциалов при движении мицеллы называют электрокинетическими явлениями. Все электрокинетические явления связаны с наличием двойного электрического слоя и определяются электрокинетическим потенциалом. Эти явления наблюдаются в дисперсных системах и в капиллярах и связаны с подвижностью диффузного слоя ионов. На электрокинетических явлениях основаны некоторые методы очистки воды. Из этих явлений наиболее важны электроосмос и электрофорез.

В плоскую чашку положим влажную глину и воткнем в нее две стеклянные трубки, в которые нальем воду с добавкой небольшого количества электролита для увеличения электропроводности (рис. 8.36). В воду опустим электроды и соединим их с источником постоянного тока.

Рис. 8.36. Электрофорез частиц глины

Через некоторое время жидкость в трубке с положительным электродом становится мутной из-за подъема частиц глины к электроду. Одновременно уровень жидкости в этой трубке понизится, а в другой поднимется. Этот опыт показывает, что частицы глины имеют отрицательный заряд и перемещаются в электрическом поле.

Движение дисперсных частиц относительно дисперсионной среды (жидкой и газообразной) под действием электрического поля называется электрофорезом. В водной среде частица двигается к электроду, знак заряда которого противоположен знаку электрокинетического потенциала.

Диффузный слой ионов мицеллы непрочен, при перемещении мицеллы происходит его частичное разделение, при этом дисперсная фаза и дисперсионная среда приобретают противоположные заряды. В электрическом поле гранула перемещается к одному полюсу, а часть противоионов диффузного слоя отрывается от мицеллы и передвигается к противоположному полюсу (рис. 8.37).

Рис. 8.37. Схема электрофореза

В отличие от электролиза при электрофорезе не происходит выделения дисперсного вещества, мицеллы не разрушаются, а наблюдается концентрирование коллоидных примесей с последующим удалением их из приэлектродной зоны.

Если в электрическом поле коллоидная частица не перемещается, то у нее нет заряда, она электронейтральна, что может указывать на ее изоэлектрическое состояние.

На электрофорезе основаны очистка воды, улавливание частиц дыма или пыли, выделение белков, аминокислот, витаминов и т.п. Поскольку вместе с гранулами передвигаются молекулы жидкости, составляющие их сольватные оболочки, электрофорезом производят частичное обезвоживание различных материалов (глины, почвы, мокрого торфа).

В медицине электрофорезом через кожу или слизистые оболочки вводят лекарственные вещества. При электрофорезе частицы могут перезаряжаться и заряжаться. Например, хотя частицы белка электронейтральны, в кислотной среде белок передвигается к катоду, а в щелочной – к аноду.

Если вместо глины взять пористую диафрагму (мембрану) или перегородку из пористого фарфора или стекла, плотной или смерзшейся почвы, то через мембрану в электрическом поле будет проходить жидкость без дисперсных частиц (рис. 8.38). Это явление называется электроосмосом. Электроосмос – перемещение дисперсионной среды под действием электрического поля: противоионы диффузного слоя притягиваются к соответствующему электроду и увлекают за собой жидкость дисперсионной среды. Электроосмос проявляется также при движении жидкости дисперсной системы через капилляры или поры диафрагмы под действием электрического тока. Электроосмосом можно объяснить некоторые природные процессы. Электроосмос используют для обезвоживания древесины, грунта, торфа и других материалов.

Рис. 8.38. Схема электроосмоса

Электрокинетические явления осуществимы только в том случае, если частицы заряжены. Благодаря электрокинетическим явлениям может быть определен знак заряда коллоидной частицы, величина электрокинетического потенциала и изучены другие свойства дисперсных систем. 

   КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ

  Агрегативная устойчивость лиофобных коллоидов.

Строение коллоидной мицеллы

Лиофобные коллоиды обладают очень высокой поверхностной энергией и являются поэтому термодинамически неустойчивыми; это делает возможным самопроизвольный процесс уменьшения степени дисперсности дисперсной фазы (т.е. объединение частиц в более крупные агрегаты) – коагуляцию золей. Тем не менее золям присуща способность сохранять степень дисперсности – агрегативная устойчивость, которая обусловлена, во-первых, снижением поверхностной энергии системы благодаря наличию на поверхности частиц дисперсной фазы двойного электрического слоя и, во-вторых, наличием кинетических препятствий для коагуляции в виде электростатического отталкивания частиц дисперсной фазы, имеющих одноименный электрический заряд.

Строение структурной единицы лиофобных коллоидов – мицеллы – может быть показано лишь схематически, поскольку мицелла не имеет определенного состава. Рассмотрим строение коллоидной мицеллы на примере гидрозоля иодида серебра, получаемого взаимодействием разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия:

AgNO₃ + KI  ––>   AgI + KNO₃

Коллоидная мицелла золя иодида серебра образована микрокристаллом иодида серебра, который способен к избирательной адсорбции из окружающей среды катионов Ag+ или иодид-ионов. Если реакция проводится в избытке иодида калия, то кристалл будет адсорбировать иодид-ионы; при избытке нитрата серебра микрокристалл адсорбирует ионы Ag+. В результате этого микрокристалл приобретает отрицательный либо положительный заряд; ионы, сообщающие ему этот заряд, называются потенциалопределяющими, а сам заряженный кристалл – ядром мицеллы. Заряженное ядро притягивает из раствора ионы с противоположным зарядом – противоионы; на поверхности раздела фаз образуется двойной электрический слой. Некоторая часть противоионов адсорбируется на поверхности ядра, образуя т.н. адсорбционный слой противоионов; ядро вместе с адсорбированными на нем противоионами называют коллоидной частицей или гранулой. Остальные противоионы, число которых определяется, исходя из правила электронейтральности мицеллы, составляют диффузный слой противоионов; противоионы адсорбционного и диффузного слоев находятся в состоянии динамического равновесия адсорбции – десорбции.

Схематически мицелла золя иодида серебра, полученного в избытке иодида калия (потенциалопределяющие ионы – анионы I–, противоионы – ионы К+) может быть изображена следующим образом:

{[AgI]m · nI– · (n-x)K+}x– · x K+

При получении золя иодида серебра в избытке нитрата серебра коллоидные частицы будут иметь положительный заряд:

{[AgI]m · nAg+ · (n-x)NO₃^–}x+ · x NO₃^–  

 

Рис  Строение коллоидной мицеллы  

Агрегативная устойчивость золей обусловлена, таким образом, рядом факторов: во-первых, снижением поверхностной энергии дисперсной фазы (т.е. уменьшения движущей силы коагуляции) в результате образования двойного электрического слоя и, во-вторых, наличием кинетических препятствий для коагуляции в виде электростатического отталкивания имеющих одноименный заряд коллоидных частиц и противоионов. Еще одна причина устойчивости коллоидов связана с процессом гидратации (сольватации) ионов. Противоионы диффузного слоя сольватированы; эта оболочка из сольватированных противоионов также препятствует слипанию частиц.

  Коагуляция лиофобных коллоидов

Как было показано выше, лиофобные коллоиды являются термодинамически неустойчивыми системами, существующими благодаря стабилизации за счет возникновения двойного электрического слоя. Изменение состояния ДЭС может, следовательно, привести к потере агрегативной устойчивости – слипанию частиц в более крупные агрегаты, т.е. коагуляции золя. Коагуляция золей может быть вызвана различными факторами: прибавлением электролитов, нагреванием или замораживанием, механическим воздействием и т.д. Наиболее важным и изученным фактором коагуляции гидрофобных коллоидов является воздействие на них растворов электролитов.

Для коагуляции золей электролитами установлен ряд эмпирических закономерностей.

1. Для начала коагуляции золя необходима некоторая минимальная концентрация электролита, называемая порогом коагуляции γ.

2. Коагулирующим действием обладает тот из ионов электролита, заряд которого противоположен заряду коллоидных частиц, причем коагулирующее действие иона тем сильнее, чем больше его заряд (правило Шульце – Гарди или правило значности). Величины порогов коагуляции двухзарядных ионов примерно на порядок, а трехзарядных – на два порядка меньше, чем для однозарядных ионов. Правило значности имеет приближенный характер и справедливо только для неорганических ионов; некоторые однозарядные органические ионы обладают более сильным коагулирующим действием, чем двухзарядные неорганические ионы, что обусловлено их сильной специфической адсорбируемостью.

3. В рядах неорганических ионов с одинаковыми зарядами коагулирующее действие возрастает с уменьшением гидратируемости ионов; например, в ряду однозарядных катионов щелочных металлов коагулирующее действие возрастает от лития к рубидию:

γ (Li+) > γ (Na+) > γ (К+) > γ (Rb+)

Ряды, в которые сгруппированы по возрастанию либо по убыванию коагулирующего действия ионы с одинаковым зарядом, называют лиотропными рядами.

4. В осадках, получаемых при коагуляции золей электролитами, всегда присутствуют ионы, вызвавшие коагуляцию.

5. При коагуляции золей смесями электролитов сравнительно редко наблюдается их независимое (аддитивное) действие; обычно имеет место взаимное усиление либо ослабление коагулирующего действия (синергизм либо антагонизм ионов).

Механизм и кинетика коагуляции золей электролитами

Необходимому для коагуляции сближению частиц дисперсной фазы препятствует, как было показано выше, электростатическое отталкивание имеющих одноименный заряд коллоидных частиц и противоионов и взаимодействие сольватных оболочек противоионов диффузного слоя. При добавлении к золю раствора электролита имеющееся равновесие адсорбции – десорбции между противоионами адсорбционного и диффузного слоев смещается в сторону адсорбции вследствие увеличения в дисперсионной среде концентрации ионов, имеющих заряд, противоположный заряду ядра (ионы с одноименным зарядом в равновесии адсорбции – десорбции не участвуют). Адсорбция дополнительного числа противоионов приводит к уменьшению заряда коллоидных частиц, уменьшению числа противоионов диффузного слоя (уменьшению толщины ДЭС) и, следовательно, к снижению агрегативной устойчивости золя. При достижении некоторого предельного значения заряда коллоидные частицы получают возможность сближения и объединения в более крупные агрегаты за счет ван-дер-ваальсовых сил; иными словами, происходит коагуляция золя.

Очевидно, что, поскольку при адсорбции многозарядных противоионов заряд коллоидной частицы уменьшается быстрее, чем при адсорбции того же числа однозарядных противоионов; адсорбируемость неорганических ионов с увеличением их заряда также возрастает. Следствием этого и является тот факт, что величина порога коагуляции для неорганических ионов будет тем меньше, чем больше заряд иона-коагулянта (величина порога коагуляции γ обратно пропорциональна заряду иона-коагулянта в шестой степени z6).

Процесс коагуляции золя характеризуется определенной величиной скорости коагуляции, которую можно определить как изменение числа коллоидных частиц в единице объема за единицу времени. Скорость коагуляции золя электролитами зависит как от концентрации самого золя, так и от концентрации электролитов. Типичный вид коагуляционной кривой (зависимости отношения концентрации коллоидных частиц n к их начальной концентрации nо от времени t) и кривой зависимости скорости коагуляции V от концентрации электролита С показан на рисунках 4.10-4.11. На кривой ОАБВ (рис. 4.11) отрезок ОА отвечает периоду скрытой коагуляции, при которой золь сохраняет свою устойчивость. В точке А при концентрации электролита С1 начинается явная коагуляция; на участке АБ скорость коагуляции быстро возрастает с ростом концентрации электролита. На участке БВ скорость коагуляции остается постоянной; это связано с тем, что при концентрации электролита С2 величина ζ-потенциала становится равной нулю; скорость коагуляции при этом достигает максимального значения.  

  

Рис. 1  Коагуляционная кривая.  Рис. 2  Зависимость скорости                                                                   коагуляции  от  концентрации.  

Взаимная коагуляция золей

Коагуляция золя может быть вызвана его взаимодействием с другим золем, частицы которого имеют противоположный заряд. Так, смешение золя гидроксида железа, частицы которого имеют положительный заряд, с отрицательно заряженным золем сульфида мышьяка приводит к их взаимной коагуляции:

{[Fe(OH)₃]m · n FeO+· (n-x)Cl–}x+ · xCl–               {[Аs₂S₃]m · n НS–· (n-x)Н+}x– · xН+

В данном случае коагуляция обусловлена тем, что коллоидные частицы одного вида являются как бы очень крупными многозарядными ионами – коагулянтами для частиц другого вида. Взаимная коагуляция коллоидных систем может наблюдаться и тогда, когда частицы золей имеют одноименный заряд; в этом случае причиной потери устойчивости одного из золей является сильная специфическая адсорбция иона – стабилизатора данной системы поверхностью коллоидных частиц другой системы.

Старение золей и пептизация

Термодинамическая неустойчивость лиофобных коллоидных систем является причиной старения золей – самопроизвольной коагуляции (автокоагуляции) золей. Автокоагуляция золей происходит значительно медленнее, чем коагуляция электролитами; так, золи золота могут сохраняться без видимых изменений десятилетиями. Одной из основных причин старения золей является медленно совершающийся процесс перекристаллизации вещества ядра.

Пептизацией (дезагрегацией) называется процесс расщепления коагулировавшего золя (коагулята) на первичные частицы – процесс, противоположный коагуляции. Пептизация возможна лишь тогда, когда структура частиц в коагуляте не изменена по сравнению с первоначальной (т.е. когда еще не произошло полного сращивания частиц и они слабо связаны друг с другом). Различают непосредственную и опосредованную пептизацию.

Непосредственная пептизация происходит в результате добавления к коагуляту электролита, содержащего потенциалопределяющий ион; в результате его специфической адсорбции на поверхности частиц дисперсной фазы их заряд вновь увеличивается, толщина двойного электрического слоя возрастает. Это приводит к тому, что силы отталкивания между частицами начинают преобладать над силами притяжения; происходит деагрегация – распад образовавшегося ранее агрегата из слипшихся частиц. 

Опосредованная пептизация вызывается добавлением в систему вещества, химическое взаимодействие которого с поверхностью коагулята приводит к высвобождению потенциалопределяющих ионов. Например, коагулировавший золь гидроксида железа(III) может быть пептизирован добавлением в систему либо какой-либо соли железа (непосредственная пептизация), либо соляной кислоты (опосредованная пептизация).

Между ядром и раствором возникает полный электрический потенциал или термодинамический (фи)-потенциал. Это – разность потенциалов, созданных всеми положительными и отрицательными зарядами мицеллы. Другой потенциал, называемый электрокинетическим, или (дзета)-потенциалом, существует между слоем ионов адсорбционного слоя и диффузного слоя. Электрокинетический потенциал назван так потому, что диффузный слой подвижен и может смещаться при движении мицеллы. Этот потенциал составляет часть термодинамического потенциала и всегда меньше его (рис. 8.35).

Рис. 8.35. Сопоставление термодинамического ( ) и электрокинетического ( ) потенциалов

Слой ионов вокруг агрегата образуется за счет электростатического взаимодействия и химических связей с ионами агрегата. Это прочный и плотный слой, сохраняющийся при изменении условий существования гранулы (если, конечно, дисперсная система не разрушается). Адсорбционный слой противоионов вокруг ядра образуется также за счет электростатического взаимодействия с ионами потенциалобразующего слоя и благодаря взаимодействиям типа сил Ван-дер-Ваальса. Это плотный слой, и ионы в нем закреплены довольно прочно. Ионы диффузного слоя не закреплены прочно и могут смещаться и даже отрываться от гранулы в электрическом поле или при движении мицеллы.

Электрокинетический потенциал снижается по мере удаления от поверхности гранулы (или твердого тела). На -потенциал влияет концентрация ионов в растворе. При увеличении концентрации ионов -потенциал уменьшается за счет перехода части ионов диффузного слоя в адсорбционный слой или благодаря замене ионов с зарядом одного знака на ионы с зарядом другого знака.

Добавление ионов, особенно многозарядных, может привести к их адсорбции в таких количествах, что произойдет перезарядка гранулы и изменение знака электрокинетического потенциала. Когда все противоионы находятся в адсорбционном слое, -потенциал становится равным нулю. Подобное состояние называется изоэлектрическим состоянием (изоэлектрической точкой).

С увеличением концентрации ионов электрокинетический потенциал уменьшается, проходит через изоэлектрическую точку, изменяет знак и снова увеличивается. В изоэлектрическом состоянии электрокинетический потенциал равен нулю, и в этом состоянии дисперсные системы наименее устойчивы, частицы укрупняются, выпадают в осадок, и из ядра, играющего роль кристаллического зародыша, вырастает кристалл. Лиофильные системы в отличие от лиофобных в изоэлектрическом состоянии устойчивы (кроме некоторых белков).

Знак заряда гранулы может меняться при смене растворителя, а также при изменении среды раствора. У амфотерного гидроксида алюминия знак заряда гранулы в кислотной и нейтральной средах положителен и потенциалопределяющими являются ионы алюминия; в слабощелочной среде знак заряда гранулы становится отрицательным (потенциалопределяющие ионы – алюминат- или гидроксид-ионы, противоионы – катионы). Смена знака заряда происходит при переходе через значение рН, соответствующее изоэлектрической точке.

Знак заряда коллоидной частицы устанавливается по направлению ее движения к соответствующему электроду при пропускании постоянного электрического тока. Знак заряда может быть определен другим очень простым способом – по характеру взаимодействия окрашенных коллоидных частиц с целлюлозой бумаги. В водной среде капилляры целлюлозы заряжаются отрицательно, а находящаяся в них вода – положительно. Вдоль полоски фильтровальной бумаги (целлюлоза) по ее капиллярам могут передвигаться частицы, имеющие тот же заряд, что и целлюлоза, т.е. отрицательно заряженные частицы. Положительно заряженные частицы задерживаются на стенках капилляров в самом начале пути.

При исследовании бесцветного коллоидного раствора пропитанную раствором бумагу следует высушить и обработать реактивом, окрашивающим коллоидные частицы. Подобный анализ представляет собой вариант хроматографического анализа на бумаге.

Положительный знак заряда имеют гранулы гидроксидов Fe(OH)₃, Al(OH)₃, Cr(OH)₃, Ti(OH)₃ и др. Отрицательный знак заряда имеют гранулы некоторых гидроксидов, оксидов MnO₂, SnO₂, SiO₂, золи кремниевой кислоты, сульфидов As₂S₃, PbS и других, коллоиды высокодисперсных металлов Au, Ag, Pt и серы S, а также глинистые коллоиды и гуминовые кислоты почвы.

Явления смещения диффузного слоя в мицелле и даже его отрыва или, наоборот, возникновения разности потенциалов при движении мицеллы называют электрокинетическими явлениями. Все электрокинетические явления связаны с наличием двойного электрического слоя и определяются электрокинетическим потенциалом. Эти явления наблюдаются в дисперсных системах и в капиллярах и связаны с подвижностью диффузного слоя ионов. На электрокинетических явлениях основаны некоторые методы очистки воды. Из этих явлений наиболее важны электроосмос и электрофорез.

В плоскую чашку положим влажную глину и воткнем в нее две стеклянные трубки, в которые нальем воду с добавкой небольшого количества электролита для увеличения электропроводности (рис. 8.36). В воду опустим электроды и соединим их с источником постоянного тока.

Рис. 8.36. Электрофорез частиц глины

Через некоторое время жидкость в трубке с положительным электродом становится мутной из-за подъема частиц глины к электроду. Одновременно уровень жидкости в этой трубке понизится, а в другой поднимется. Этот опыт показывает, что частицы глины имеют отрицательный заряд и перемещаются в электрическом поле.

Движение дисперсных частиц относительно дисперсионной среды (жидкой и газообразной) под действием электрического поля называется электрофорезом. В водной среде частица двигается к электроду, знак заряда которого противоположен знаку электрокинетического потенциала.

Диффузный слой ионов мицеллы непрочен, при перемещении мицеллы происходит его частичное разделение, при этом дисперсная фаза и дисперсионная среда приобретают противоположные заряды. В электрическом поле гранула перемещается к одному полюсу, а часть противоионов диффузного слоя отрывается от мицеллы и передвигается к противоположному полюсу (рис. 8.37).

Рис. 8.37. Схема электрофореза

В отличие от электролиза при электрофорезе не происходит выделения дисперсного вещества, мицеллы не разрушаются, а наблюдается концентрирование коллоидных примесей с последующим удалением их из приэлектродной зоны.

Если в электрическом поле коллоидная частица не перемещается, то у нее нет заряда, она электронейтральна, что может указывать на ее изоэлектрическое состояние.

На электрофорезе основаны очистка воды, улавливание частиц дыма или пыли, выделение белков, аминокислот, витаминов и т.п. Поскольку вместе с гранулами передвигаются молекулы жидкости, составляющие их сольватные оболочки, электрофорезом производят частичное обезвоживание различных материалов (глины, почвы, мокрого торфа).

В медицине электрофорезом через кожу или слизистые оболочки вводят лекарственные вещества. При электрофорезе частицы могут перезаряжаться и заряжаться. Например, хотя частицы белка электронейтральны, в кислотной среде белок передвигается к катоду, а в щелочной – к аноду.

Если вместо глины взять пористую диафрагму (мембрану) или перегородку из пористого фарфора или стекла, плотной или смерзшейся почвы, то через мембрану в электрическом поле будет проходить жидкость без дисперсных частиц (рис. 8.38). Это явление называется электроосмосом. Электроосмос – перемещение дисперсионной среды под действием электрического поля: противоионы диффузного слоя притягиваются к соответствующему электроду и увлекают за собой жидкость дисперсионной среды. Электроосмос проявляется также при движении жидкости дисперсной системы через капилляры или поры диафрагмы под действием электрического тока. Электроосмосом можно объяснить некоторые природные процессы. Электроосмос используют для обезвоживания древесины, грунта, торфа и других материалов.

Рис. 8.38. Схема электроосмоса

Электрокинетические явления осуществимы только в том случае, если частицы заряжены. Благодаря электрокинетическим явлениям может быть определен знак заряда коллоидной частицы, величина электрокинетического потенциала и изучены другие свойства дисперсных систем.