684

Министерство Образования Российской Федерации

Московская государственная академия

тонкой химической технологии

им. М. В. Ломоносова

Кафедра

коллоидной ХИМИlt

·уторский, Е. Ф. Буканова, о. А. Дулина

Практикум ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

«Получение, оптические И молекулярно­

кинетические свойства КОДЛОИДНЫХ систем»

(Учебно-методическое пособие)

Москва 2001 rод.

www.mitht.ru/e-library

раздробленности, размер межфазной поверхности, reTepQreHHOCTb

же в первую очередь указывает на качественную характеристику

объектов, что более важно при УCiановлении отличительных

особенностей объектов той или иной науки.

Объекты коллоидной химии можно охарактеризовать и

определенным видом энергии, которым они обладают, исходя из

тех же основных признаков. Гетерогенность количественно

определяется

поверхностным

натяжением

величиной,

характеризующей энергию единицы поверхности и являющейся

фактором интенсивности. Поверхностное натяжение определяет

как бы степень гетерогенности, реЗКQСТЬ перехода QT одной фазы к

другой, различие между соприкасающимися фазами. Чем сильнее

выражена гетерогенность и чем более резко различаются по

природе сопряженны e фазы, тем больше поверхностное натяжение. Второй признакдисперсность определяется

величиной поверхности (фактор емкости). Произведение

поверхностного натяжения cr на величину пове:рхности S равно поверхностной энергии Гиббса:

GS=a·S

(1)

Таким образом. объекты коллоидной химии обладают

повеРХНОС'fНОЙ энергией.

Внастоящем пособии будут рассматриваться методы

получения .r'!иофобных систем и методы определения размеров

фазовых частиц, основанные на изучении их оптических и

молекулярно-кинетических свойств

www.mitht.ru/e-library

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N21

ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ.

Цель работы

Получение гидрозолей различными методами; наблюдение

их опалесценции и определения знака заряда частиц

1. Теоретическая часть.

Поскольку дисперсные системы занимают промежуточное

положение между макроскопическими гетерогенными системами

имолекулярными растворами - гомогенными системами,

известны два способа получения дисперсных систем:

диспергированием (измельчением) макроскопических фаз

(диспергационный путь ct5разования) и конденсацией из истинных растворов (конденсационное образование).

Диспергационные методы широко используются ДЛЯ

получения микрсгетерогенных и грубодисперсных систем­

суспензий, эмульсий, порошков. Хрупкие материалы

предпочитают измельчать ударом, вязкиеистиранием. К

диспергирующим устройствам относятся шаровые и стержневые мельницы, вальцы, краскотерки, коллоидные мельницы. При сухом помоле обычно получают частицы размером ..во мкм.

Коллоидные мельницы обеспечивают возможность получения

суспензий с размерами чаСiv.ц не более 1 МКМ. Высокой

дисперсности можно тзюке достичь ультразвуковым

диспергированием. К диспергационным методам относится и

метод Физико-химического дробления осаДКО8 (пептизация).

www.mitht.ru/e-library

6

Пептизацией (физико-химическим дроблением осадков)

называют расщепление на первичные частицы под действием

внешней среды агрегатов, возникающих в результате обратимой

коагуляции дисперсных систем. Существуют три способа перевода

осадка в коллоидный раствор.

1} Адсорбционная конденсация. В этом случае отталкивание

частиц друг от друга вызывается ДЭС, образующимся на

поверхности частиц при адсорбции ионов добавляемого

электролита-стабилизатора.

2)Пеnтизация путем поверхностной диссоциации. Связана с образованием ДЭС методом поверхностной модификации.

Пептизатор здесь способствует процессу диссоциации с

поверхности, вызывая образование растворимых соединений

на поверхности частиц.

З) Пептизация путем промыеания осадка. Применяется в том

случае, когда на поверхности частиц в осадке есть двойные

электрические слои, но они сжаты вследствие большой

концентрации электролита. При промывании такого осадка

водой концентрация электролита в нем уменьшается, двойные

слои увеличивают свою толщину; силы электростатического

отталкивания между частицами будут действовать на более

далеких расстояниях и вызовут коллоидное растворение

осадка.

Пептизация протекает с определенной скоростью, которая

как правило, возрастает с повышением температуры. Пептизация

имеет большое значение в технике при изготовлении суспензий

глин, цементов. в препаративной коллоидной химии при получении

www.mitht.ru/e-library

золей Однако в ряде производств пептизация может играть и

отрицательную роль, так, например, при извлечении сахара

возможна нежелательная пептизация пеi<:тина vi других веществ,

содержащихся в растительных тканях.

Конденсационные методы, как указывалось выше,

позволяют получать дисперсные системы из гомогенных сред.

Конденсация - это образование устойчивой своБОДНОДИСflерсной

системы в результате ассоциации молекул, атомов или йонов в

агрегате	В	основе конденсационных методов		лежат два
процесса:	1)	возникновение	зародышей,	являющихся

М!-1нимальным скоплеl-lием новой фазы и I-Iаходящихся в равновесии с окружающей средой, и 2) рост зародышей,

приводящий к образованию частиц дисперсной фазы. Размер

KPl-1тического зародыша:

где v:; -молярный объем новой фазы,

!Llpl- разность химических потенциалов

p/Ps - степень пересыщения

Процесс образования коллоидных частl-tЦ представлqет

собой не что иное, как переход метастабильной фазы в

стабильную, сопровождающийся уменьшением свободной

энергии системы. Этот процесс самопроизвольный за

ИСI<лючением стадии образования зародышей, поскольку эта

~;ЭДИЯ СОПQоес)У~зется У8еличениеr,,~ свободней поверхностной

www.mitht.ru/e-library

энергии вследствие образования новой поверхности После того

как зародыши, образующиеся в системе, достигнут определенного

размера переход совершается самопроизвольно.

Известны два механизма образования зародышей:

а) гомогенный, при котором новая фаза зарождается в

однородной старой фазе. Образование зародышей при этом

обьясняется местным повышением концентраций в результате

теплового движения молекул (Флуктуации концентраций). Для

самопроизвольного возникновения новой фазы в этом случае

необходимо заметное пересыщение.

Ь) гетерогенный. при котором зарождение происходит в местах

неоднородной фазы Центрами конденсации в этом случае

могут быть какие-либо поверхности (например, стенки сосудов

или посторонние включения), избирательно смачиваемые

новой фазой в присутствии старой. Термодинамические

расчеты, проведенные Юж. У. Гиббсом И М. Фольмером,

показывают, что работа, затраченная на образование

равновесного зародыша по гетерогенному механизму, меньше,

чем по гомогенному. что связано с наличием готовых центров

конденсации при гетерогенном обраЗ0ваН~1И. Этот вывод

подтверждается экспериментально

Скорость рост€! заРОДЬ1шей опреде.п~етс~ разностью

действующей концентрации вещества в растворе и его

равновесной концентрацией при той же температуре Чем больше

www.mitht.ru/e-library

9

разность, тем быстрее растут зародыши Для того, чтобы

получить системы высокой дисперсности нужно, чтобы скорость

возникновения зародышей была большой, а скорость их роста

маленькой.

Появление новой фазы происходит при пересыщении

среды. Факторы, приводящие к появлению пересыщения

(метастабильности) исходной системы можно разделить на две

группы: физические и химические. Физические методыэто

изменение давления или температуры, например, прямая

конденсация, а также замена растворителя.

Конденсация паров Сущность метода заключается в том,

что в газообразной системе при изменении температуры

давление пара может стать выше равновесного давления пара

!-!ЭД ЖИДКССТЬЮ или твердь!м телом и в газовой фазе возникает новая жидкая или твердая фаза. Система становится гетерогенной, образуются аэрозоли (туман, дым).

Замена растворителя. Метод оснсвэн на изменении

состава среды таким образом, что химический потенциал

компонента в дисперсной среде становится выше равновесного и

тенденция к переходу в равновесное состояние приводит к

образованию новой фазы.

Так может быть получен золь канифоли. Если насыщенный

раствор канифоли в этиловом спирте 8ЛИТЬ в боJ1ЬШОЙ объем

90ДЫ. то полученный раствор в спирто-водной среде

оказывается	пересыщенным.		Гiересыщение		приводит 1(
агреiv1рованию	частиц	канифоли,		система	становится

гетерогенной, образуется коллоидная система - золь канифоли

www.mitht.ru/e-library

10

Таким путем могут быть получены гидрозоли серы,

фосфора, мышьяка и многих органических веществ.

ХимичесКИе МеТОДЫ создания iiересыщения Черезвычайно

разнообразны. Любая реакция, приводящая к образованию

нерастворимого, а в случае конденсированных фаз и летучего

продукта (или, наоборот, нелетучегопри взаимодействии газов),

может ИСПОЛЬЗОВатЬСя ДЛЯ получения коллоидной системы. К

образованию золей приводят различные химические реакции:

окисления-восстановления, обмена, гидролиза и др. Эти реакции

рассматриваются ниже.

Реакция обмена. С помощью реакции обмена можно получить различные золи. Этим способом получают золи галогенидов, сульфидов оксидов и гидроксидов металлов

Характернь!м примером синтеза золей с использованием реакции

обмена является получение гидрозолей серебра. Эти золи часто

служат моделями при изучении различных коллоидных процессов.

АgNОз + КI 4' AgI..!, + КNОз.

Реакции восстановления. Эти реакции лежат в основе

МНОГОЧ~1сленных методов получения золей золота и серебра при

взаимодействии солей этих металлов с различными

восстановителями: фосфором (Фарадей), таннином (Оствальд),

формальдеП1ДОМ (3игмонди), ацетоном (Девис), например:

2Kau02 + ЗНСНО + К2СОЗ 4' 2Au +

+ 3НСООК + RНСОз + Н2О.

www.mitht.ru/e-library

Реакции окисления Они широко распространены в

природе Примерам таких процессов является образование золя

при взаимодействии сероводорода, растворенного в

гидротермальных водах, с кислородом

Гидролиз солей. Процессы гидролиза солей широко

распространены в природе и имеют важное значение в технике.

Эти процессы применяются для очистки сточных вод. Высокая

удельная поверхность образующихся при гидролизе коллоидных

гидроксидов позволяет Эффективно адсорбировать примеси.

Примером является реакция гидролиза хлорного железа.

1000с

FеСlз + 3Н2О ~ Fе(ОН)з + 3HCI.

Строение мицелл различных залей.

Мицеллаэто отдельная частица дисперсной фазы

коллоиднсй системы с жидкой дисперсионной средой. состоящая

из кристаллического или аморфного ядра и поверхностного слоя,

включающего сольватно связанные молекулы окружающей

жидкости.

Рассмотрим образование мицеллы на примере реакции

хлорида баР~1Я с сульфатом натрия

www.mitht.ru/e-library

Избыток одного из компонентов действует как стабилизатор

лиозоля.	адсорбционный	диффузный
	слой	слой

[mВаSО4пВа2		I	-11	- I
		+2(п-х)СI	] 2xCI
I	I

агрегат

частица

мицелла

Пусть В избытке находится BaCI2. В начале образуется

агрегат мицеллы, являющийся мельчайшим кристалликом.

На поверхности кристалла BaS04 имеются вакантные

места, KOTopble занимают ионы

	Схематическое строение			Ва2+. Вследствие избирательной
	мицеллы выглядит так:
		СГ		ионной адсорбции		эти ионы
				достраивают	кристаллическую
	СГ
				решетку.	Они	придают
				положительный		заряд

поверхности ядра и называются

потенциалопределяющими

иона-ми (ПО - ионами). ИОНЫ СГ

обрэзовэвшиеся

диссоциации имеют

заряд, ПРОТИВОПОЛОЖНЬiЙ заряду iiOBSPXHO\.,-ТИ и называются

противоионами Под действием электростатических сил

противоионы притягиваются к ядру. нейтрализуя его заряд

www.mitht.ru/e-library