Коллоидная химия

Пример :

Дисперсность частиц коллоидного золота 10 8 м -1 . Принимая частицы золота в виде кубиков определить, какую поверхность они могут покрыть, если их плотно уложить в один слой. Масса коллоидных частиц золота 1 г. Плотность золота 19,6·10 3 кг/м 3 .

Решение :

1. Общая поверхность частиц коллоидного золота S = S уд · V .

2. Удельная поверхность кубических частиц S уд = 6 D .

3. Объем золота равен V = m /ρ .

Тогда:

4

Особенности коллоидных систем

1. Избыточная поверхностная энергия G S

При увеличении дисперсности увеличивается удельная поверхность частиц дисперсной фазы, большая часть всех молекул или атомов находится на поверхности раздела фаз в несимметричном силовом поле, что приводит к возникновению избыточной поверхностной энергии.

2. Термодинамическая неустойчивость

3 . Невоспроизводимость (индивидуальность)

4. Способность к структурообразованию

5

Виды дисперсных систем

ДФ

ДС

Твердая

Обозначение

Газообразная

Примеры

Т/Г

Жидкая

Жидкая

Твердая

Аэрозоли (пыль, дым, смог )

Т/Ж

Газообразная

Т/Т

Золи (золи металлов в воде, взвеси в природных водах – ВД), суспензии - ГД

Ж/Г

Жидкая

Твердые коллоидные растворы (бетон, сплавы, цветные стекла, минералы – самоцветы)

Аэрозоли (туман, облака)

Ж/Ж

Газообразная

Твердая

Эмульсии (молоко, сырая нефть, крема)

Газообразная

Ж/Т

Жидкость в пористых телах (адсорбенты, почвы)

Г/Г

Жидкая

Системы с флуктуациями плотности (атмосфера)

Г/Ж

Твердая

Г/Т

Газовые эмульсии, пены

Пористые и капиллярные тела (адсорбенты, катализаторы, пемза, активированный уголь)

6

Получение дисперсных систем

Диспергационные методы

измельчение крупных образцов вещества до частиц дисперсных размеров;

химический состав и агрегатное состояние вещества не меняется;

затрачивается внешняя работа;

используют для получения грубодисперсных систем – производство цемента (1 млрд.т в год), измельчении руд полезных ископаемых, помол муки и т.д.

Для облегчения диспергирования используют понизители твердости (электролиты, эмульсии, ПАВ и др.)

Понизители твердости составляют 0,1 % от общей массы измельчаемых веществ и при этом снижают энергозатраты на получение дисперсных систем более чем в два раза.

8

Конденсационные методы

• основаны на ассоциации молекул в агрегаты из истинных растворов;

• используют для получения высокодисперсных систем;

• не требуют затраты внешней работы;

• появление новой фазы происходит при пересыщении среды.

8

Стадии конденсации

1. Зародышеобразование - возникновение центров кристаллизации в пересыщенном растворе; зародыши образуются тем легче, чем больше чужеродных частиц.

2 . Рост зародышей .

3. Формирование слоя стабилизатора (ДЭС).

8

Физические конденсационные методы

1. Метод конденсации из паров – образование тумана в газовой фазе при понижении температуры.

Образование тумана, облаков, производство H 2 SO 4 , H 3 PO 4 .

2. Метод замены растворителя – раствор вещества приливают к жидкости, в которой это вещество практически не растворимо.

Получение гидрозолей серы, холестерина, канифоли и др.

11

Химические конденсационные методы

Методы основаны на образовании м.р.с. в результате протекания химических реакций .

1. Реакции восстановления (получение золей Au , Ag , Pt ).

Восстановление аурата натрия формальдегидом .

2 NaAuO 2 + 3 HCOH + Na 2 CO 3 = 2 Au + 3 HCOONa + NaHCO 3 + H 2 O

Строение мицеллы :

12

2. Реакции обмена.

Получение золя иодида серебра.

AgNO 3 + KJ (изб.) = AgJ ↓ + KNO 3

Строение мицеллы:

13

3. Реакции окисления

Образование золя серы.

2H 2 S р-р + O 2 = 2S ↓ + 2H 2 O

Строение мицеллы :

14

4. Реакции гидролиза

Получение золя гидроксида железа.

FeCl 3 + 3 H 2 O = Fe ( OH ) 3 ↓ + 3 HCl

C троение мицеллы:

14

Метод пептизации

Пептизация – метод, основанный на переводе в коллоидный раствор осадков, первичные размеры которых уже имеют размеры высокодисперсных систем.

Суть метода: свежевыпавший рыхлый осадок переводят в золь путем обработки пептизаторами (растворами электролитов, ПАВ, растворителем).

14

Методы очистки дисперсных систем

Н изкомолекулярные примеси (чужеродные электролиты) разрушают коллоидные системы.

Диализ – отделение золей от низкомолекулярных примесей с помощью полупроницаемой мембраны.

Электродиализ – диализ, ускоренный внешним электрическим полем.

Ультрафильтрация – электродиализ под давлением (гемодиализ).

17

d . Чем короче длина волны падающего света, тем больше рассеяние. 400 нм - синий, 780 нм - красный При боковом свечении дисперсные системы имеют голубоватую окраску (атмосфера Земли), а в проходящем свете – красноватую (восход и закат Солнца). Светомаскировка - синий свет. Сигнализация – красный, оранжевый свет. Окраска драгоценных камней и самоцветов Рубин – коллоидный раствор Cr или Au в Al 2 O 3 , Сапфир - коллоидный раствор Ti в Al 2 O 3 , Аметист – коллоидный раствор Mn в SiO 2 . 17 " width="640"

Особенности коллоидных растворов

• Опалесценция (светорассеяние) наблюдается когда λ d .

Чем короче длина волны падающего света, тем больше рассеяние.

400 нм - синий, 780 нм - красный

При боковом свечении дисперсные системы имеют голубоватую окраску (атмосфера Земли), а в проходящем свете – красноватую (восход и закат Солнца).

Светомаскировка - синий свет.

Сигнализация – красный, оранжевый свет.

Окраска драгоценных камней и самоцветов

Рубин – коллоидный раствор Cr или Au в Al 2 O 3 ,

Сапфир - коллоидный раствор Ti в Al 2 O 3 ,

Аметист – коллоидный раствор Mn в SiO 2 .

17

2. Способность к электрофорезу - явление перемещения частиц ДФ относительно неподвижной ДС по действием внешнего электрического поля.

Причина электрофореза - наличие двойного электрического слоя (ДЭС) на поверхности частиц ДФ.

Электрокинетический потенциал (дзета-потенциал) – потенциал, возникающий на границе скольжения АВ при относительном перемещении фаз в электрическом поле.

17

Строение коллоидных мицелл

Мицелла – частица дисперсной фазы вместе с ДЭС.

Внутренняя часть мицеллы - агрегат , состоящий из большого числа молекул или атомов м.р.с.

Агрегат электронейтрален, но адсорбирует на своей поверхности ионы из раствора – ПОИ.

Правило Фаянса-Пескова :

«На твердой поверхности агрегата в первую очередь адсорбируются ионы, которые:

• входят в состав агрегата;
• способны достраивать кристаллическую решетку агрегата;
• образуют малорастворимое соединение с ионами агрегата;
• изоморфны с ионами агрегата.»

20

Агрегат вместе с ПОИ составляет ядро мицеллы . Заряженное ядро мицеллы, притягивает ПИ из раствора. Часть ПИ образует адсорбционный слой.

Ядро с ПИ плотной части ДЭС образуют гранулу или коллоидную частицу. Знак заряда коллоидной частицы определяется знаком заряда ПОИ.

Коллоидную частицу окружают ПИ диффузной слоя – остальная часть ПИ, подвергающихся броуновскому движению и менее прочно связанная с ядром.

В целом образуется мицелла. Мицелла в отличие от коллоидной частицы электронейтральна.

21

Пример 1:

AgNO 3 – электролит-стабилизатор

Ag + – ПОИ, – ПИ

22

Устойчивость и коагуляция дисперсных систем

Устойчивость – неизменность во времени основных параметров дисперсной системы: степени дисперсности и равномерного распределения частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде.

Коагуляция – процесс разрушения коллоидных систем за счет слипания частиц, образования более крупных агрегатов с потерей устойчивости и последующим разделением фаз.

23

Коагуляция золей электролитами

Правила электролитной коагуляции

• Все электролиты при определенной концентрации могут вызвать коагуляцию золя.

• Правило знака заряда: коагуляцию золя вызывает тот ион электролита, знак заряда которого противоположен заряду коллоидной частицы.

Этот ион называют ионом-коагулятором.

• Каждый электролит по отношению к коллоидному раствору обладает порогом коагуляции (коагулирующей способностью).

24

Порог коагуляции ( γ, С кр ) – наименьшая концентрация электролита, достаточная для того, чтобы вызвать коагуляцию золя

Коагулирующая способность ( Р ) – величина, обратная порогу коагуляции

• Влияние заряда иона-коагулятора (правило Шульце-Гарди): коагулирующая способность электролита возрастает с увеличением заряда иона – коагулятора

n = 2 ÷ 6

25

Пример решения задания

Золь гидроксида цинка получен путем сливания растворов ZnCl 2 и NaOH . Определите знак заряда коллоидной частицы, напишите формулу мицеллы, если пороги коагуляции растворов электролитов следующие:

Электролит

KCl

γ , моль/л

KNO 3

5,2

BaCl 2

5,1

Al(NO 3 ) 3

0,08

0,007

Решение : Определим знак заряда частиц золя.

Так как анионы всех электролитов одновалентны, а их пороги коагуляции разные, то коагуляцию золя вызывают катионы электролитов.

В данном случае: чем выше заряд катиона, тем меньше порог коагуляции (справедливо правило Шульце – Гарди). Следовательно, согласно «правилу знака заряда», заряд коллоидной частицы отрицательный.

Следовательно, ПОИ – ОН - , ПИ – Na + .

25