1 Дисперсная система Дисперсная фаза (раздробленная часть дисперсной системы) Дисперсионная среда (непрерывная часть дисперсной системы) Коллоидная химия – наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах. Дисперсные системы – гетерогенные системы, в которых одна из фаз находится в дисперсном (раздробленном состоянии). Поверхностные явления – совокупность явлений, связанных с физическими особенностями границ раздела между соприкасающимися фазами.

2 Признаки объектов коллоидной химии 1. Гетерогенность (многофазность). 2. Дисперсность (раздробленность).

3 Меры дисперсности Поперечный размер частицы (а) – диаметр для сферических частиц ( d ) и длина ребра для кубических частиц ( l ). Дисперсность (D) – величина, обратная поперечному размеру частицы: D=1/a. Удельная поверхность (S уд ) – межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема или массы дисперсной фазы: Частицы сферической формы Частицы цилиндрической формы Частицы кубической формы

4 Зависимость удельной поверхности от размера частиц I – молекулярные системы (истинные растворы) a < II – высокодисперсные, коллоидные (наносистемы) < a < III – среднедисперсные (микрогетерогенные) < a < IV – грубодисперсные a > 10 -5

5 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 = 6D. 3. Объем золота равен V = m/ρ. Тогда:

6 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

7 Виды дисперсных систем ДФДСОбозначениеПримеры ТвердаяГазообразнаяТ/ГАэрозоли (пыль, дым, смог ) ЖидкаяТ/ЖЗоли (золи металлов в воде, взвеси в природных водах – ВД), суспензии - ГД ТвердаяТ/ТТвердые коллоидные растворы (бетон, сплавы, цветные стекла, минералы – самоцветы) ЖидкаяГазообразнаяЖ/ГАэрозоли (туман, облака) ЖидкаяЖ/ЖЭмульсии (молоко, сырая нефть, крема) ТвердаяЖ/ТЖидкость в пористых телах (адсорбенты, почвы) Газообр азная Г/ГСистемы с флуктуациями плотности (атмосфера) ЖидкаяГ/ЖГазовые эмульсии, пены ТвердаяГ/ТПористые и капиллярные тела (адсорбенты, катализаторы, пемза, активированный уголь)

8 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.

9 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.

10 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. Конденсационные методы

11 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).

12 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. Физические конденсационные методы 2. Метод замены растворителя – раствор вещества приливают к жидкости, в которой это вещество практически не растворимо. Получение гидрозолей серы, холестерина, канифоли и др.

13 1. Реакции восстановления (получение золей Au, Ag, Pt). Восстановление аурата натрия формальдегидом. 2NaAuO 2 + 3HCOH + Na 2 CO 3 = 2Au + 3HCOONa +NaHCO 3 + H 2 O Строение мицеллы : Химические конденсационные методы Методы основаны на образовании м.р.с. в результате протекания химических реакций.

14 2. Реакции обмена. Получение золя иодида серебра. AgNO 3 + KJ (изб.) = AgJ + KNO 3 Строение мицеллы:

15 3. Реакции окисления Образование золя серы. 2H 2 S р-р + O 2 = 2S + 2H 2 O Строение мицеллы:

16 4. Реакции гидролиза Получение золя гидроксида железа. FeCl 3 + 3H 2 O = Fe(OH) 3 + 3HCl Cтроение мицеллы:

17 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).

18 Низкомолекулярные 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). Методы очистки дисперсных систем

19 Особенности коллоидных растворов 1.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.

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

21 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.»

22 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.

23 Пример 1: AgNO 3 – электролит-стабилизатор Ag + – ПОИ, – ПИ

24 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. Устойчивость и коагуляция дисперсных систем

25 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).

26 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

27 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: ЭлектролитKClKNO 3 BaCl 2 Al(NO 3 ) 3 γ, моль/л 5,25,10,080,007 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 +.