Коллоидные системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение ……………………………………………………………………….3

1 Понятие коллоидных систем………………………………………………..4

2Коагуляция……………………………………………………………………7

3 Адсорбция…………………………………………………………………....9

4 Золи………………………………………………………………………....11

5 Гели………………………………………………………………………....13

Заключение…………………………………………………………………..16

Список литературы……………………………………………………….....17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Коллоидные системы  (от греч. kolla - клей и eidos – вид)  aнгл. colloid systems; нем. Kolloidsysteme; фр. systemes colloidaux; исп., ит.  sistemas coloidales, sistemas coloideas), коллоидно-дисперсные системы, коллоиды, - ультрамикрогетерогенные  системы, представляющие собой совокупность множества мелких частиц дисперсной фазы, распределённых в объёме непрерывной дисперсионной среды. Величина частиц дисперсной фазы  от 1000 нм – 100 нм до 1 нм.  B отличие от частиц грубодисперсных систем (суспензий, эмульсий, пен, различных сыпучих материалов, размер которых обычно превышает 1000 нм), коллоидные частицы в легкоподвижной среде участвуют в интенсивном броуновском движении и противостоят седиментации в поле сил земного притяжения, то есть, обладают высокой кинетической устойчивостью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1Понятие коллоидных систем

Коллоидные системы (коллоиды, др.-греч. κόλλα — клей и εἶδος — вид; «клеевидные», золи) —дисперсные системы, промежуточные между истинными растворами и грубодисперсными системами — взвесями. Размеры коллоидных частиц варьируются в пределах от 1 нм до 100 нм. В свободнодисперсных коллоидных системах (дымы, золи) частицы не выпадают в осадок.

Или это:

Система, в которой дискретные частицы, капли или пузырьки дисперсной фазы, имеющие размер от 1 до 100 нм, распределены в другой фазе, обычно непрерывной, отличающейся от первой по составу или агрегатному состоянию и именуемой дисперсионной средой.

Основные свойства:

• 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.

Основные виды:

• Гидрозоли – двухфазные микрогетерогенные дисперсные системы, характеризующиеся предельно высокой дисперсностью, в которых дисперсионной средой является вода.
• Органозоли – дисперсионной средой являются неводные (органические) растворители.

Образование коллоидных систем:

• Путем конденсации (при выделении коллоидно-дисперсной фазы из перенасыщенного пара, раствора или расплава).  
• Путем  диспергирования.

 

          Наиболее важны и многообразны коллоидные системы c жидкой дисперсионной средой. Иx делят на лиофильные (лат. «филео» - «люблю») и лиофобные (лат. «фобос» - «страх»).

Лиофильные:  частицы дисперсной фазы интенсивно взаимодействуют co средой, поверхностное натяжение на границе фаз очень мало, они термодинамически устойчивы (равновесны). K лиофильным  коллоидным системам относятся мицеллярные растворы поверхностно-активных веществ, растворы некоторых природных или синтетических высокомолекулярных соединений, органических пигментов и красителей,  эмульсии,  (таковы растворы белков, крахмала, пектинов, камедей, эфиров целлюлозы и разнообразных смол, как природных так и синтетических), a также водные дисперсии некоторых глинистых минералов.

Лиофобные: частицы слабо взаимодействуют c дисперсионной средой, межфазное натяжение довольно велико, такие системы обладают значительным избытком свободной энергии и термодинамически неустойчивы (неравновесны). Термодинамическая  неустойчивость лиофобных коллоидных систем  проявляется в самопроизвольном укрупнении частиц дисперсной фазы вследствие коагуляции, коалесценции (слияния) и процессов «переконденсации» или собирательной рекристаллизации. Типичные лиофобные коллоидные системы – золи металлов, оксидов и гидроксидов, сульфидов, золи драгоценных металлов, золи металлоидов (серы, селена, теллура), золи сульфидов мышьяка, сурьмы, кадмия, ртути, золи гидроксидов железа, алюминия, дисперсии полимеров в воде (например, полистирола, фторолона), синтетические латексы и др. Эти системы характеризуются  агрегативной неустойчивостью и требуют стабилизации. 

         Коллоидные системы необычайно лабильны, т.е. неустойчивы. Для многих из них достаточно прибавления ничтожного количества электролита, чтобы вызвать выпадение осадка. Причина столь легкого изменения состояния коллоидных систем связана с непостоянством степени их дисперсности. Присутствие в жидкой дисперсионной среде адсорбционно-активных веществ – стабилизаторов – обеспечивает агрегативную устойчивость, т.e. длительное постоянство их дисперсного состава. Устойчивость таких систем связана с наличием слоя стабилизатора на поверхности коллоидных частиц. Таким образом, необходимым условием создания устойчивых коллоидных систем является присутствие третьего компонента – стабилизатора. Стабилизаторами коллоидных систем могут быть электролиты или некоторые другие вещества, не имеющие электролитной природы, например высокомолекулярные соединения (ВМС) или поверхностно-активные вещества (ПАВ). 

         Механизм стабилизации электролитами и неэлектролитами существенно различен. Влияние электролитов на устойчивость коллоидных систем носит сложный характер. В одних случаях ничтожные добавки электролита способны привести к нарушению устойчивости системы. В других - введение электролита способствует увеличению стабильности. Образование адсорбционных слоев таких стабилизаторов, как ПАВ, приобретает особенно большое значение при наличии двухмерных структур, обладающих повышенными структурно-механическими свойствами. Во многих случаях стабилизация достигается при покрытии монослоем всего 40-60 % поверхности коллоидных частиц, когда защитный слой имеет прерывистый характер (в форме островков). Максимальная устойчивость достигается, естественно, при образовании полностью насыщенного мономолекулярного слоя. Структурно-механические свойства адсорбционных слоев в значительной мере определяют поведение коллоидных систем. Эти слои могут быть образованы или изменены небольшими количествами каких-либо растворенных веществ, поэтому создается возможность регулирования ряда свойств коллоидных систем, что широко используется в различных практических приложениях.

Коллоидные растворы проявляют специфические свойства: коагуляции и адсорбции.

2 Коагуляция 

         

         Коагуляция (от лат. coagulatio — свертывание, сгущение), также старение – объединение мелких частицдисперсных систем в более крупные под влиянием сил сцепления с образованием коагуляционных структур. Коагуляция — физико-химический процесс слипания коллоидных частиц, выпадение осадка происходит в результате лишения коллоидных частиц адсорбционной оболочки, нейтрализации заряда или химических превращений. 

         Коагуляция (иначе агрегация,  флокуляция)   (англ. coagulation) — слипание коллоидных частиц друг с другом и образование из них более сложных агрегатов. Слияние капель жидкости или газовых пузырьков называетсякоалесценцией. 

         Коагуляция представляет собой процесс укрупнения частиц, а седиментация является конечным результатом этого процесса, однако термин «коагуляция» часто используют для обозначения данного явления в целом. 

         Коагуляция ведёт к выпадению из коллоидного раствора хлопьевидного осадка или к застудневанию. Коагуляция – естественный, самопроизвольный процесс расслаивания коллоидного раствора на твёрдую фазу и дисперсионную среду.

Причины коагуляции:

1. Столкновение коллоидных частиц в результате броуновского движения. (Столкновения частиц, происходящие ввиду броуновского движения, далеко не всегда приводят к их слиянию.)
2. Нагревание: при нагревании уменьшается адсорбционная способность коллоидных частиц, поэтому крупные частицы, ставшие нейтральными, притягиваются друг к другу, образуя осадок;
3. Замораживание: при замораживании образуются кристаллики воды, в результате в оставшейся части системы происходит концентрирование золя, и частицы могут приходить друг с другом в контакт и слипаться.
4. Действие электрического поля: под действием электрического тока крупные заряженные коллоиды притягиваются к соответствующему (противоположно заряженному) электроду и там разряжаются, образовавшиеся нейтральные частицы притягиваются друг к другу и дают осадок. Явление разряда мицелл под действием электрического тока называется электрофорезом;
5. Добавлении коагулянтов – веществ, ускоряющих коагуляцию, в частности, электролитов (электрокоагуляция). Прибавление сильного электролита приводит к нейтрализации коллоидных частиц.  Двойной электрический слой, окружающий дисперсные частицы, отталкивает их друг от друга. Электролиты разрушают и деформируют этот слой, ускоряя коагуляцию и коалесценцию. Эффективность процесса зависит от вида электролита и еговалентности.
6. Механическое  воздействие на систему.

Скорость старения (коагуляции) зависит:

• от напряжения на границе раздела фаз,
• радиуса частиц,
• коэффициента диффузии,
• температуры,
• растворимости макрофазы.

 

          Монодисперсные системы стареют крайне медленно.  При слиянии твёрдые частицы сохраняют свою прежнюю форму. Коагуляция наиболее характерна для дисперсий твердых веществ – золей и суспензий. Достигнув определенного размера, коллоидные частицы становятся уже неспособными удерживаться во взвешенном состоянии и выделяются из той среды, в которой они были распределены, происходит седиментация коллоида.

 

3Адсорбция

Адсорбция – самопроизвольный процесс увеличения концентрации одного вещества (адсорбата) на поверхности другого (адсорбента). Адсорбция происходит на любых межфазовых поверхностях, адсорбироваться могут любые вещества. 
         Развитие промышленного адсорбционного метода началось с очистки углем растворов от примесей в 1785 г. Адсорбционная техника в разные периоды базировалась на применении различных адсорбентов. До 1914 г. использовали углеродные адсорбенты (их получали из различных видов органического сырья: торфа, бурого и каменного угля, антрацита, дерева, костей). До 40-х годов XX века в основном применяли силикагель SiO2  для осушки и очистки, разделения спиртов, аминокислот, витаминов, антибиотиков и др. После 50-х годов XX века и в настоящее время применяются синтетические цеолиты (Me2O×Al2O3×SiO2), где Me - это ионы K+ или Na+ (из них делают молекулярные сита). Диаметр пор 4-7Å, (1Å(анкстрем) = 10-10 м). Молекулы Н2О поглощают, а большие молекулы - пропускают. 
         Сейчас адсорбционные процессы базируются на синтетических адсорбентах. В то же время поверхность Земли, дно океана содержат огромный потенциал природных адсорбентов. Дело осталось за малым – придать этим адсорбентам товарный вид. 
Применение адсорбции: 
         Адсорбция широко применяется в различных отраслях народного хозяйства.

• В медицинской практике при пищевых отравлениях в качестве адсорбентов используют молоко и активированный уголь.
• В сельском хозяйстве в качестве “банков” удобрений используют цеолиты. Они выделяют ионы К+, NH-4, а поглощают и удерживают Са2+, Mg2+.
• В химической технологии адсорбцию используют для очистки нефтепродуктов от малых содержаний воды, серы, селена, мышьяка, фосфора.
• В производстве полимеров адсорбенты используют в качестве активных наполнителей, придающих изделию повышенную прочность. Так, изделия, изготовленные из саженаполненной резины, в 10 раз прочнее, чем изделия, изготовленные из резины, наполненной нейтральными наполнителями. Очистка промышленных газовых выбросов в атмосферу, выхлопных газов, кондиционирование воздуха осуществляются с помощью адсорбентов.
• Процессы адсорбции лежат в основе разделения трудноразделимых соединений. Этот метод назван хроматографией, он предложен в 1903 г. русским учёным М.С. Цветом. Хроматография широко используется при разделении и очистке лекарственных веществ, витаминов, пигментов, алкалоидов. С помощью этого метода были разделены искусственно приготовленные трансурановые элементы: Es(№99), Fm(№100), Md(101).
• В горнодобывающей отрасли адсорбенты используют для улавливания ценных элементов из больших объёмов жидкости, из которых выделить эти вещества другими методами нерентабельно.
• В текстильной и кожевенной промышленности техника адсорбции применяется при крашении волокон, шерсти, кожи.
• Адсорбция является необходимым условием для катализа.

 

           Коллоидные системы, состоящие из частиц диспергированного вещества, способных свободно перемещаться в жидкой дисперсионной среде совместно с адсорбированными на их поверхности молекулами или ионами третьего компонента (стабилизатора), называют лиозолями, а сами частицы, обладающие сложным строением - мицеллами.

 

 

 

4 Золи

Золь иначе лиозоль; коллоидный раствор (англ. sol от лат. Solutio – раствор) – высокодисперсная коллоидная система (коллоидный раствор) с жидкой (лиозоль) или газообразной (аэрозоль) дисперсионной средой, в объеме которой распределена другая (дисперсная) фаза в виде капелек жидкости, пузырьков газа или мелких твердых частиц, размер которых лежит в пределе от 1 до 100 нм (10−9 – 10−7м).

В зависимости от дисперсионной среды золи бывают:

• твердыми,
• аэрозолями (газообразная дисперсионная среда)
• лиозолями (жидкая дисперсионная среда).  В зависимости от природы дисперсионной  среды лиозоли называют:

• гидрозолями (вода),
• органозолями (органическая среда), в частности:

• алкозолями (спирты),
• этерозолями (эфиры) и др.

 

          3оли занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами (суспензиями, эмульсиями). Золи диффундируют медленнее, чем неорганические соли, обладают эффектом светорассеяния (Эффект Тиндаля).

В противоположность гелям, в золях частицы дисперсной фазы не связаны в пространственную структуру, а свободно участвуют в броуновском движении. 

         Частицы дисперсной фазы лиозоля вместе с окружающей их сольватной оболочкой из молекул (ионов) дисперсионной среды называют мицеллами. К лиозолям относятся мицеллярные растворы различных типов, водные растворы биополимеров, органо- и гидрозоли металлов, синтетические латексы. Примером аэрозоля на основе жидкости является туман — взвесь капель воды в воздухе; находящийся в воздухе дым или пыль — пример твердотельного аэрозоля.

Свойства:

• большая удельная поверхность;
• адсорбция и плёнкообразование на поверхностях раздела;
• агрегация, как следствие взаимодействия частиц;
• частицы на поверхности обладают большей энергией, чем частицы внутри фазы.