Коллоидные растворы

 

 

 

 

1

 

Физико-химия дисперсных систем        

 

Коллоидные растворы

 

 

 

 

2

 

План лекции

 

• Общие понятия
• Классификация дисперсных систем
• Методы получения коллоидов
• Методы очистки коллоидных растворов
• Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов

 

 

 

 

 

3

 

Коллоидная химия

 

• Раздел физической химии, изучающий физико-химические свойства гетерогенных высокодисперсных систем, растворов и высокомолекулярных соединений

 

 

 

 

4

 

Немного истории…

 

• До начала XX века наука о коллоидах содержала описание свойств отдельных высокодисперсных систем и способы их приготовления
• М.В. Ломоносов, Ловиц, Рейсс, Ф.Сельми, М.Фарадей – внесли неоценимый вклад в развитие коллоидной химии
• Томас Грэм (1861) – «отец» коллоидной химии; ввел термин и определил понятие «коллоиды»

 

 

 

 

5

 

По Т. Грэму

 

• Кристаллоиды – вещества быстро диффундирующие и проходящие через растительные и животные мембраны, легко кристаллизующиеся

Растворы кристаллоидов – истинные растворы

• Коллоиды – вещества, обладающие очень малой диффузией, не проходящие через мембраны и не кристаллизующиеся, а образующие аморфные осадки

Растворы коллоидов – золи

 

 

 

 

6

 

По И.Г. Борщеву

 

• В зависимости от условий одно и то же вещество может проявлять свойства кристаллической и коллоидной форм

Р-р NaCl в воде – истинный раствор,

Р-р NaCl в бензоле – коллодный

Мыло в воде – коллоид

Мыло в спирте – кристаллоид

Можно говорить лишь о коллоидном и кристаллоидном состоянии того или иного вещества

 

 

 

 

7

 

Коллоидное состояние вещества

 

• Степень его раздробленности (дисперсности) и нахождение коллоидных частиц во взвешенном состоянии в растворителе

 

 

 

 

8

 

Удельная поверхность фазы

 

     S

S_^уд = -----

     V

S – суммарная поверхность всех частиц

V – объем вещества, подвергающегося дроблению

 

 

 

 

9

 

Дисперсная система

 

• Дисперсионная среда – растворитель, в котором распределено вещество в раздробленном состоянии
• Дисперсная фаза – раздробленное вещество

Между дисперсной фазой и дисперсионной средой существует поверхность раздела

 

 

 

 

10

 

Гетерогенные (неоднородные) системы

 

• Дисперсные системы, в которых одно вещество распределено в другом в виде частиц различных размеров

Во многом близки к коллоидно-дисперсным системам грубодисперсные суспензии, эмульсии и пены

 

 

 

 

11

 

Классификация дисперсных систем

 

По величине частиц дисперсной фазы

• Грубодисперсные (больше 10^-7м). Быстро оседают, видимы в микроскоп, остаются на бумажном фильтре, неустойчивы (суспензии, эмульсии, взвеси)
• Коллоидно-дисперсные (10^-7-10^-9м). Относительно устойчивы
• Молекулярно- и ионно-дисперсные. Гомогенны, устойчивы (истинные растворы)

 

 

 

 

12

 

По агрегатному состоянию

 

Тв. пена, пенопласт

 

Газ

 

Твердое тело

 

Тв. эмульсия (жемчуг)

 

Жидкость

 

Пена

 

Газ

 

Жидкость

 

Сплавы, минералы

 

Твердое тело

 

Суспензии, коллоидные р-ры

 

Твердое тело

 

Эмульсия

 

Жидкость

 

Пыль, дым

 

Твердое тело

 

Туман (аэрозоль)

 

Жидкость

 

Воздух

 

Газ

 

Газ

 

Примеры

 

Дисперсионная фаза

 

Дисперсная среда

 

 

 

 

13

 

Классификация коллоидных растворов

 

По интенсивности взаимодействия частиц на поверхности раздела фаз:

• Лиофильные – сильное взаимодействие; устойчивы, обратимы (взаимодействие полярных групп веществ с полярными жидкостями или неполярных групп с неполярными жидкостями)
• Лиофобные – взаимодействие частиц только при добавлении стабилизаторов; необратимы (металлы в коллоидном состоянии, эмульсии)

 

 

 

 

14

 

По текучести растворов:

• Золи – коллоидные растворы, имеющие текучесть (свободнодисперсные)
• Гели – коллоидные растворы, утратившие текучесть (связанно-дисперсные – существуют устойчивые связи между частицами дисперсной фазы)

 

 

 

 

15

 

Условия получения коллоидов

 

• Дисперсная фаза должна обладать плохой растворимостью
• Размеры диспергируемого вещества должны быть доведены до размеров коллоидных частиц (10^-7-10^-9м)
• Необходимы стабилизаторы, которые на поверхности раздела фаз образуют ионный или молекулярный слой и гидратную оболочку

 

 

 

 

16

 

Методы получения коллоидных растворов

 

• Дисперсионные методы – дробление вещества до коллоидной степени дисперсности
• Конденсационные методы – укрупнение молекул и ионов до размеров коллоидных частиц

 

 

 

 

17

 

Дисперсионные методы

 

• Механические (шаровые и коллоидные мельницы, ступка) – диспергирование с добавлением стабилизаторов
• Ультразвуковые – диспергирование частиц под действием сжатий и расширений

 

 

 

 

 

18

 

• Пептизация – процесс перехода вещества из осадка в золь при добавлении диспергирующих веществ (Al(OH)_³, Fe(OH)_³ + электролит)
• Растворение – самопроизвольное диспергирование (желатин, крахмал, агар-агар)
• Электрическое диспергирование – материал электродов испаряется при температуре электрической дуги и конденсируется в частицы коллоидных размеров

 

 

 

 

19

 

Конденсационные методы

 

• Окисление

2H²S + O²  2H²O + 2S

• Восстановление

Ag²O + H²  2Ag⁰ + H²O

• Реакции обмена

BaCl² + K²SO⁴  BaSO⁴ + 2KCl

• Гидролиз

FeCl³ + 3H²O  Fe(OH)³ + 3HCl

Fe(OH)³ + HCl  FeOCl + 2H²O

FeOCl  FeO⁺ + Cl^-

 

 

 

 

20

 

• Нейтрализация

Ca(OH)_² + H_²SO_⁴  CaSO_⁴ + 2H_²O

• Замена растворителя

При вливании спиртовых растворов серы, канифоли, в воду, в которой эти вещества плохо растворимы, они начинают конденсироваться в частицы коллоидных размеров и могут находиться во взвешенном состоянии

 

 

 

 

21

 

Методы очистки коллоидных растворов

 

• Диализ – основан на способности животных и растительных мембран пропускать ионы и задерживать коллоидные частицы (медленный)
• Электродиализ
• Компенсационный диализ (вивидиализ)
• Ультрафильтрация
• Гельфильтрация
• Седиментация

 

 

 

 

22

 

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов

 

• Седиментационное равновесие
• Броуновское движение
• Диффузия
• Осмотическое давление

 

 

 

 

23

 

Седиментационное равновесие

 

       2  (d – d⁰)

 = ---- · r²g · ----------, см/с

        9         

Характеризуется:

• Равенством скоростей седиментации и диффузии
• Постепенным уменьшением концентрации частиц в направлении от нижних слоев к верхним

 

 

 

 

24

 

h – высота, на которую нужно подняться, чтобы давление упало вдвое

Изменение концентрации с высотой будет тем больше, чем больше масса частиц

 

h

 

2 · 10^-5 см

 

Грубодисперсный золь золота

 

2,5 см

 

Золото средней дисперсности

 

215 см

 

Тонкодисперсный золь золота

 

50 000 см

 

Кислород

 

 

 

 

25

 

Применение седиментационного анализа

 

• Определение размера и фракционного состава частиц (число частиц разного размера)
• Определение молекулярного веса полимерных материалов, белков, нуклеиновых кислот
• Качественная оценка функционального состояния эритроцитов. СОЭ значительно меняется при различных заболеваниях

 

 

 

 

26

 

Броуновское движение

 

• Присуще частицам с размерами не более 10^-6м
• Не зависит от природы вещества
• Обусловлено тепловым движением молекул
• Изменяется в зависимости от температуры, вязкости среды и размеров частиц