Получение коллоидных систем

Получение и коагуляция золей

Методические указания

к лабораторной работе по курсу “Физическая и коллоидная химия”

для студентов специальностей 280101 “Безопасность жизнедеятельности в

техносфере”, 280103 “Защита в чрезвычайных ситуациях”,

направления 280200 “Защита окружающей среды”

Уфа 2010

Получение коллоидных систем

К коллоидным системам относятся многокомпонентные гетерогенные дисперсные системы. В любой коллоидной системе различают дисперсионную среду - сплошную фазу, в которой распределены коллоидные частицы, и дисперсную фазу - совокупность этих частиц. Коллоидные системы отличаются очень большой степенью дробления (так называемой степенью дисперсности) с размером частиц от 10^-9 до 10^{-7 м. Их относят к ультрамикрогетерогенным системам.}

Коллоидные системы термодинамически неустойчивы, обладают высокой адсорбционной способностью и самопроизвольно разрушаются путем агрегирования частиц. В результате уменьшается общая поверхность и поверхностный изобарно-изотермический потенциал. Стремление коллоидных частиц к слипанию называется агрегативной неустойчивостью. Препятствием для агрегации служат защитные, стабилизирующие слои на поверхности частиц, возникающие в результате адсорбции. Коллоидные растворы с твердой дисперсной фазой называются золями.

Нетрудно заметить, что грубодисперсные, коллоидно-дисперсные и молекулярно-дисперсные системы связаны между собой взаимными переходами. Из истинного раствора можно получить коллоидную систему, которую затем можно превратить в грубодисперсную систему, и наоборот.

Условием образования коллоидной системы являются нерастворимость (или очень малая растворимость) вещества одной фазы, только между такими веществами могут существовать физические поверхности раздела. Коллоидные системы или золи могут быть получены двумя противоположными методами: методом диспергирования (дробление вещества) и методом конденсации (соединения отдельных молекул или ионов растворенного вещества в агрегаты).

Диспергационные методы — это способы получения лиофобных золей путем дробления крупных кусков до агрегатов коллоидных размеров.

Существенные черты диспергационных методов:

1. Измельчение производится в инертной среде.

2. Диспергирование является несамопроизвольным процессом.

В зависимости от вида внешней работы, которая совершается над грубодисперсной системой, диспергационные методы можно подразделить на механическое, ультразвуковое и электрическое диспергирование.

1. Механическое дробление грубодисперсных систем осуществляется путем: раздробления, удара, истирания, расщепления.

Измельчение частиц осуществляется с помощью шаровых мельниц и коллоидных мельниц.

Механическое диспергирование является очень энергоемким процессом.

2. Диспергирование ультразвуком происходит за счет разрывающих усилий, возникающих в жидкости или твердом теле при прохождении через них ультразвуковых колебаний с частотой более 20 000 Гц в секунду (эти колебания не улавливаются человеческим ухом). При прохождении звуковой волны в системе возникают местные, быстро чередующиеся сжатия и расширения вещества, которые приводят к его разрушению. Этот метод применим и является эффективным только при диспергировании малопрочных веществ (сера, графит, крахмал, краски и т. д.).

3. Электрическое диспергирование. Этим методом получают коллоидные растворы металлов путем распыления в вольтовой дуге электродов из металла, погруженных в воду.

Конденсационные методы — это способы получения коллоидных растворов путем объединения (конденсации) молекул и ионов в агрегаты коллоидных размеров. Система из гомогенной превращается в гетерогенную, т. е. возникает новая фаза (дисперсная фаза). Обязательным условием является пересыщенность исходной системы.

Конденсационные методы классифицируют по природе сил, вызывающих конденсацию, на физическую конденсацию и химическую конденсацию.

1. Физическая конденсация. Первоначально вещество находится в виде молекул или ионов. Необходимо создать условия, при которых оно будет конденсироваться, образуя дисперсную фазу, причем конденсация должна прекратиться, когда частицы достигнут коллоидных размеров. Физическая конденсация может осуществляться из паров или путем замены растворителя.

Конденсация из паров. Исходное вещество находится в паре. При понижении температуры пар становится пересыщенным и частично конденсируется, образуя дисперсную фазу. Основан на одновременной конденсации паров диспергируемого вещества и растворителя на холодной поверхности.

Метод замены растворителя. Метод основан на изменении состава и свойств дисперсионной среды (понижение растворимости вещества в новом растворителе приводит к тому, что раствор становится пересыщенным и часть вещества конденсируется, образуя частицы дисперсной фазы).

2. Химическая конденсация. В этих случаях вещество, образующее дисперсную фазу, получается в результате химической реакции. Чтобы в ходе реакции образовался коллоидный раствор, а не истинный раствор или осадок, необходимо соблюдение, по крайней мере, трех условий:

1)чтобы вещество дисперсной фазы было нерастворимо в дисперсионной среде;

2)чтобы скорость образования зародышей кристаллов дисперсной фазы была гораздо больше, чем скорость роста кристаллов; это условие выполняется обычно тогда, когда концентрированный раствор одного компонента вливается в сильно разбавленный раствор другого компонента при интенсивном перемешивании;

3)чтобы одно из исходных веществ было взято в избытке, именно оно является стабилизатором.

Примеры химической конденсации:

1. Реакция восстановления:

Ag₂O + H₂ → 2 Ag + Н₂O.

золь

2. Реакция окисления:

2 H₂S + SO₂ → 3 S₂ + 2 Н₂O.

золь

3. Реакция гидролиза:

FеС1₃+3 Н₂О → Fе(ОН)₃ +3 НС1.

золь

4. Реакция обмена:

К₄[Fе(СN)₆] + 2СuС1₂ → Сu₂[Fе(СN)₆] +4КС1.

золь

Методы конденсации не требуют специальных машин и дают возможность получать дисперсные системы более высокой дисперсности.

Пептизация - перевод в коллоидный раствор свежеполученных осадков, образованных при коагуляции.

Метод пептизации состоит в следующем. Измельченный материал (сажа, графит, глина) или промытый осадок вещества, полученный в результате химической реакции осаждения, промывают небольшим количеством раствора пептизатора, в результате образуется высокодисперсная система. Пептизировать можно далеко не все осадки; плотные, тяжелые осадки не поддаются пептизации, наоборот, рыхлые, студенистые осадки, особенно свежеприготовленные, легко пептизируются. Пептизация — это нарушение связей между слипшимися частицами. Чем слабее эти связи, тем легче происходит пептизация.

При любом способе получения коллоидные растворы оказываются загрязненными примесями истинно растворенных веществ, что понижает устойчивость золей. Поэтому после получения их очищают.

Диализ основаны на применении полупроницаемых мембран, легко пропускающих молекулы и ионы и задерживающих коллоидные частицы.

Электродиализ обусловлен миграцией ионов через мембрану под действием приложенной разности потенциалов порядка 40 В/см.

Ультрафильтрация - диализ, проводимый под давлением во внутренней камере. По существу, ультрафильтрация является не методом очистки золей, а лишь методом их концентрирования.