Устойчивость, получение, свойства, стабилизация и коагуляция коллоидных систем
Коллоидными системами называютcя микрогетерогенные системы с предельно высокой дисперсностью, устойчивые к действию силы тяжести. Эта устойчивость называется кинетической устойчивостью.
Поперечный размер частиц дисперсной фазы в таких системах (табл. 2.1) составляет 1 – 100 нм, и поэтому коллоидная химия приобрела еще одно (новое) название - нанохимия.
Именно предельно малый размер частиц дисперсной фазы обеспечивает кинетическую устойчивость коллоидных систем: хаотическое броуновское движение частиц компенсирует действие гравитационных сил (при сохранении в системе условий, препятствующих объединению, а значит, и укрупнению частиц дисперсной фазы).
2.1. Термодинамика образования лиофильных и лиофобных коллоидных систем
Коллоидные системы, в которых дисперсионная среда – жидкость (жидкий раствор), подразделяются на лиофобные и лиофильные. Дисперсной фазой в таких системах может быть газ (пузырьки), другая жидкость (капли), твердое вещество (частицы).
Из названия систем следует, что в лиофильных системах вещество дисперсной фазы “любит” дисперсионную среду, т.е. между ними существуют сильные межмолекулярные взаимодействия (образование сольватов), способствующие образованию истинных растворов.
Лиофильными называются коллоидные системы, образование которых из макроскопических фаз (жидкой среды и вешества дисперсной фазы), т.е. диспергирование, происходит самопроизвольно ( Δ Gобраз < 0 ) и которые являются равновесными и обратимыми.
|
|
|
При смешивании вещества дисперсной фазы с жидкостью (чаще всего – водой) в небольших концентрациях самопроизвольно образуются истинные растворы (однофазные системы), т.е. достигается молекулярная дисперсность. При превышении определенной концентрации также самопроизвольно образуются ассоциаты из молекул растворенного вещества, размер которых соответствует коллоидным размерам. Поэтому лиофильные коллоидные системы имеют и другое название – ассоциативные коллоидные системы.
Свойствами ассоциативных коллоидных систем обладают мицеллообразующие ПАВ и полимеры (высокомолекулярные соединения) [1] в жидкой (чаще водной) среде. Они имеют особое химическое строение – сочетание гидрофобных (неполярных) и гидрофильных (полярных или несущих заряд) фрагментов в каждой молекуле (о строении ПАВ - см. часть 1, параграф 1.3). Возможность таких молекул определенным образом ориентироваться и “упаковываться” (см. адсорбцию ПАВ на поверхности жидкость-газ, рис. 1.6.) приводит к тому, что образование ассоциатов в объеме жидкой фазы (растворе) при повышенных концентрациях становится термодинамически выгодным.
|
|
|
Действительно, в условиях образования лиофильной коллоидной системы величина σ (Дж/м2) – удельная свободная поверхностная энергия - характеризует изменение свободной энергии при образовании единицы площади поверхности раздела фаз в объеме исходной фазы (жидком растворе), которое при величине площади Ω = 1 м2 (в системе СИ) можно выразить как
Δ Gпов = Δ σ (Дж/м2). (2.19)
Поэтому самопроизвольное образование поверхности раздела фаз в однофазной системе (т.е. образование ассоциатов молекул, называемых мицеллами в случае ПАВ) возможно, если оно сопровождается уменьшением удельной поверхностной энергии (Δ σ < 0).
В лиофильных коллоидных системах удельная свободная поверхностная энергия при образовании мицелл заметно понижается, если достигнута определенная концентрация растворенного вещества. В растворах ПАВ она называется критическая концентрация мицеллобразования (ККМ), см. курс лекций. Значение удельной поверхностной энергии при превышении ККМ и образовании мицелл не превышает σ = 0.01 – 0.10 Дж/м2. Самопроизвольно образующиеся ассоциаты термодинамически устойчивы в данных условиях, а при изменении условий (разбавлении коллоидной системы, изменении температуры) могут обратимо распадаться.
|
|
|
В лиофобных коллоидных системах вещество дисперсной фазы “не любит” дисперсионную среду, т.е. между ними практически отсутствуют межмолекулярные взаимодействия и при их смешивании невозможно самопроизвольное диспергирование. Иными словами, лиофобными называются коллоидные системы, самопроизвольное образование которых из макроскопических фаз (жидкой среды и вешества дисперсной фазы) невозможно ( Δ Gобраз > 0).
Для получения лиофобных коллоидных систем требуется применение особых приемов (см. параграф 2.3). В силу термодинамической неустойчивости эти системы стремятся к самопроизвольному уменьшению поверхности раздела фаз (необратимому укрупнению частиц - агрегации) как в процессе их получения, так и после, поскольку при постоянстве σ (Дж/м2) условие
Δ Gпов = σ× Δ Ω < 0 (2.21)
выполняется, если Δ Ω (м2) < 0.
По этой причине лиофобная коллоидная система обычно содержит частицы дисперсной фазы с широким диапазоном размеров, т.е. является полидисперсной. Диапазон разброса размеров и доля частиц определенного размера определяют вид функции распределения частиц по размерам.
Агрегативную устойчивость коллоидных систем принято характеризовать двумя основными параметрами:
|
|
|
1) постоянство ширины распределения частиц дисперсной фазы по размерам;
2) постоянство концентрации частиц дисперсной фазы в объеме дисперсионной среды.
Наиболее типичными примерами таких систем являются гидрофобные золи металлов или неметаллов (сера), малорастворимых электролитов (гидроксидов металлов, солей) в воде, а также эмульсии органических не смешивающихся с водой жидкостей (например, углеводородов).
Дата добавления: 2015-12-21; просмотров: 23; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!