Химия. no коэффициент перед окислителем равен Выберите один ответ
 Скачать 0.51 Mb.
|
|
Тема 10. Коллоидные растворы Рассмотрим особую группу растворов – коллоидные растворы. Вспомним, что истинные растворы содержат молекулы или ионы, размеры которых не превышают 1 нм . При увеличении размеров частиц система становится гетерогенной, состоящей из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела. Такие системы получили название диспе́рсных систем. Все диспе́рсные системы состоят из сплошной фазы, называемой дисперсио́нной средой, и прерывистой фазы, состоящей из частиц и называемой диспе́рсной фазой. Степень раздробленности диспе́рсной системы может быть охарактеризована или поперечным размером частиц а , или обратной поперечному размеру частиц величиной – отношением 1/а , называемой диспе́рсностью. Чем меньше размеры частиц, тем больше диспе́рсность и удельная поверхность системы. При размерах частиц диспе́рсной фазы 100 нм и более система является взвесью, а при размерах от 1 до 100 нм представляет собой коллоидную систему. зависимости от агрегатного состояния дисперсио́нной среды и диспе́рсной фазы различают следующие виды диспе́рсных систем: аэрозоли, пены, эмульсии, зо́ли и гели. Данная классификация была подробно рассмотрена в теме 8, таблица 8.1. Свойства диспе́рсных систем и основные закономерности, которым они подчиняются, изучает отдельно выделившаяся наука – коллоидная химия. Слайд 189 Более подробно остановимся на рассмотрении зо́лей, или коллоидных растворах. Они представляют собой жидкие коллоидные системы с твердыми частицами диспе́рсной фазы, свободно и независимо друг от друга перемещающимися в процессе броуновского движения. Зо́ли с водной дисперсио́нной средой называют ги́дрозо́лями, с органическими средами – орга́нозо́лями. Существуют ли́офи́льные и ли́офо́бные коллоиды. В ли́офи́льных коллоидах растворитель взаимодействует с ядрами частиц. Если растворителем является вода, то коллоид называется ги́дрофи́льным. После высушивания твердые остатки ги́дрофи́льных зо́лей обладают гигроскопичностью, то есть способностью притягивать пары воды из воздуха. ли́офо́бных коллоидах растворитель не взаимодействует с ядром частиц, а входит в состав частиц лишь как сольватная оболочка адсорби́рованных ионов. Если в ли́офо́бном коллоиде растворителем выступает вода, то его называют ги́дрофо́бным. Вязкость у ли́офи́льных зо́лей низкая. Устойчивость ли́офи́льных коллоидов выше, чем ли́офо́бных. Важным свойством ли́офи́льных коллоидов является их защитное действие на ли́офо́бные частицы. Введение ли́офи́льных веществ, таких, например, как желатина, повышает устойчивость ли́офо́бных коллоидов, имеющих такой же заряд. Слайд 190 зо́лях образование частиц твердой фазы происходит за счет объединения некоторого количества молекул малорастворимого вещества, ионов, находящихся в растворе, и молекул растворителя. Подобное объединение частиц в коллоидах называется мице́ллой. Образование мице́ллы возможно только в том случает, если в растворе содержится вещество с малой растворимостью. Структура мицеллы зависит от количественного содержания некоторых ионов в растворе. На примере зо́ля иодида серебра AgI рассмотрим возможные составы мицелл. Этот золь можно получить при приливании к раствору нитрата серебра AgNO3 по каплям раствора иодида калия KI . Другим способом получения зо́ля иодида серебра является добавление к раствору иодида калия KI по каплям раствора нитрата серебра AgNO3 . Составы мицелл, образованных в обоих случаях, показаны на слайде. Как видно, основой мицелл является одно и то же вещество, но другие составные части, за исключением молекул растворителя, – отличаются. Слайд 191 Основой мице́ллы являются агрегат-молекулы малорастворимого вещества. Они объединяются друг с другом. Агрегат электронейтрален. Он адсорбирует ионы из раствора, которые входят в его состав. Так, в рассмотренном примере агрегатом является иодид серебра AgI , и он адсорбирует ионы серебра или йода. Адсорбироваться будут те ионы, которых в растворе больше. Агрегат и адсорбированные ионы образуют ядро коллоидной частицы. Заряд ядра определяется суммарным зарядом адсорбированных ионов. К заряженному ядру из раствора будут притягиваться противоположно заряженные ионы, получившие название противоинов. В качестве таковых выступают те ионы, которые в растворе содержатся в избыточном количестве. В нашем случае – это ионы калия К+ или нитрат ионы NO3– . Ядро и противоионы, а также молекулы растворителя, образуют коллоидную частицу. Особенностью коллоидной частицы является наличие на её поверхности заряда, обусловленного избирательной адсорбцией ионов. Суммарный заряд коллоидной частицы равен разности зарядов адсорбированных ионов и противоионов. Адсорбированные ионы и противоионы с растворителем, входящие в состав коллоидной частицы, образуют адсорбированный слой. Вокруг коллоидной частицы находится диффузионный слой растворителя и ионов, имеющих ту же природу, что и противоионы. Заряд диффузионного слоя равен заряду коллоидной частицы, но противоположен по знаку. Коллоидная частица и диффузионный слой образуют электронейтральную систему, которая и есть мице́лла. Слайд 192 Коллоидные системы можно получить несколькими способами, которые делятся на две основные группы. первую группу включены методы диспергирования, основанные на дроблении крупных частиц грубодисперсных систем до коллоидной дисперсности. Вторая группа – это методы конденсации, представляющие собой соединение атомов, ионов или молекул в более крупные частицы коллоидных размеров. Основными условиями получения коллоидных систем, независимо от применяемых методов являются: во-первых, нерастворимость вещества диспе́рсной фазы в дисперсио́нной среде. Во-вторых, достижение частицами размеров коллоидной диспе́рсности от 1 до 100 нм . В-третьих, наличие в системе, в которой образуются частицы диспе́рсной фазы, третьего компонента – стабилизатора, который сообщает коллоидной системе агрегативную устойчивость. Под агрегативной устойчивостью понимают способность коллоидной системы сохранять свою степень диспе́рсности. В качестве стабилизаторов могут быть применены вещества, используемые для получения коллоидов, или специально вводимые в дисперсио́нную среду вещества – электролиты, поверхностно-активные соединения. Также в качестве стабилизаторов могут выступать продукты взаимодействия диспе́рсной фазы с дисперсио́нной средой. Стабилизаторы создают вокруг коллоидных частиц адсорбированный защитный слой, предохраняющий их от агрегирования, то есть разрушения. При соблюдении всех условий синтеза коллоидных систем любое вещество можно получить в коллоидном состоянии. Например, золь хлорида натрия можно получить при диспергировании его в бензоле, в котором он не растворяется и не дает истинного раствора. Сера хорошо растворяется в этиловом спирте, образуя истинный раствор, в воде же она может давать только коллоидный раствор, так как в ней она не растворяется. Слайд 193 Рассмотрим подробнее каждую из групп методов получения коллоидных систем. В методах дисперги́рования наиболее распространенным является механическое дисперги́рование, при котором крупные частицы суспензии, эмульсий или порошков раздавливаются, дробятся или истираются до коллоидной дисперсности. Диспергирование твердых тел в жидкой среде более эффективно, чем «сухое» дробление, так как жидкости, смачивающие твердое тело, снижают его прочность при механической обработке. Наличие в жидкости поверхностно-активных веществ или электролитов еще в большей степени способствует дисперги́рованию. В лабораторных и промышленных условиях механическое дисперги́рование проводят на мельницах или дробилках различных типов. Для более тонкого измельчения применяют специальные коллоидные мельницы. К методам механического дисперги́рования относится дробление под действием ультразвука. Таким путем получают золи легкоплавких металлов, серы, графита, полимеров. Условно к методам диспергирования относят метод пептиза́ции. Он заключается в том, что к свежеприготовленному рыхлому осадку дисперги́руемого вещества прибавляют раствор электролита-стабилизатора. Благодаря действию этого электролита частицы отделяются друг от друга и переходят во взвешенное состояние, образуя золь. Слайд 194 группе методов конденсации относят получение зо́лей конденсацией паров, заменой растворителя и с помощью различных химических реакций. Примером получения зо́лей конденсацией пара является образование тумана или дыма. При понижении температуры давление пара может стать выше его равновесного давления над жидкостью. Тогда в газовой фазе образуются крупные агрегаты молекул в виде капелек жидкости – это туман или в виде твердых частиц – это дым. Рисунок 10.3. Метод замены растворителя состоит в том, что к истинному раствору какого-либо вещества добавляют в большом объеме другую жидкость, являющуюся для этого вещества плохим растворителем, но хорошо смешивающуюся с исходным растворителем. Например, если к истинному раствору серы в этиловом спирте прибавить много воды, то молекулы серы будут образовывать агрегаты – частицы дисперсной фазы зо́ля серы, так как сера плохо растворяется в вводно-спиртовой смеси. Коллоидные системы можно получить в результате химических реакций почти всех известных типов: реакций обмена, окислительно-восстановительных реакций, реакций комплексообразования. Обязательным условием получения коллоидных систем в этом случае является образование труднорастворимого вещества и низкая концентрация реагирующих веществ. случае реакции между растворенными веществами в растворе должен быть избыток одного из реагентов, который необходим как стабилизатор коллоидной системы. Если эти правила не будут соблюдены, и вещества будут взяты в эквивалентных количествах, то золь не получится и малорастворимое вещество выпадет в виде осадка. Слайд 195 полученных зо́лях часто содержатся различные примеси, обычно электролиты. Для очистки зо́лей от примесей низкомолекулярных веществ применяют диализ или электродиализ. Диализ основан на способности молекул малых размеров или ионов проходить через полупроницаемые пленки – мембраны. Крупные частицы зо́лей через такие пленки пройти не могут. Приборы, применяемые для диализа, называют диализаторами. Простейший диализатор состоит из двух сосудов, дно одного из которых затянуто мембраной. Рисунок 10.4. В нем находится коллоидный раствор. В другой сосуд наливается дистиллированная вода. Обычно диализ идет очень медленно, и для его ускорения в тех случаях, когда примесями являются электролиты, применяют электродиализ. Электродиализатор состоит из трех камер, отделенных друг от друга полупроницаемыми перегородками. В боковых камерах установлены электроды. В среднюю камеру заливают очищаемый золь, который в процессе диализа перемешивают мешалкой. Под действием электрического поля ионы электролита, содержащегося в зо́ле, проходят через полупроницаемые перегородки и уносятся потоком воды. Рисунок 10.5. Электродиализ носит промышленное применение. Этим методом удаляют соли из молочной сыворотки. Такая очищенная от солей сыворотка, содержащая большое количество лактозы и белков, применяется для получения продуктов диетического питания. Слайд 196 Рассмотрим оптические свойства коллоидных систем. При прохождении света через дисперсную систему он может поглощаться, отражаться или рассеиваться частицами. Поглощение света – это явление избирательное. Одни вещества полностью поглощают свет, другие – только лучи определенной части спектра. Отражение света поверхностью частиц возможно только в грубодисперсных системах – суспензиях и эмульсиях. Размеры частиц таких систем значительно больше, чем длина волны видимого света. Отражение проявляется в мутности подобных дисперсных систем, как в проходящем свете, так и при боковом их освещении. Для типичных коллоидных систем наиболее характерным оптическим свойством является рассеивание света во всех направлениях. Частицы коллоидной дисперсности меньше длины полуволны света, и поэтому рассеяние света обусловлено не отражением света от поверхности частиц, а его дифра́кцией. Под дифра́кцией понимается явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Рассеяние света было исследовано английским физиком Джо́ном Ти́ндалем. В результате исследований он обнаружил, что при освещении коллоидного раствора ярким световым пучком путь его виден при наблюдении сбоку в виде светящейся полосы, называемой конусом Ти́ндаля. Рисунок 10.7. Это свечение было названо опалесце́нцией. Слайд 197 При броуновском движении коллоидные частицы, беспорядочно перемещаясь в объеме дисперсио́нной среды, могут сталкиваться друг с другом и образовывать более крупные агрегаты. Таким образом, в коллоидных системах всегда имеются реальные условия для нарушения агрегати́вной устойчивости. свою очередь, нарушение агрегати́вной устойчивости может привести к появлению столь крупных частиц-агрегатов, что они уже не смогут распределяться по всему объему, то есть система потеряет и кинетическую устойчивость. Потеря кинетической устойчивости приведет к разрушению зо́ля, частицы его диспе́рсной фазы или будут оседать – седименти́ровать, или всплывать. Типичные коллоидные растворы характеризуются определенными размерами частиц и могут существовать без нарушения агрегати́вной устойчивости и разрушения длительное время. Следовательно, кроме сил, вызывающих слипание коллоидных частиц в крупные агрегаты, между частицами существуют также силы отталкивания, которые и определяют агрегати́вную устойчивость. При сближении двух мице́лл сначала взаимодействуют ионы диффузионных слоев. Так как они одноименно заряжены и достаточно подвижны, то, отталкиваясь друг от друга, диффузионные слои будут деформироваться, «стекая» на противоположные стороны. Рисунок 10.8. При дальнейшем сближении мице́ллы взаимодействуют друг с другом одноименно заряженными частицами. Чем больше заряд частицы, тем больше силы отталкивания и выше агрегати́вная устойчивость зо́ля. Другой причиной устойчивости коллоидов является образование адсорбционно-сольватных оболочек на поверхности коллоидных частиц благодаря взаимодействию их с молекулами дисперсио́нной среды. За короткое время столкновения частиц эти сольватные оболочки, благодаря высокой вязкости и сопротивлению сдвигу, не успевают «выдавиться» из зазора между частицами и тем препятствуют их контакту. Слайд 198 Если в коллоидных растворах силы притяжения у сталкивающихся друг с другом частиц больше, чем силы электростатического отталкивания ионных слоев, то это вызовет соединение частиц в более крупные агрегаты. В результате этого произойдет нарушение агрегати́вной устойчивости. Процесс слипания коллоидных частиц, образование более крупных агрегатов с последующей потерей коллоидной системой кинетической устойчивости называется коагуля́цией. Рисунок 10.9. Коагуляцию коллоидных растворов можно вызвать нагреванием, замораживанием, интенсивным перемешиванием, добавлением различных электролитов. Все эти виды воздействия, различные по своей природе, или уменьшают силы отталкивания, или увеличивают силы притяжения. При нагревании возрастает кинетическая энергия коллоидных частиц, увеличивается их скорость движения, и силы электростатического отталкивания уже не могут препятствовать агреги́рованию мицелл. Прибавление электролитов к коллоидному раствору приводит к снижению электрокинетического потенциала и, следовательно, к уменьшению сил отталкивания. Слайд 199 Коагуля́ция коллоидных растворов электролитами подчиняется определенным закономерностям. Во-первых, все электролиты вызывают коагуля́цию коллоидных растворов при увеличении концентрации до некоторого значения. Минимальная концентрация электролита, вызывающего коагуля́цию коллоидного раствора, называется порогом коагуля́ции. Во-вторых, коагулирующим действием обладает не весь электролит, а только его ион, который имеет одноименный заряд с зарядом противоионов мице́ллы. В-третьих, коагулирующая способность иона зависит от его валентности. Ионы высшей валентности вызывают коагуля́цию при гораздо более низких порогах коагуля́ции, чем ионы низшей валентности. Коагули́рующая способность ионов одинаковой валентности возрастает с увеличением радиуса иона. Ионы органических соединений всегда обладают более высокой коагули́рующей способностью. Различают два вида коагуля́ции коллоидных растворов электролитами: концентрационную и нейтрализационную. Концентрационная коагуля́ция наблюдается при увеличении концентрации электролита, не вступающего в химическое взаимодействие с компонентами коллоидного раствора. При этом диффузионный слой противоионов мице́ллы сжимается, переходя в адсорбционный слой. В результате уменьшается заряд коллоидной частицы и начинается коагуляция. При нейтрализационной коагуля́ции ионы прибавляемого электролита нейтрализуют потенциалоопределяющие ионы. Слайд 200 Коагуляцио́нные процессы часто происходят в природе, их используют в различных технологических процессах. Например, такие крупные реки, как Волга, Нил, Дунай, при впадении в море образуют плодородную дельту. В речной воде содержатся коллоидные частицы глины, ила или почвы. При смешивании речной воды с соленой морской водой происходит коагуляция этих частиц, а уменьшение скорости течения воды способствует их оседанию, что приводит к образованию мелей и островов. Рисунок 10.10. Процесс коагуляции широко применяют для очистки питьевой воды. Для этого в природную воду добавляют сульфаты алюминия или трехвалентного железа. Данные вещества, являясь хорошими коагулянтами, кроме того, подвергаются гидролизу с образованием коллоидных растворов гидроксидов. Частицы полученных золей имеют заряд, противоположный заряду коллоидных частиц, присутствующих в воде. Зо́ли разных зарядов вызывают взаимную коагуляцию друг друга и осаждаются. Сточные воды некоторых производств содержат коллоидные растворы или эмульсии нефтепродуктов. Эти коллоиды или эмульсии разрушают обработкой сточных вод солями щелочно-земельных металлов. Рисунок 10.11. Коагуляцио́нные процессы нашли применение в сахарной промышленности при очистке сока сахарной свеклы, в состав которого, помимо сахарозы и воды, входят и несахаристые вещества в коллоидно-дисперсном состоянии. Для их удаления в сок добавляют оксид кальция. Слайд 201 Дисперсные системы, в которых частицы связаны друг с другом межмолекулярными силами и вследствие этого не способны к взаимному перемещению, называются связнодисперсными системами. Частицы дисперсной фазы в таких системах образуют пространственную сетку, или структуру. Дисперсионная среда находится в ячейках этой сетки, что показано на рисунке 10.12. Переход коллоидного раствора из свободнодисперсного состояния в связнодисперсное называется гелеобразованием, а образующиеся при этом структурированные коллоидные системы называются гелями. Гели образуются при частичном снижении агрегативной устойчивости коллоидных систем вследствие прибавления электролитов, понижения температуры, увеличения концентрации зо́ля. Процесс перехода зо́ля в гель обратим. Гели с течением времени начинают сжиматься, уменьшаются в объеме, выделяя при этом дисперсионную среду. Это явление называется синере́зисом. Оно объясняется продолжающимся во времени увеличением числа контактов между частицами, что приводит к уплотнению структуры и выделению дисперсионной среды. К гелям относятся мармелад, кремы для ухода за кожей и телом, минералы – жемчуг, опал, сердолик. Хрящи, сухожилия, волосы, мышечные ткани – это тоже гели биологического происхождения. На этом рассмотрение вопросов темы закончено. В целях закрепления пройденного материала предлагаем ответить на вопросы для самоконтроля. Слайд 202 |