Колоидни системи са изключително важни в живота на всеки човек. Това се дължи не само на факта, че почти всички биологични течности в живия организъм образуват колоиди. Но много природни явления (мъгла, смог), почва, минерали, храна, лекарства също са колоидни системи.
Единицата на такива образувания, отразяваща техния състав и специфични свойства, се счита за макромолекула или мицела. Структурата на последния зависи от редица фактори, но винаги е многослойна частица. Съвременната молекулярно-кинетична теория разглежда колоидните разтвори като специален случай на истински разтвори с по-големи частици от разтвореното вещество.
Методи за получаване на колоидни разтвори
Структурата на мицела, образувана при появата на колоидна система, отчасти зависи от механизма на този процес. Методите за получаване на колоиди са разделени на две коренно различни групи.
Методите за диспергиране са свързани с смилането на доста големи частици. В зависимост от механизма на този процес се разграничават следните методи.
- Рафиниране. Може да се направи на сухо илимокър начин. В първия случай твърдото вещество първо се раздробява и едва след това се добавя течността. Във втория случай веществото се смесва с течност и едва след това се превръща в хомогенна смес. Смилането се извършва в специални мелници.
- Подуване. Смилането се постига благодарение на факта, че частиците на разтворителя проникват в дисперсната фаза, което е придружено от разширяването на нейните частици до разделяне.
- Разпръскване чрез ултразвук. Материалът, който ще се смила, се поставя в течност и се обработва с ултразвук.
- Разсейване на електрически шок. Търсен при производството на метални золи. Извършва се чрез поставяне на електроди от диспергиран метал в течност, последвано от подаване на високо напрежение към тях. В резултат на това се образува волтова дъга, в която металът се разпръсква и след това кондензира в разтвор.
Тези методи са подходящи както за лиофилни, така и за лиофобни колоидни частици. Мицелната структура се осъществява едновременно с разрушаването на оригиналната структура на твърдото вещество.
Методи на кондензация
Втората група методи, базирани на уголемяване на частиците, се наричат кондензация. Този процес може да се основава на физични или химични явления. Методите за физическа кондензация включват следното.
- Смяна на разтворителя. Свежда се до прехвърляне на вещество от един разтворител, в който то се разтваря много добре, в друг, в който разтворимостта е много по-ниска. В резултат на това малки частицище се комбинира в по-големи агрегати и ще се появи колоиден разтвор.
- Кондензация на пара. Пример за това са мъглите, чиито частици могат да се утаят върху студени повърхности и постепенно да нарастват.
Методите на химична кондензация включват някои химични реакции, придружени от утаяване на сложна структура:
- Йонообмен: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- окислително-редукционни процеси: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2О.
- Хидролиза: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Условия за химическа кондензация
Структурата на мицелите, образувани по време на тези химични реакции, зависи от излишъка или дефицита на веществата, участващи в тях. Също така, за появата на колоидни разтвори е необходимо да се спазват редица условия, които предотвратяват утаяването на слабо разтворимо съединение:
- съдържанието на вещества в смесените разтвори трябва да е ниско;
- скоростта им на смесване трябва да е ниска;
- едно от решенията трябва да се приема в излишък.
Мицелова структура
Основната част на мицела е сърцевината. Образува се от голям брой атоми, йони и молекули на неразтворимо съединение. Обикновено ядрото се характеризира с кристална структура. Повърхността на ядрото има резерв от свободна енергия, което прави възможно селективното адсорбиране на йони от околната среда. Този процессе подчинява на правилото на Песков, което гласи: на повърхността на твърдо вещество се адсорбират предимно онези йони, които са способни да завършат собствената си кристална решетка. Това е възможно, ако тези йони са свързани или подобни по природа и форма (размер).
По време на адсорбцията върху ядрото на мицела се образува слой от положително или отрицателно заредени йони, наречени йони, определящи потенциала. Поради електростатичните сили, полученият зареден агрегат привлича противойони (йони с противоположен заряд) от разтвора. Така колоидна частица има многослойна структура. Мицелът придобива диелектричен слой, изграден от два вида противоположно заредени йони.
Hydrosol BaSO4
Като пример е удобно да се разгледа структурата на мицела на бариев сулфат в колоиден разтвор, приготвен в излишък от бариев хлорид. Този процес съответства на уравнението на реакцията:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Слабо разтворим във вода, бариевият сулфат образува микрокристален агрегат, изграден от m-тия брой на BaSO молекули4. Повърхността на този агрегат адсорбира n-то количество йони Ba2+. 2(n - x) Cl- йони са свързани към слоя от потенциал-определящи йони. А останалите противойони (2x) се намират в дифузния слой. Тоест, гранулата на този мицел ще бъде положително заредена.
Ако натриевият сулфат се приема в излишък, тогавапотенциално определящите йони ще бъдат SO42- йони, а противойоните ще бъдат Na+. В този случай зарядът на гранулата ще бъде отрицателен.
Този пример ясно демонстрира, че знакът на заряда на мицелната гранула директно зависи от условията за нейното приготвяне.
Запис на мицели
Предишният пример показа, че химическата структура на мицелите и формулата, която я отразява, се определя от веществото, което се приема в излишък. Нека разгледаме начините за изписване на имената на отделни части от колоидна частица, използвайки примера на хидрозол от меден сулфид. За да се приготви, разтворът на натриев сулфид бавно се излива в излишно количество разтвор на меден хлорид:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
Структурата на CuS мицела, получена в повече от CuCl2, се записва, както следва:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Структурни части на колоидна частица
В квадратни скоби напишете формулата на слабо разтворимо съединение, което е в основата на цялата частица. Обикновено се нарича агрегат. Обикновено броят на молекулите, които съставляват агрегата, се записва с латинската буква m.
Определящите потенциал йони се съдържат в излишък в разтвора. Те са разположени на повърхността на агрегата, а във формулата се записват непосредствено след квадратни скоби. Броят на тези йони се обозначава със символа n. Името на тези йони показва, че техният заряд определя заряда на мицелната гранула.
Гранулата се образува от ядро и частпротивойони в адсорбционния слой. Стойността на заряда на гранулата е равна на сумата от зарядите на потенциалоопределящите и адсорбираните противойони: +(2n – x). Останалата част от противойоните е в дифузния слой и компенсира заряда на гранулата.
Ако Na2S се вземе в излишък, тогава за образувания колоиден мицел структурната схема ще изглежда така:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Мицели от повърхностноактивни вещества
В случай, че концентрацията на повърхностно активни вещества (повърхностно активни вещества) във водата е твърде висока, може да започнат да се образуват агрегати от техните молекули (или йони). Тези уголемени частици имат формата на сфера и се наричат мицели на Gartley-Rebinder. Трябва да се отбележи, че не всички повърхностно активни вещества имат тази способност, а само тези, в които съотношението на хидрофобни и хидрофилни части е оптимално. Това съотношение се нарича хидрофилно-липофилен баланс. Способността на техните полярни групи да защитават въглеводородното ядро от вода също играе значителна роля.
Агрегатите от повърхностноактивни молекули се образуват според определени закони:
- за разлика от нискомолекулните вещества, чиито агрегати могат да включват различен брой молекули m, съществуването на мицели на повърхностноактивно вещество е възможно със строго определен брой молекули;
- ако за неорганични вещества началото на мицелизация се определя от границата на разтворимост, то за органичните повърхностно активни вещества се определя от постигането на критични концентрации на мицелизация;
- първо, броят на мицелите в разтвора се увеличава, а след това размерът им се увеличава.
Ефект на концентрацията върху формата на мицела
Структурата на мицелите на повърхностноактивното вещество се влияе от концентрацията им в разтвор. При достигане на някои от стойностите си, колоидните частици започват да взаимодействат помежду си. Това води до промяна на формата им, както следва:
- сферата се превръща в елипсоид и след това в цилиндър;
- високата концентрация на цилиндри води до образуването на шестоъгълна фаза;
- в някои случаи се появяват ламеларна фаза и твърд кристал (сапунени частици).
Видове мицели
Разграничават се три вида колоидни системи според особеностите на организацията на вътрешната структура: суспензоиди, мицеларни колоиди, молекулярни колоиди.
Суспензоидите могат да бъдат необратими колоиди, както и лиофобни колоиди. Тази структура е типична за разтворите на метали, както и техните съединения (различни оксиди и соли). Структурата на дисперсната фаза, образувана от суспензоиди, не се различава от структурата на компактното вещество. Той има молекулярна или йонна кристална решетка. Разликата от суспензиите е по-високата дисперсия. Необратимостта се проявява в способността на техните разтвори след изпаряване да образуват суха утайка, която не може да се превърне в зол чрез просто разтваряне. Те се наричат лиофобни поради слабото взаимодействие между дисперсната фаза и дисперсионната среда.
Мицеларните колоиди са разтвори, чиито колоидни частици се образуватпри залепване на дифилни молекули, съдържащи полярни групи от атоми и неполярни радикали. Примери са сапуните и повърхностноактивните вещества. Молекулите в такива мицели се задържат от дисперсионни сили. Формата на тези колоиди може да бъде не само сферична, но и ламелна.
Молекулните колоиди са доста стабилни без стабилизатори. Техните структурни единици са отделни макромолекули. Формата на колоидна частица може да варира в зависимост от свойствата на молекулата и вътрешномолекулните взаимодействия. Така че една линейна молекула може да образува пръчка или намотка.
