ЛІОФІЛЬНІ ТА ЛІОФОБНІ ЗОЛІ
Міністерство освіти та науки України
Федеральна державна бюджетна освітня установа вищої професійної освіти
«МАТІ – український державний технологічний
університет імені К. Е. Ціолковського»
Кафедра «Моделювання систем та інформаційні технології»
МЕТОДИ ОТРИМАННЯ ЗОЛІВ
Методичні вказівки до лабораторних робіт
з дисципліни «ХІМІЯ»
Методи отримання золів :Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни «Хімія» / укл. С. Б. Бєлова, Н. Д. Гришина, С. П. Бєлов ─ М.: МАТИ, 2011 ─ 24 с.
Колоїдні системи (системи, розмір частинок дисперсної фази в яких становить 10 -7 - 10 -9 м) поділяються на дві групи, різко відмінні за характером взаємодій між частинками дисперсної фази та дисперсійного середовища: 1 -ліофобні колоїдні розчини (золі), 2 -ліофільні колоїди ( сучасна назва- розчини високомолекулярних сполук (ВМС).
До ліофобних колоїдів відносяться системи, в яких частинки дисперсної фази слабо взаємодіють із дисперсійним середовищем; ці системи можуть бути отримані лише з витратою енергії та стійкі лише у присутності стабілізаторів.
Розчини ВМС утворюються спонтанно завдяки сильній взаємодії частинок дисперсної фази з дисперсійним середовищем і здатні зберігати стійкість без стабілізаторів. Ліофобні колоїди та розчини ВМС відрізняються також і структурою частинок, що становлять дисперсну фазу. Для ліофобних колоїдів одиницею структури є складний багатокомпонентний агрегат змінного складу – міцела, для розчинів ВМС – макромолекула.
Дані методичні вказівки спрямовані на ознайомлення з деякими методамиодержання колоїдних розчинів.
ЛІОФІЛЬНІ ТА ЛІОФОБНІ ЗОЛІ
Ліофільні золі утворюються спонтанно і не руйнуються з часом. Ліофобні золі поступово руйнуються внаслідок мимовільного злипання твердих частинок (коагуляція) або злиття рідких частинок (коалесценція), хоча за наявності стабілізатора ці процеси можуть бути дуже тривалими.
Розглянемо утворення золю та будову його частинок на прикладі хлориду срібла AgCl. Цей золь утворюється при повільному приливанні водного розчину хлориду натрію NaCl до водного розчину нітрату срібла AgNO3, взятому надлишку (якщо ввести відразу велику порцію розчину NaCl, то миттєво випаде осад хлориду срібла і золь не вийде). Реакція протікає за рівнянням:
При поступовому приливанні розчину NaCl в розчин AgNO3 в перший момент з іонів Ag + і Cl - утворюєтьсяагрегат (AgCl)n, в якому іони розташовані в тому ж порядку, що і в кристалічній решітці AgCl.
Далі агрегат (AgCl)nадсорбує на своїй поверхні переважно тііони, які входять до його складу (або ізоморфні за типом кристалічних ґрат) і знаходяться в розчинінадлишку >. Цим умовам у разі відповідають іони срібла. В результаті адсорбації іонівAg + агрегат із хлориду срібла з шаром іонів срібла набуваєпозитивного заряду.
Іони, що адсорбуються на поверхні агрегату, надають частинці заряд і називаютьсяпотенціальновизначальними. Наявність однойменних зарядів на агрегатах перешкоджає їх об'єднанню та зростанню кристала AgCl. Таким чином агрегати AgCl з адсорбованими на них іонами набувають стану агрегативної стійкості.
Агрегат (AgCl)nразом з потенціаловизначальними іонами Ag + становитьядро.До зарядженого ядра притягуються іони протилежного заряду - протиіони. В даному випадку такими іонами будуть іони, що містяться в розчині (але не входять до складу агрегату) - нітрат-іониNO3 -. Протиіони, що безпосередньо примикають до ядра, утворюють адсорбційний шар протиіонів.
За адсорбційним шаром протиіонів слід дифузний шар тих же протиіонів. Кількість протиіонів дифузного шару поступово знижується при віддаленні від ядра. Протиіони дифузного шару орієнтують навколо себе полярні молекули розчинника, створюючидодаткову сольватну (гідратну)оболонку.
Іони адсорбційного шару порівняно міцно пов'язані з агрегатом, а протиіони дифузного шару знаходяться під дією двох факторів: електростатичного тяжіння іонами протилежного заряду, яке утримує їх поблизу ядра, і броунівського руху, що прагне розподілити їх у дисперсійному середовищі.
Ядро разом із протиіонами адсорбційного шару становитьколоїдну частинку, абогранулу. Гранула з протиіонами дифузного шару називаєтьсяміцелою. Слід пам'ятати, щознак заряду гранули відповідаєзнаку заряду потенциалопределяющих іонів.Міцелла на відміну від гранулиелектронейтральна.
Формулу міцели гідрозолю хлориду срібла записують так:
У фігурні дужки укладена гранула. Іони, вказані за фігурними дужками, становлять зовнішню частину міцели. Будова міцели хлориду срібла представлена на рис. 1. Подібний механізм міцелутворення відноситься до ліофобних колоїдів.
Будова міцели та заряд гранули залежать від способу отримання колоїдного розчину. Якщо повільно приливати розведений розчин нітрату срібла до розчинухлориду натрію, взятому в надлишку, то на поверхні агрегатуn(AgCl) адсорбуватимуться хлорид-іони, що є в розчині в надлишку (утворюється шар потенціаловизначальних іонів), а як протиіони адсорбційного і дифузійного шарів будуть виступати іони натрію.
Склад міцели отриманого гідрозолю записується формулою:
Основу міцели становить нерозчинне в цьому середовищі ядро, мікрокристал або сукупність мікрокристалів.
Розглянемо інші приклади утворення дисперсної фази. Приллємо до розчину хлориду заліза FеCl3 по краплях розчин гідроксиду натрію NaОН до помутніння розчину або утворення пластівців малорозчинного гідроксиду заліза Fe(ОН)3:
Міцелла, що утворилася, має таку будову:
У шар потенциалопределяющих іонів можуть входити як іони Fe 3+ , а й утворюються при гидролизе іони Fe(OH) 2+ , Fe(OH) 2+ та інших. Приблизно така сама будова міцели гідроксиду алюмінію.
При повільному приливанні розчину хлориду заліза розчин гідроксиду натрію процес утворення міцели протікає набагато складніше, але теоретично можна припустити, що гідроксид-іони можуть бути потенціаловизначальними, а іони натрію входять до складу адсорбційного і дифузного шарів.
Склад міцели кремнієвої кислоти, що утворюється при приливанні до розчину силікату натрію (надлишок) сильної кислоти, може бути виражений такою формулою:
Вивчення заряду гранули має велике значення для пояснення та передбачення поведінки дисперсних систем. Шар іонів навколо агрегату і протиїнів адсорбційного та дифузного шарів є <подвійний електричний шар . Число позитивних та негативних зарядів у ньому однаково, тому міцелла електронейтральна.
Між ядром ірозчином виникає повний електричний потенціал або термодинамічний (фі)-потенціал . Це – різниця потенціалів, створених усіма позитивними та негативними зарядами міцели. Інший потенціал, званийелектрокінетичним, або(дзета)-потенціалом, існує між шаром іонів адсорбційного шару та дифузного шару. Електрокінетичний потенціал названий так тому, що дифузний шар рухливий і може зміщуватися під час руху міцели. Цей потенціал становить частину термодинамічного потенціалу і завжди менший за нього (рис. 2).
Додавання іонів, особливо багатозарядних, може призвести до їх адсорбції в таких кількостях, що відбудеться перезаряджання гранули та зміна знака електрокінетичного потенціалу. Коли всі протиіони знаходяться в адсорбційному шарі, потенціал стає рівним нулю. Подібний стан називаєтьсяізоелектричним станом (ізоелектричною точкою).
Зі збільшенням концентрації іонів електрокінетичний потенціал зменшується, проходить через ізоелектричну точку, змінює знак і знову збільшується. У ізоелектричному стані електрокінетичний потенціал дорівнює нулю, і в цьому стані дисперсні системи найменш стійкі, частинки укрупняються, випадають в осад, і з ядра, що грає роль кристалічного зародка, виростає кристал. Ліофільні системи на відміну від ліофобних у ізоелектричному стані стійкі (крім деяких білків).
Знак заряду гранули може змінюватись при зміні розчинника, а також при зміні середовища розчину. У амфотерного гідроксиду алюмінію знак заряду гранули в кислотному та нейтральному середовищах позитивний і потенційновизначальними є іони алюмінію; у слаболужному середовищі знак заряду гранули стає негативним(потенціаловизначальні іони – алюмінат- або гідроксид-іони, протиіони – катіони). Зміна знака заряду відбувається під час переходу через значення рН, відповідне изоэлектрической точці.
Знак заряду колоїдної частинки встановлюється за напрямом її руху до відповідного електрода під час пропускання постійного електричного струму. Знак заряду може бути визначений іншим дуже простим способом – характером взаємодії пофарбованих колоїдних частинок з целюлозою паперу. У водному середовищі капіляри целюлози заряджаються негативно, а вода в них – позитивно. Уздовж смужки фільтрувального паперу (целюлоза) її капілярами можуть пересуватися частинки, мають той самий заряд, як і целюлоза, тобто. негативно заряджені частки. Позитивно заряджені частинки затримуються на стінках капілярів на початку шляху.
При дослідженні безбарвного колоїдного розчину просочений розчином папір слід висушити та обробити реактивом, що фарбує колоїдні частинки. Подібний аналіз є варіантом хроматографічного аналізу на папері.
Позитивний знак заряду мають гранули гідроксидів Fe(OH)3, Al(OH)3, Cr(OH)3, Ti(OH)3 та ін. Негативний знак заряду мають гранули деяких гідроксидів, оксидів MnO2, SnO2, SiO2, золі кремнієвої кислоти , сульфідів As2S3, PbS та інших, колоїди високодисперсних металів Au, Ag, Pt і сірки S, а також глинисті колоїди та гумінові кислоти ґрунту.
Явища зміщення дифузного шару в міцелі і навіть його відриву або, навпаки, виникнення різниці потенціалів під час руху міцели називають електрокінетичними явищами. Усі електрокінетичні явища пов'язані з наявністю подвійного електричного шару та визначаються електрокінетичним потенціалом. Ці явища спостерігаються в дисперснихсистемах та в капілярах і пов'язані з рухливістю дифузного шару іонів. На електрокінетичних явищах ґрунтуються деякі методи очищення води. З цих явищ найбільш важливі електроосмос та електрофорез.
Рух дисперсних частинок щодо дисперсійного середовища (рідкого та газоподібного) під дією електричного поля називаєтьсяелектрофорезом. У водному середовищі частка рухається до електрода, знак заряду якого протилежний знаку електрокінетичного потенціалу.
Дифузний шар іонів міцели неміцний, при переміщенні міцели відбувається його часткове поділ, при цьому дисперсна фаза і дисперсійне середовище набувають протилежних зарядів. В електричному полі гранула переміщається одного полюсу, а частина протиіонів дифузного шару відривається від міцели і пересувається до протилежного полюса.
На відміну від електролізу при електрофорезі немає виділення дисперсного речовини, міцели не руйнуються, а спостерігається концентрування колоїдних домішок з подальшим видаленням їх з приэлектродной зони.
Електроосмос – переміщення дисперсійного середовища під дією електричного поля: протиіони дифузного шару притягуються до відповідного електрода та захоплюють за собою рідину дисперсійного середовища.