Дисперсные системы – это гетерогенные системы, которые состоят, по крайней мере, из двух составляющих: дисперсной фазы (д.ф.) и дисперсионной среды (д.с.). Дисперсную фазу (д.ф.) составляют раздробленные частицы (т.е. более крупные частицы), равномерно распределенные в дисперсионной среде. Дисперсионная среда (д.с.) – это та среда, в которой равномерно распределены частицы дисперсной фазы.
Размеры частиц дисперсной фазы варьируют в широком диапазоне: в высокодисперсных системах, которые называют коллоидно-дисперсными (золи), - от 10-9 до 10-7 м (частицы с размером меньше 10-9 м образуют истинные растворы); в грубодисперсных системах (эмульсии, суспензии) – от 10-7 до 10-5 м.
Дисперсную фазу в коллоидных растворах составляют частицы со сложной структурой. Их называют – мицеллы.
Рассмотрим процесс образования мицеллы коллоидного раствора хлорида серебра AgCl. Этот гидрозоль образуется при медленном приливании водного раствора NaCl к водному раствору AgNO3, взятому в избытке:
NaCl + AgNO3(изб) = AgCl↓ + NaNO3.
|
|
Если ввести сразу большую порцию раствора NaCl, то мгновенно выпадает осадок AgCl и золь не получится. При постепенном введении раствора NaCl в раствор AgNO3 в системе в первый момент образуются микрокристаллики хлорида серебра, каждый из которых является агрегатом, состоящим из некоторого числа молекул n молекул AgCl.Агрегаты (AgCl)nадсорбируют на своей поверхности те ионы, которые составляют кристаллическую решетку и находятся в растворе в избытке (согласно правилу Фаянса-Панета). Этим условиям отвечают ионы Ag+. В результате адсорбции ионов Ag+ кристаллические агрегаты хлорида серебра приобретают положительный заряд. Ионы, адсорбирующиеся на поверхности кристаллического агрегата, называют потенциалопределяющими. Наличие одноименных зарядов на агрегатах препятствуетих объединению иросту кристаллов AgCl. Агрегаты AgCl с адсорбированными на их поверхности ионами приобретают состояние агрегативной устойчивости. Кристаллический агрегат (AgCl)n вместе с потенциалопределяющими ионами Ag+ составляет ядро.
К заряженному ядру притягиваются ионы противоположного заряда – противоионы. Для данной системы раствор AgNO3 - кристалл AgCl противоионами будут нитрат-ионы NO . Противоионы, непосредственно примыкающие к ядру, образуют адсорбционный слой противоионов. За этим слоем следует диффузный слой тех же противоионов.
Ядро вместе с противоионами адсорбционного слоя составляет коллоидную частицу, или гранулу. Коллоидная частица совместно с противоионами диффузного слоя называется мицеллой. Коллоидная частица всегда заряжена, знак заряда соответствует знаку заряда потенциалопределяющих ионов; мицелла в отличие от гранулы электронейтральна.
|
|
Формула мицеллы гидрозоля хлорида серебра записывается так
(в фигурные скобки заключена гранула). Ионы, указанные за фигурными скобками, составляют внешнюю часть мицеллы. Эти ионы под действием электрического поля отрываются от мицеллы, и к отрицательно заряженному электроду будет передвигаться гранула, заряд которой определяется ионами серебра, входящими в ядро.
Строение мицеллы и заряд гранулы зависят от способа получения коллоидного раствора. Если взять избыток NaCl, то на поверхности агрегата будут адсорбироваться хлорид-ионы, имеющиеся в растворе, а в качестве противоионов адсорбционного и диффузного слоев будут выступать ионы натрия .
Во внешнем электрическом поле отрицательно заряженная гранула перемещается к положительно заряженному электроду.
Процесс потери агрегативной устойчивости коллоидного раствора, сопровождающийся укрупнением частиц, называют коагуляцией.
Коагуляцию могут вызывать различные внешние воздействия: добавление небольших количеств электролита, концентрирование коллоидного раствора, изменение температуры, действие ультразвука, встряхивание, перемешивание и т.д. Сущность коагуляции состоит в нейтрализации заряда гранулы.
Для каждого электролита необходима своя минимальная концентрация, называемая порогом коагуляции, или пороговой концентрацией (СПК). Величина, обратная порогу коагуляции, называется коагулирующей способностью:
.
Существуют следующие правила коагуляции электролитами:
1. Коагуляцию вызывают ионы, которые имеют знак заряда, противоположный знаку заряда гранул. Коагуляцию положительно заряженных ионов вызывают анионы, отрицательно заряженных – катионы.
2. Коагулирующее действие ионов тем сильнее, чем выше заряд иона коагулянта (правило Шульце-Гарди)
РAl3+ > PCa2+ > PK+; PPO > PSO > PCl-.
3. Для ионов одного заряда коагулирующая способность зависит от радиуса сольватированного иона: чем больше радиус, тем больше коагулирующая способность
PCs+ > PRb+ > PK+ > PNa+ > PLi+; PCNS- > PI- > PBr- > PCl-.
Пример 1. Золь иодида серебра получен смешиванием раствора нитрата серебра объемом 20 мл с концентрацией 5,0∙10-3 моль/л и раствора иодида калия объемом 30 мл с концентрацией 6,0∙10-3 моль/л. Укажите: а) метод и способ получения коллоидного раствора; б) потенциалопределяющие ионы, противоионы; в) формулу мицеллы, назвать ее составные части; г) знак заряда золя; д) к какому электроду будет перемещаться дисперсная фаза при электрофорезе; е) какой ион электролита KNO3 будет вызывать коагуляцию?