Получение коллоидных растворов

Гидрофобными золями являются золи благородных металлов, малорастворимых в воде гидроксидов, карбонатов, сульфатов и др. Переход свежеосажденного осадка в золь называется пептизацией.

Коллоидные растворы (золи) образуются при распределении в дисперсионной среде малорастворимых веществ дисперсной фазы. Они состоят из частиц очень малых размеров, поэтому суммарная поверхность всех частиц S очень велика. В системе возникает огромная свободная поверхностная энергия G_S = σS. В соответствии со вторым началом термодинамики такие системы термодинамически неустойчивы; в них самопроизвольно протекают процессы, направленные на снижение поверхностной энергии (G_S < 0). Необходимость уменьшения суммарной поверхности частиц (DS < 0) проявляется в стремлении коллоидных частиц объединяться в более крупные агрегаты. Тем не менее в природе лиофобные коллоидные растворы могут существовать длительное время без существенных изменений из-за присутствия в растворе молекул или ионов, выполняющих роль стабилизатора таких систем. Частицы стабилизатора адсорбируются на поверхности коллоидных частиц, увеличивают их сродство к дисперсионной среде и препятствуют слипанию частиц между собой.

Таким образом, для образования устойчивых лиофобных коллоидных растворов необходимо выполнение следующих условий: 1) малая растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде; 2) определенные размеры частиц дисперсной фазы (10^-9 - 10^{-7 м); 3) наличие в системе стабилизатора.}

При выполнении этих условий в коллоидном состоянии можно получить любое вещество. Первое условие выполняется правильным выбором растворителя. Если вещество хорошо растворимо в данном растворителе, то самопроизвольно получается истинный раствор, однако при использовании растворителя, в котором оно плохо растворимо, можно получить коллоидный раствор. Например, при растворении в воде хлорида натрия всегда получается истинный раствор, однако введение хлорида натрия в бензол, где он плохо растворим, может привести к образованию коллоидного раствора. И наоборот, невозможно получить коллоидный спиртовой раствор канифоли, поскольку она хорошо растворима в спирте, однако при определенных условиях образуется коллоидный раствор канифоли в воде, где она растворима плохо.

Второе условие - получение частиц определенного размера - можно выполнить разными способами. Поскольку коллоидные растворы по размерам частиц дисперсной фазы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами, коллоидные частицы можно получить двумя путями: 1) измельчением крупных частиц до размеров коллоидных - диспергационные методы; 2) объединением молекул и ионов в истинных растворах в более крупные коллоидные частицы - конденсационные методы.

ИстинныйКоллоидный Грубодисперсная

раствор ¾¾¾¾¾¾® раствор ¾¾¾¾¾¾ система

d <10^{-9 м} конденсирование 10^-9< d <10^{-7 м} диспергирование d >10^{-7 м}

Конденсационные методы получения коллоидных растворов делят на физические и химические. Основным физическим методом служит замена растворителя. Если приготовить истинный раствор канифоли в спирте и добавлять его к воде, в которой канифоль очень плохо растворима, то вследствие понижения растворимости молекулы канифоли конденсируются в частицы коллоидных размеров. При необходимости спирт можно удалить нагреванием.

При химической конденсации для получения коллоидных растворов используют реакции, приводящие к образованию малорастворимых соединений, например:

AgNO₃ + KI ® [AgI] + KNO₃

t

FeCl₃ + 3H₂O ® [Fe(OH)₃] + 3HCl

2HAuCl₄ + 3H₂O₂ ® 2[Au] + 8HCl + 3O₂

Эти реакции надо проводить при избытке одного из реагентов, который выполняет роль стабилизатора образующихся коллоидных частиц.

Диспергационные методы весьма разнообразны. Чаще всего используют:

- механическое дробление с помощью шаровых и коллоидных мельниц в присутствии жидкой дисперсионной среды и стабилизатора;

- ультразвуковое измельчение под действием ультразвуковых колебаний на смесь нерастворимого вещества и растворителя;

- электрическое диспергирование, при котором с помощью электрической дуги, возникающей между двумя электродами, опущенными в воду, получают золи металлов;

- химическое диспергирование (пептизация), которое заключается в химическом воздействии на осадок.

Коллоидные растворы, полученные одним из этих методов, содержат примеси растворенных низкомолекулярных веществ и грубодисперсных частиц, наличие которых снижает устойчивость полученных систем. Для очистки коллоидных растворов от примесей используют:

- фильтрацию через обычные бумажные фильтры; коллоидные растворы проходят через их поры, а примеси грубодисперсных частиц задерживаются фильтром;

- диализ - удаление низкомолекулярных соединений с помощью мембран, пропускающих молекулы и ионы малого размера и задерживающих коллоидные частицы и макромолекулы большого размера (рис.21а); малые молекулы и ионы диффундируют через мембрану в непрерывно заменяемый растворитель и удаляются от диализируемого коллоидного раствора;

- электродиализ, при котором для увеличения скорости диализа создают постоянно электрическое поле, способствующее движению ионов из коллоидного раствора в растворитель (рис.21б);

4 1 5 4 1 5

3

2 2 2

3 3

а) б)

Рис.21. Схема диализатора (а) и электродиализатора (б):

1 - диализируемый раствор; 2 - поток растворителя;

3 - диализная мембрана; 4 - мешалка; 5 - электроды.

- компенсационный диализ, который применяют для удаления не всех присутствующих низкомолекулярных веществ, а только их части; вместо чистого растворителя применяют раствор низкомолекулярных веществ, которые необходимо оставить в коллоидной системе, при этом диффундируют через мембрану в этот раствор все ионы кроме тех, которые в нем содержатся;

- ультрафильтрация - продавливание разделяемой смеси под давлением через фильтры с узкими порами, пропускающими только молекулы и ионы низкомолекулярных веществ.

Непременным условием получения устойчивого коллоидного раствора является наличие в нем стабилизатора. Роль стабилизатора могут выполнять: избыток одного из реагентов, используемых для получения вещества дисперсной фазы, ПАВ, белки, полисахариды и другие вещества.