Конденсационные методы

Метод замены растворителя (физическая конденсация) – основан на замене одного растворителя другим. Если истинный раствор поваренной соли в этиловом спирте по каплям добавлять в эфир, то образуется золь поваренной соли в эфире. При этом ионы Na⁺ и Cl־ образуют коллоидные частицы из-за плохой растворимости хлорида натрия в эфире.

Метод химической конденсации сводится к образованию молекул нерастворимых веществ с последующей их конденсацией до размеров коллоидных частиц. При этом могут использоваться реакции обмена, гидролиза, окисления – восстановления.

После получения золей коллоидных растворов их необходимо очищать от электролитов, которые понижают их устойчивость и мешают изучению их свойств.

Очистку золей проводят методом диализа, а используемые для этого устройства называют диализаторами. В них имеется полупроницаемая перегородка, через которую проходят ионы и молекулы низкомолекулярных веществ, но задерживаются крупные по размеру коллоидные частицы. Для ускорения этого процесса применяют электрическое поле и устройства называются электродиализаторами. Диализ применяют для очистки пищевого желатина, клея, красителей, целлюлозы, для удаления солей из молочной сыворотки с целью сохранения в ней лактозы и протеинов. Диализ наблюдается при вымачивании соленого мяса и рыбы.

Метод отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды фильтрованием коллоидных растворов через полупроницаемые мембраны называется ультрафильтрацией. Для этих целей используют также центрифуги и ультрацентрифуги. Центрифугирование, например, применяется для сепарирования молока, отделения мелкокристаллических осадков и т.п.

От молекулярных растворов коллоидные обычно можно отличить по их иным оптическим свойствам. Если сквозь стакан с коллоидным раствором пропустить сильный пучок световых лучей, то в результате светорассеяния коллоидными частицами возникает светлый конус, хорошо видимый в темном помещении. Напротив, поставленный в те же условия истинный раствор кажется «оптически пустым», так как содержащиеся в нем частички молекулярных размеров свет заметно не рассеивают. С наличием светорассеяния связана также часто наблюдающаяся опалесценция коллоидных растворов, т. е. их мутноватый вид в отраженном свете.

Наряду с оптическими сильно различаются и многие другие свойства коллоидных и молекулярных растворов. Так как коллоидные частицы несравненно больше отдельных молекул, при одинаковой общей концентрации распределенного вещества число их в единице объема гораздо меньше. Вследствие этого изменения свойств растворов, связанные с числом растворенных частиц (осмотические явления, понижение температуры замерзания и т. д.), проявляются у коллоидных растворов лишь в ничтожно малой степени.

По отношению к жидкой фазе, в которой они распределены, коллоидные частицы распадаются на две большие группы. Представители одной из них адсорбируют на своей поверхности молекулы вещества окружающей среды и образуют с ними более или менее прочные комплексы сольватного типа. Такие коллоиды называют лиофильными (в частном случае воды –гидрофильными). Каждая частица лиофильного коллоида окружена связанной с ней жидкой оболочкой, которая не вполне разрушается даже при слипании частиц друг с другом. Вследствие этого при образовании более крупных агрегатов в их состав включается и жидкая фаза.

Представители другой группы коллоидов не адсорбируют молекул жидкой фазы Подобные коллоиды носят название лиофобных (в частном случае воды–гидрофобных). В их золях отдельные частицы не окружены пленкой жидкой фазы, и последняя при образовании более крупных агрегатов в них не включается. Примером гидрофобного коллоида может служить сернистый мышьяк,примерами гидрофильных – кремневая кислота и окись железа.

Помимо вещества той среды, в которой они распределены, коллоидные частицы способны адсорбировать и другие присутствующие в жидкой фазе молекулы, а также – что особенно важно – ионы. В последнем случае они сами становятся электрически заряженными. Так как свойства поверхности у одинаковых коллоидных частиц одни и те же, все они заряжаются при этом одноименно: адсорбирующие преимущественно катионы – положительно (положительные коллоиды), адсорбирующие главным образом анионы – отрицательно (отрицательные коллоиды). Положительными при обычных условиях получения являются, в частности,гидрозоли окислов металлов, отрицательными – гидрозоли сернистых соединений, (а также кремневой кислоты).

Знак заряда коллоидных частиц может быть установлен на опыте, так как под действием постоянного электрического тока положительные коллоиды передвигаются к катоду, а отрицательные – к аноду. При изучении этого явления (называемого электрофорезом) исследуемый гидрозоль помещают в нижнюю часть снабженной кранами U–образной трубки (рис. 147), затем закрывают оба крана, промывают верхнюю часть прибора, заполняют ее водой и опускают в последнюю электроды.После открывания обоих кранов и включения постоянного тока в трубке начинает происходить электрофорез. Передвижение коллоидных частиц от одного полюса к другому особенно легко наблюдать в случае цветных золей непосредственно по изменению уровней окрашенного слоя жидкости в обоих коленах трубки.

Электрофорез находит ряд технических применений. Например, при производстве фарфора с его помощью освобождают глинуот примесей окислов железа. Метод основан на том, что частицы взболтанной в воде глины заряжаются отрицательно, тогда как частицы окиси железа–положительно. При пропускании сквозь взвесь электрического тока у анодасобирается очень чистая глина.

Из изложенного выше следует, что в состав коллоидной частицы, кроме непосредственного образующего ее вещества, могут входить также тесно с ней связанные молекулы жидкой фазы и адсорбированные ионы. Кроме того, в окружающей среде около частицы неизбежно должны находиться ионы противоположного знака. Рассматриваемая в совокупности со всеми этими дополнениями коллоидная частица носит название мицеллы, а часть последней,содержащая только непосредственно связанные ^с коллоидной частицей молекулы и ионы, – гранулы.

Например, в состав полученного гидролизом FeCl₃ гидрозоля окиси железа, кроме Fe₂ O₃,входят еще вода, адсорбированные коллоидной частицей ионы Fe³⁺и окружающие ее в жидкой фазе ионы Сl^–. Общая формула мицеллы этого гидрозоля имеет вид xFe₂ O₃ ·yH₂ O·zFe³⁺+ 3zCl^–, а формула гранулы – xFe₂ O₃ ·yH₂ O·zFe³⁺.Подобным же образом общая формула мицеллы гидрофобного золя As₂ S₃ имеет вид xAs₂ S₃ ·zSH^– + zH, a гранулы – a:As₂ S₃ ·zSH^–. Схематически это часто изображают так:

Подобные схематические формулы мицелл и гранул выражают состав тех и других лишь качественно, т. е. указывают их составные части, но не дают представления об относительных количествах этих частей.

Хотя между частицами каждого золя и действует взаимное притяжение по закону всемирного тяготения, но возникающие таким путем силы очень малы. Несравненно большее значение для возможности стяжения частиц друг с другом имеет взаимодействие их поверхностных слоев (ср.рис. 99). Однако заметно сказаться оно может только при столь тесном соприкосновении, которое возникает вследствие столкновения беспорядочно движущихся частиц золя.

В результате проявления сил стяжения наступает коагуляция золя, т. е. слипание его частиц друг с другом и образование из них более сложных агрегатов. Достигнув известной величины, частицы становятся уже неспособными удерживаться во взвешенном состоянии и выделяются из той среды, в которой они были распределены, – происходит седиментация коллоида. Как следует из изложенного, коагуляция представляет собой процесс укрупнения частиц золя, а седиментация – результат этого процесса. Однако термином коагуляции часто охватывают и то и другое вместе.

Важнейшим фактором, противодействующим коагуляции, является наличие на коллоидных частицах электрических зарядов. Вследствие одноименности последних движущимся навстречу друг другу частицам лишь в крайне редких случаях удается сойтись настолько близко, чтобы между ними могли достаточно эффективно проявиться силы стяжения. В результате содержащий сильно заряженные коллоидные частицы золь заметно не коагулирует даже при долгом хранении, т. е. является весьма устойчивым.

Очевидно, что снятие с коллоидных частиц их электрического заряда (хотя бы частичное) должно понижать устойчивость золей и способствовать их коагуляции. Такое разряжение в случае гидрозолей может быть проще всего достигнуто добавлением к коллоидному раствору электролитов. Хотя при этом вводится одинаковое число положительных и отрицательных зарядов, но в непосредственно окружающей коллоидную частицу «ионной атмосфере» всегда несколько преобладают ионы, противоположна ей заряженные, которые частицей преимущественно и адсорбируются. Так как введение электролита сильно повышает общую концентрацию ионов в растворе, условия для их адсорбции становятся весьма благоприятными и первоначальный заряд частиц быстро нейтрализуется, следствием чего является коагуляция золя. Природный процесс коагуляции электролитами широко осуществляется в устьях рек, где приносимые последними коллоиды и взвеси осаждаются под действием солей морской воды.

В случае гидрофобных коллоидов коагуляция электролитами обычно происходит легко и для достижения седиментации достаточно уже сравнительно небольших концентраций ионов. Напротив, коагуляция гидрофильных коллоидов, частицы которых покрыты слоем адсорбированных молекул воды, часто идет значительно труднее, и их седиментация иногда наступает лишь при высоких концентрациях электролита.

Осадки коллоидов (коагуляты) имеют различную структуру. Лиофобные коллоиды при седиментации не увлекают с собой жидкую фазу и выпадают в виде тонких порошков или хлопьев. Напротив, лиофильные коллоиды увлекают более или менее значительные количества жидкой фазы, что и обусловливает студенистый характер их осадков. Золи некоторых лиофильных коллоидов (например, желатины) даже нацело застывают в студнеобразную массу (желе, студень). Подобные коагуляты, содержащие в своем составе увлеченную жидкую фазу, называют обычно гелями (для воды в качестве жидкой фазы –гидрогелями).

2) В зависимости от отношения образующихся при седиментации осадков к воде (или соответственно другой жидкой фазе) коллоиды делятся на обратимые и необратимые. Осадки первых при соприкосновении с чистой водой вновь самопроизвольно переходят в нее с образованием золя. Так ведет себя, например, гуммиарабик. Напротив, осадки необратимых коллоидов при простом соприкосновении с жидкой фазой самопроизвольно в нее не переходят. Примерами необратимых коллоидов могут служить кремневая кислота, окись железа, As₂ S₃ и т.д.

3) Хотя при простом соприкосновении осадков необратимых коллоидов с чистой водой золи и не образуются, однако иногда они могут быть получены, если к воде добавить ничтожное количество электролита. Ионы последнего, адсорбируясь на частицах осадка, заряжают их одноименно, в результате чего частицы отталкиваются друг от друга и распределяются по всему объему жидкой фазы. Процесс образования золя действием очень небольших концентраций электролитов на осадки необратимых коллоидов носит название пептизации. Последняя является одним из важнейших дисперсионных методов получения золей.