Структура коллоидных систем

Коллоидная система, или золь (коллоид из плохорастворимых гидрофобных веществ), состоит из 2-х компонентов: мицелл и интермицелярной жидкости. Интермицелярная жидкость – это растворы электролитов и неэлектролитов, стабилизирующие коллоидную систему.

Мицелла есть структурная единица коллоидного раствора и является частицей дисперсной фазы, имеющей сложное строение, которое зависит от условий получения.

В центре мицеллы находится ядро, представляющее собой кристаллические агрегаты, состоящие из m молекул малорастворимого в воде вещества. Ядро частицы, находясь в растворе, адсорбирует на своей поверхности ионы, имеющиеся в растворе в избытке и родственные ионам, входящим в состав ядра (Правило Липатова). Первые ионы, адсорбирующиеся на поверхности кристаллического агрегата и сообщающие ему заряд («+» или «-») называют потенциалопределяющими ионами (первый адсорбционный слой). Количество потенциалопределяющих ионов равно n. Эти ионы притягивают к себе такое же количество ионов противоположного знака – противоионов, компенсирующих образовавшийся вначале заряд частицы (n⁺) или (n^-). Часть противоинов (n-х) находится под сильным воздействием электростатических сил со стороны коллоидной частицы и составляет над потенциалопределяющими ионами второй адсорбционный слой. Ядро мицеллы вместе с адсорбционными слоями образуют гранулу. Гранула имеет заряд (+х или –х). Знак заряда соответствует знаку заряда потенциалопределяющих ионов.

Следом за вторым адсорбционным слоем следует подвижный диффузный слой тех же противоионов. Концентрация их по мере удаления от поверхности гранулы уменьшается. Противоионы диффузного слоя ориентируют полярные молекулы растворителя, создавая дополнительную сольватную оболочку. Суммарный заряд противоионов численно равен заряду гранулы, но противоположен ему по знаку. Мицелла в отличие от гранулы электронейтральна.

Состав мицеллы можно изобразить в виде формулы.

Например, структура мицеллы иодистого серебра, полученного в ходе химической реакции между иодидом калия и нитратом серебра, взятого в избытке AgNO_{3 изб.} + KJ ® AgJ¯ + KNO₃ можно представить следующей мицелярной формулой:

{m[AgJ] nAg⁺ (n-x)NO₃^-]^+x xNO₃^- }

^{I слой IIслой}

^{I---ядро ---I I-адсорбционный слой-I I-диффузный слой--I}

^{I--------------------гранула----------------I}

^{I---------------------------мицелла-----------------------------I}

Ядро в данном случае образуют малорастворимые молекулы иодида серебра m[AgJ]. Потенциалопределяющими ионами являются находящиеся в избытке и родственные ионам ядра ионы серебра nAg⁺_. Противоионы представлены нитрат - ионами NO₃^- . Их число в диффузионном слое равно х, а в общем адсорбционном слое – (n-x). В результате гранула приобретает заряд +х (положительный золь серебра).

Потенциал, возникающий на границе раздела гранулы и диффузного слоя противоинов (граница скольжения), называют электрокинетическим ξ-потен-циалом (дзета-потенциалом). Электрокинетический потенциал численно равен работе, которую нужно совершить при переносе единицы заряда с поверхности гранулы в глубь дисперсионной среды или наоборот.

Уменьшение значения ξ-потенциала приводит к разрушению диффузного слоя, в результате частицы получают возможность слипания и укрупнения, что приводит к понижению устойчивости коллоидной системы.

В типичном случае коллоидные растворы относительно прозрачны в проходящем свете и опалесцируют (эффект Тиндаля). Они кинетически (к оседению) и агрегативно (к слипанию) устойчивы. Однако их агрегативная устойчивость ниже, чем у истинных растворов.

Различают 2 вида устойчивости дисперсных систем: кинетическая (седиментационная) и агрегативная (термодинамическая).

Седиментационная устойчивость характеризуется противодействием осаждению под действием сил тяжести (седиментация –явление осаждения частиц под действием силы тяжести). Высокая кинетическая устойчивость коллоидных растворов обусловлена равномерным распределением частиц дисперсной фазы по всему объему системы под влиянием теплового (броуновского) движения.

Агрегативная устойчивость дисперсных систем – это способность противостоять агрегации (укрупнению) частиц. Агрегативная устойчивость обусловлена прежде всего наличием одноименного электрического заряда у частиц дисперсной фазы, вызывающего их взаимное отталкивание.