Гидрофобные и гидрофильные коллоидные системы

Лиофильность (если дисперсионной средой является вода, то гидрофильность) означает хорошее смачивание коллоидных частиц, т.е. в таких системах на поверхности частиц имеется уплотнѐнный слой молекул растворителя. В лиофильных системах наблюдается усиление межмолекулярного взаимодействия между дисперсионной средой и дисперсной фазой.

Лиофильные дисперсные системы термодинамически равновесны, они всегда высокодисперсны, образуются самопроизвольно и при сохранении условий их возникновения могут существовать сколь угодно долго. Согласно первому и второму началам термодинамики для равновесных процессов можно записать

∆G= ∆Н - Т∆S, или dG = dH – TdS

 

где ∆G(dG), ∆Н(dH) и ∆S(dS) – изменение энергии Гиббса, энтальпии и энтропии соответственно

 

(В самопроизвольных процессах энергия Гиббса уменьшается, т.е. ∆G < 0, dG ∆Н. Лиофильность означает устойчивость поверхностей к взаимному слипанию. Типично лиофильными дисперсными системами являются микроэмульсии, коллоидные ПАВ, полимер-полимерные смеси и т.д.)

Лиофильные системы в отличие от лиофобных обратимы – сухой остаток, полученный в результате выпаривания, при соприкосновении с жидкостью набухает и вновь переходит в коллоидный раствор.

 

Лиофобность (для воды гидрофобность) означает, что на поверхности дисперсных частиц нет уплотнѐнного слоя из молекул растворителя (молекул дисперсионной среды).

В лиофобных дисперсных системах межмолекулярное взаимодействие между дисперсионной средой и дисперсной фазой значительно. Граница раздела фаз выражена достаточно чѐтко. Лиофобные дисперсные системы термодинамически неравновесны, неустойчивы. Неустойчивость лиофобных систем вызвана избытком поверхностной энергии, что связано с увеличением энергии Гиббса (∆G>0) и нарушением условия T∆S > ∆H.

(Большой избыток свободной поверхностной энергии дисперсных частиц обусловливает протекание в системах процессов перехода в более энергетически выгодное состояние. Так, в изотермических условиях возможно сближение частиц, их объединение в плотные агрегаты и осаждение. Неустойчивые лиофобные частицы непрерывно изменяют свой дисперсный состав в сторону укрупнения частиц вплоть до полного расслоения. Однако стабилизированные лиофобные дисперсные системы сохраняют свою дисперсность в течение длительного времени.)

!Характерными гидрофобными системами являются, например, золи благородных металлов.

5. Методы получения коллоидных систем: диспергационные и конденсационные методы (физическая конденсация, конденсация из паров и химическая конденсация).

Образование дисперсных систем возможно двумя путями: диспергационным и конденсационным.

Диспергирование – это тонкое измельчение твѐрдого тела или жидкости, в результате которого образуются дисперсные системы: порошки, суспензии, эмульсии, аэрозоли.

К диспергированию относятся:

Механический. Удар или истирание твѐрдых тел. Такой метод воздействия на твѐрдые вещества приводит к измельчению твѐрдых тел. (Измельчение до размеров в несколько десятков микрон осуществляется с помощью шаровых мельниц; очень тонкое раздробление (до 0,1 – 1 микрона) достигается на специальных коллоидных мельницах с узким зазором между быстро вращающимся ротором (10 – 20 тыс. об/мин) и неподвижным корпусом, причѐм частицы разрываются или истираются в зазоре.) Могучим фактором механического диспергирования твѐрдых тел в природе является расширение воды при замерзании. Проникая в трещины и микротрещины горных пород и замерзая в них, вода вызывает дробление на крупные куски и способствует отрыву мельчайших частичек.

Физический. Диспергирование ультразвуком. При прохождении звуковой волны с частотой 20000 Гц (эти колебания не улавливаются человеческим ухом) в системе возникают местные, быстро чередующиеся сжатия и расширения веществ, которые и приводят к их разрушению.

Конденсационные методы – это способы получения коллоидных систем путѐм объединения (конденсации) молекул и ионов в агрегаты коллоидных размеров. При этом система из гомогенной превращается в гетерогенную.

Конденсационные методы классифицируют на физическую конденсацию и химическую конденсацию.

1. Физическая конденсация осуществляется при понижении температуры газовой среды, содержащей пары различных веществ. При понижении температуры пар становится пересыщенным и частично конденсируется, образуя дисперсную фазу. (Примером может служить образование атмосферного тумана, представляющего собой мельчайшие капельки воды, образовавшиеся путѐм конденсации влаги воздуха в результате его охлаждения. Другим примером является образование аэрозолей металлов и их оксидов в дымах металлургических печей. Например, легкоплавкий металл свинец испаряется при высоких температурах, свойственных металлургическим процессам, затем окисляется кислородом воздуха и образует вредные для здоровья человека оксиды свинца.)

Примером физической конденсации является метод замены растворителя: раствор какого-либо вещества постепенно при перемешивании, прибавляют к жидкости, в которой это вещество нерастворимо, т.е. идѐт процесс ухудшения качеств растворителя. При этом происходит конденсация молекул и образование коллоидных частиц.(Этим способом получают гидрозоли серы, фосфора, холестерина, канифоли, антрацена и других веществ, вливая их спиртовые растворы в воду.)

2. При получении коллоидных систем путѐм химической конденсации вещество, образующее дисперсную фазу, получается в результате химической реакции.

Методы химической конденсации очень разнообразны, рассмотрим некоторые из них.

1. Восстановление. Важнейшим химическим методом является восстановление в отсутствии или в присутствии высокомолекулярных веществ. Методами восстановления получены золи Ag, Au, Pt, Pd, Ru, Os, Hg, Cu, Se, Te и других металлов. Очень стойкие гидрозоли методом восстановления получаются в присутствии ряда высокомолекулярных веществ – желатины, казеина, крахмала и др. Эти ВМС адсорбируются на поверхности коллоидных частиц и стабилизируют коллоидную систему. Таким способом А.Ф. Герасимовым впервые в нашей стране был получен лекарственный препарат колларгол, представляющий собой гидрозоль серебра, защищенный продуктами неполного гидролиза яичного белка

2. Окисление. Примером может служить реакция окисления сероводорода сернистым газом:

2H₂S + SO₂ → 3S↓ + 2H₂O

Реакция хорошо идѐт в концентрированных растворах. При этом образуются тиокислоты, которые стабилизируют коллоидные частицы серы.

 

3. Реакции обмена. Если продукт реакции не является электролитом, то эта реакция даѐт возможность просто получить коллоидный раствор. (Например:

As₂O₃ + 3H2S→ As₂S₃↓ + 3H₂O.)

При образовании в результате обменной реакции, сильно диссоциирующего электролита, во избежание осаждения дисперсной фазы, приходится применять очень разбавленные растворы, один из которых берѐтся в большом избытке. (Например:

AgNO₃ + KCl → AgCl↓ + KNO₃.)

Избыток одного из реактивов обеспечивает устойчивость системы.

4. Гидролиз. Этот метод широко применяется для получения золей гидроксидов металлов. Степень гидролиза возрастает с увеличением температуры и с увеличением разведения.