Коллоидное состояние веществ кратко

Обновлено: 04.07.2024

Коллоидная химия – это наука о дисперсных системах и поверхностных явлениях, возникающих на границах раздела фаз.

В дисперсном (коллоидном) состоянии обычно существуют все реальные тела. Поэтому можно говорить о коллоидном состоянии вещества как о всеобщем особом состоянии материи. Коллоидное состояние вещества – это такое состояние, в котором вещество находится в высокодисперсном (сильно раздробленном) виде, отдельные его частицы являются не молекулами, а агрегатами, состоящими из множества молекул. Таким агрегатам могут быть приписаны все термодинамические свойства фазы. Молекулы среды, в которой диспергированы коллоидные частицы, образуют другую фазу.

1. Определенная степень раздробленности (~1 нм-1 мкм) вещества хотя бы в одном из трех измерений, при которой система приобретает ряд специфических свойств, не присущих (или выраженных незначительно) макроскопическим телам того же химического состава.

2. Наличие в системе двух или более фаз, ограниченных поверхностью раздела (гетерогенность, многофазность).

Дисперсные системы – это гетерогенные системы, состоящие из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Особые свойства дисперсных систем обусловлены именно малым размером частиц и наличием большой межфазной поверхности. В связи с этим определяющими являются свойства поверхности, а не частиц в целом. Характерными являются процессы, происходящие на поверхности, а не внутри фазы. Отсюда становится понятным, почему коллоидную химию называют физико-химией поверхностных явлений и дисперсных систем.

Особенность дисперсных систем состоит в их дисперсности – одна из фаз обязательно должна быть раздробленной, ее называют дисперсной фазой. Сплошная среда, в которой распределены частицы дисперсной фазы, называется дисперсионной средой. Фаза считается дисперсной, если вещество раздроблено хотя бы в одном направлении. Если вещество раздроблено только по высоте, образуются пленки, ткани, пластины и т. д. Если вещество раздроблено и по высоте и по ширине, образуются волокна, нити, капилляры. Наконец, если вещество раздроблено по всем трем направлениям, дисперсная фаза состоит из дискретных (отдельных) частиц, форма которых может быть самой разнообразной.

Предмет коллоидной химии. Дисперсные системы

2. Наличие в системе двух или более фаз, ограниченных поверхностью раздела (гетерогенность, многофазность).

Коллоидные системы образованы частицами, которые не оседают под действием силы тяжести и не видимы в обычный микроскоп. Вещество, раздробленное до частиц коллоидных размеров, имеет огромную поверхность.

Поскольку поверхностные молекулы обладают большим избытком свободной энергии, коллоиды существенно отличаются как от истинных растворов, так и от грубо дисперсных систем.

Вещество в коллоидном со стоянии более реакционно способно и обладает более интенсивной окраской. Многие практически нерастворимые в воде соединения, например сульфат бария, в коллоидном состоянии имеют заметную растворимость. Стремясь понизить избыток поверхностной энергии, коллоидные частицы слипаются в более крупные агрега ты, адсорбируют молекулы посторонних веществ или окружают себя плотной сольватной оболочкой.

Однако, непрерывно изменяясь, коллоидные системы сохраняют в то же время постоянный состав. Эта особенность очень важна для биологической эволюции материи. В коллоидных системах, как в зародыше, заключены потенциальные возможности протекания жизненных процессов. Коллоидное состояние — одна из наиболее распространенных форм существования вещества на Земле.

Коллоидными системами являются большинство минералов, растительные и животные организмы, вирусы. Работами академика К. К. Гедройца с сотрудниками установлена тесная связь между коллоидно-химическими свойствами почвы и ее плодородием.

Система приобретает коллоидные свойства и в том случае, если хотя бы одно из трех измерений находится в области малой дисперсности. Например, если небольшой кусочек твердого вещества раскатать в тонкую пленку толщиной 10 -8 м или вытянуть его в тонкую нить сечением 10 -8 Х10 -8 м, то оно перейдет в коллоидное состояние. Такими двумерными или одномерными коллоидами являются поверхностные пленки живых клеток, нервные и мышечные волокна.

Получение коллоидных систем

Поскольку коллоидные системы занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубо дисперсными системами, для их получения возможны в два способа: дробление крупных частиц вещества или объединение молекул или ионов в агрегаты, соответствующие размерам коллоидных частиц.

Процессы дробления и истирания широко распространены в природе. Дисперсные системы образуются под действием ветра, воды и перепада температур, при землетрясениях, оползнях и обвалах, при извержении вулканов и движении ледников. В промышленности дробление ве ществ проводят обычно в так называемых шаровых мельницах, представляющих собой полый цилиндрический барабан, заполненный тяжелыми шарами из стали, фарфора или агата.

Измельченный материал загружают в барабан: при его медленном вращении шары перекатываются и падают, истирая и дробя вещество. Тщательное измельчение некоторых соединений играет очень большое значение. Например, тонко измельченные краски имеют лучшую кроющую способность и гораздо ярче; порошкообразные катализаторы более активны, а хорошо перетертые пищевые продукты приобретают дополнительные вкусовые качества.

Процессы дробления связаны с преодолением межмолекулярных сил и увеличением поверхности, поэтому они сопровождаются затратой энергии. Достаточно сказать, что только для производства цемента в нашей стране расходуется столько электроэнергии, сколько ее вырабатывает Волжская ГЭС. Более эффективным оказывается дробление в присутствии поверхностно-активных веществ.

На поверхности любого твердого тела имеется множество микротрещин, которые сильно понижают его прочность. Проникая в эти микротрещины, молекулы ПАВ еще больше снижают прочность вещества, уменьшая тем самым затрачиваемые внешние усилия.

Измельчение веществ до частиц коллоидных размеров проводят в специальных коллоидных мельницах, действующих по принципу удара, трения или вибрации. Они гораздо производительнее шаровых мельниц.

Для получения жидких коллоидных растворов (золей) в настоящее время применяют ультразвуковой метод. Под действием ультразвука (колебания с частотой 10 4 — 10 5 сек -1 ) в жидкости происходит непрерывное образование и захлопывание полостей. Возникающие при этом резкие локальные перепады давлений вызывают дробление жидкостей и твердых тел.

Коллоидные растворы получают также электрическим диспергированием. Два электрода погружают концами в жидкость, сближают их и пропускают ток, достаточный для возникновения устойчивой электрической дуги. В процессе горения этой дуги происходит отрыв мельчайших частиц металла и его испарение. Мгновенная конденсация паров приводит к образованию коллоидного раствора.

Химические методы получения коллоидных систем

Устойчивые коллоидные растворы могут получаться в результате химических реакций гидролиза, окисления-восстановления и обмена. Такие процессы непрерывно наблюдаются в природе. Например, при выходе горячих глубинных вод на поверхность происходит окисление гидрокарбоната железа (II) с одновременным гидролизом Fe (III):

Для получения коллоидного раствора гидроксида железа (III) в лабораторных условиях 10—12 мл 2-процентного раствора хлорида железа прибавляют по каплям к 100 мл кипящей дистиллированной воды. Образовавшаяся смесь приобретает при этом ярко-красную окраску, но при охлаждении вновь бледнеет вследствие обратимости реакции гидролиза:

Возникновение коллоида можно представить себе следующим образом. В пересыщенном относительно вещества А растворе появляются зародыши кристаллизации (первичные частицы). Их возникновение зависит от множества причин: природы вещества А, вязкости среды, температуры, условий протекания химической реакции. Каждый зародыш начинает расти, захватывая вещество из окружающего пространства.

Этот рост происходит до тех пор, пока не исчезнет пересыщение. Если скорость возникновения зародышей преобладает над скоростью их рос та, то образуется коллоидный раствор: в противном случае выпадает обычный мелкокристаллический осадок.

Например, при сливании очень разбавленных растворов тиосульфата и серной кислоты получившаяся смесь остается прозрачной довольно длительное время. Как только пересыщение достигает определенной величины, в каждом миллилитре раствора мгновенно образуется около 2 млн. зародышей, которые быстро вырастают до размеров коллоидных частиц:

Золи серебра, золота и платины удобно получать восстановлением их соединений в растворах. Этот метод известей очень давно. Еще в 1857 г. М. Фарадей получил золь золота, прибавляя к водному раствору H[AuCl₄] эфирный раствор белого фосфора:

За ходом коллоидообразования в данном случае удобно следить по изменению окраски. По мере увеличения размеров коллоидных частиц окраска золя переходит от ярко-красной к синей и фиолетовой.

Метод замены растворителя

Если насыщенный раствор серы в этаноле вылить в большой объем воды, то получившаяся водно-спиртовая смесь будет по отношению к сере сильно пересыщена. Молекулы S₈ слипаются в агрегаты и образуют коллоидные частицы. Методом замены растворителя (выливанием этанольных или ацетоновых растворов в воду) получают золи фосфора, мышьяка, канифоли и многих органических веществ.

Очистка золей

Для очистки коллоидных растворов от примеси посторонних низкомолекулярных веществ обычно используют диализ — метод, основанный на применении тонких пленок из целлофана, пергамента, коллодия и других тонкопористых материалов. Коллоидный раствор наливают в мешочек из коллодия и помещают его в сосуд с дистиллированной водой. Ионы и молекулы диффундируют сквозь поры пленки во внешний сосуд, а коллоидные частицы остаются в мешочке. Дистиллированную воду в сосуде периодически заменяют.

Рис. 2. Схема электродиализатора

Процесс диффузии через полупроницаемую перегородку протекает очень медленно, поэтому очистка диализом длится несколько суток или даже недель. Для ускорения процесса очистки диализ проводят под давлением. В этом случае он называется ультрафильтрацией.

Благодаря большой рабочей площади мембран ( ~ 15 тыс. см 2 ) из крови достаточно быстро удаляются ионы калия, мочевина и другие ненужные организму продукты обмена веществ.

Быструю очистку золя от посторонних электролитов можно проводить также с помощью электролиза. Схема предназначенного для этой цели прибора (электродиализатора) показана на рисунке 2. Под действием внешнего электрического поля ионы движутся к соответствующим электродам, а коллоидные частицы остаются в средней секции.

Устойчивость коллоидных систем

Коллоидные частицы находятся в состоянии непрерывного теплового движения. Интенсивность этого движения, называемого броуновским, увеличивается с температурой. Броуновское движение придает коллоидным частицам кинетическую устойчивость — они не способны самопроизвольно оседать на дно сосуда или всплывать на поверхность.

Однако, поскольку вещество в коллоидном состоянии обладает большим избытком поверхностной энергии, движущиеся частицы могут при столкновении слипаться с образованием хлопьев-агрегатов, выпадаю щих постепенно в осадок. Этот процесс, называемый коагуляцией, приводит к разрушению коллоидных растворов.

Поскольку, агрегатообразование представляет собой самопроизвольный процесс, коллоидные растворы являются в принципе неустойчивыми системами. Известно, однако, что некоторые золи сохраняются в течение очень длительного времени.

Например, коллоидные растворы золота, приготовленные М. Фарадеем в середине прошлого века, до сих пор не подверглись никаким видимым изменениям. Следовательно, они находятся в устойчивом состоянии. Главным фактором устойчивости коллоидных растворов является наличие у каждой коллоидной частицы сольватной или ионной оболочки.

В зависимости от характера межмолекулярных сил, действующих на границе раздела фаз: коллоидная частица — дисперсионная среда, коллоидные растворы разделяют на лиофильные и лиофобные. В первых наблюдается сильное взаимодействие частиц дисперсной фазы со средой, а во вторых — слабое. В лиофильных коллоидах они окружены прочными и объемистыми сольватными оболочками, а в лиофобных коллоидах эти оболочки непрочны. Лиофильные коллоиды более устойчивы и стоят ближе к истинным растворам. В некоторых случаях они могут образовываться самопроизвольно.

Устойчивость лиофильных коллоидов

Устойчивость лиофильных коллоидов обусловлена наличием вокруг каждой коллоидной частицы прочной сольватной оболочки, отличающейся по своим свойствам от окружающей дисперсионной среды. Так как молекулы в сольватной оболочке определенным образом ориентированы, то она обладает более или менее правильной структурой и некоторой устойчивостью.

Коллоидные частицы могут соединиться и образовать агрегат только в том случае, если они сблизились до расстояния, на котором начинают действовать межмолекулярные силы. Сольватные оболочки препятствуют подобному сближению, поэтому лиофильные коллоиды самопроизвольно не коагулируют.

Представим себе, что столкнулись две гидрофильные коллоидные частицы. Сольватные оболочки принимают на себя всю силу удара и начинают постепенно разрушаться. Если энергия удара достаточно велика, то частицы сближаются до расстояния, на котором начинают действовать межмолекулярные силы, и возникает агрегат. Если же энергия удара недостаточна для сближения частиц до требуемого расстояния, то деформированные сольватные оболочки восстанавливаются и частицы расходятся.

Чтобы разрушить лиофильный коллоид, достаточно ослабить сольватные оболочки вокруг каждой частицы. Для водных растворов это достигается добавлением большого количества электролита. Молекулы воды переходят из сольватных оболочек частиц в сольватные оболочки ионов; устойчивость коллоида резко уменьшается и он коагулирует. Этот процесс называется высаливанием. Его используют в мыловарении, в целлюлозной промышленности.

Благодаря защитному действию ПАВ гидрофобные минеральные частицы приобретают прочные гидратные оболочки и удерживаются во взвешенном состоянии. Поэтому воды Белого Нила на всем своем протяжении имеют значительную мутность.

Защита гидрофобных коллоидов часто встречается в природе. Так, высокое содержание в молоке малорастворимого фосфата кальция объясняется тем, что эта соль находится в виде коллоидных частиц, покрытых с поверхности белками.

Устойчивость лиофобных коллоидов

За счет адсорбции ионов из раствора коллоидные частицы всегда заряжены (рис. 3). Наличие на поверхности коллоидов одноименных электрических зарядов является главным фактором устойчивости лиофобных коллоидов. Движущимся навстречу друг другу одинаково заряженным частицам не удается сблизиться до расстояния, на котором начинают проявляться силы межмолекулярного притяжения. В результате гидрофобный коллоидный раствор может не изменяться даже при длительном хранении.

Рис. 4. Движение коллоидных частиц в электрическом поле (явление электрофореза)

Полная или частичная нейтрализация поверхностного заряда сильно понижает устойчивость золей: они быстро коагулируют. Такой нейтрализации проще всего добиться, прибавив к раствору избыток какого-нибудь электролита, например нитрата аммония.

Явление электрофореза

Оно широко применяется для получения ровных и прочных керамических покрытий К и тонких .пленок; разделения аминокислот, антибиотиков и ферментов; установления правильного диагноза и осуществления контроля за ходом выздоровления. С помощью электрофореза разделяют и анализируют белки и различные компоненты плазмы крови.

Применение сложных оптических приборов дает возможность представить процесс электрофореза в виде кривых с отдельными пиками (рис. 5). Расстояние пика от начала отсчета позволяет идентифицировать компонент смеси, а высота пика — указывает на количество этого компонента.

Оптические свойства коллоидных систем

При прохождении света через дисперсную систему происходит его поглощение, отражение и рассеяние. Грубо-дисперсные системы, образованные сравнительно большими по размеру частицами, в основном отражают свет; истинные растворы его поглощают, а коллоидные системы — рассеивают.

Явление светорассеяния позволяет легко отличить золи от истинных растворов и грубо дисперсных систем. Если на стеклянном сосуде с жидкостью сфокусировать свет от сильного источника, то в случае коллоидного раствора наблюдается равномерно освещенная полоса света (конус Тиндаля).

Присутствие отдельных блесток указывает на наличие грубо дисперсной системы. Истинный раствор при наблюдении сбоку кажется совершенно прозрачным.

Рис. 5. Электрофореграмма плазмы крови:

а — в норме; б — при нефрите (А — альбумин; Ф — фибриноген; α-, β- и γ-глобулины).

Рассеяние света коллоидными растворами было подробно изучено в 1868 г. Тиндалем, который обнаружил, что при боковом освещении золей наблюдается характерное переливчатое свечение, и назвал его опалесценцией .

Интенсивность рассеяния света обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Следовательно, при прохождении через коллоидный раствор пучка дневного света преимущественно будут рассеиваться короткие электромагнитные волны — синяя и фиолетовая части спектра. Именно этим объясняется синеватый цвет табачного дыма и снятого молока при боковом освещении.

Рассеянием солнечных лучей мельчайшими капельками воды и флуктуациями плотности земной атмосферы обусловлен голубой цвет неба. Наоборот, при рассмотрении всех этих систем в проходящем свете наблюдаются красноватые оттенки, появляющиеся вследствие потери синих и фиолетовых лучей при рассеянии.

Для коллоидных растворов металлов более характерным является не рассеяние, а поглощение электромагнит ных волн. Характер поглощения зависит от размера коллоидных частиц — с увеличением дисперсности максимум поглощения сдвигается в сторону более длинных волн.

Например, золь золота, образованный частицами с диаметром около 20 нм, поглощает в основном зеленую часть спектра и окрашен в интенсивно-красный цвет. С увеличением размера частиц до 50 нм раствор приобретает синюю окраску. Интересно, что золь золота с очень высокой степенью дисперсности имеет желтый цвет, очень сходный с окраской гидратированных ионов Аu 3+ . Здесь прослеживается непрерывный переход от коллоидных растворов к истинным.

Ультрамикроскоп. Электронная микроскопия

Коллоидные частицы недоступны для наблюдения в обычный оптический микроскоп. В 1903 г. Зедентопф и Жигмонди сконструировали ультрамикроскоп — прибор, с помощью которого стало возможным наблюдать частицы размером до 3 нм, т. е. почти всю коллоидную область. В основе работы ультрамикроскопа лежит явление светорассеяния.

В ультрамикроскоп видны не отдельные коллоидные частицы, находящиеся в непрерывном тепловом движении, а их отблески. Подобное наблюдение не позволяет судить о размерах и форме частиц, но эти параметры могут быть определены другими методами.

Более высокой разрешающей способностью обладает электронный микроскоп, в котором на рассматриваемый объект вместо обычного света направляют пучок быстро летящих электронов. Увеличенное изображение фотографируется или проецируется на экран. С помощью электронного микроскопа можно непосредственно наблюдать отдельные наиболее крупные молекулы и даже атомы.

Статья на тему Коллоидное состояние вещества

Содержание

Основные свойства

Коллоидные частицы не препятствуют прохождению света.
В прозрачных коллоидах наблюдается рассеивание светового луча (эффект Тиндаля).
Дисперсные частицы не выпадают в осадок за счёт броуновского движения.

Основные виды

— взвесь твёрдых частиц в газе. — взвесь жидких частиц в газе. — взвесь твёрдых частиц в жидкости. — раствор жидкости в жидкости. — раствор газа в жидкости или твёрдом теле. — раствор жидкости в твёрдом теле. — раствор твёрдого тела в твёрдом теле.

Коллоидные системы, применяемые в химическом анализе

Из коллоидных систем наибольшее значение для химического анализа имеют гидрозоли — двухфазные микрогетерогенные дисперсные системы, характеризующиеся предельно высокой дисперсностью, в которых дисперсионной средой является вода — наиболее часто применяемый в аналитической практике растворитель. Встречаются также органозоли, в которых дисперсионной средой являются неводные (органические) растворители. В результате молекулярного сцепления частиц дисперсной фазы из золей при их коагуляции образуются гели. При этом не происходит разделения фаз; другими словами, переход золей в гель не является фазовым превращением.

При образовании геля вся дисперсионная среда (например, вода в гидрозоле) прочно связывается поверхностью частиц дисперсной фазы и в ячейках пространственной структуры геля. Гели способны обратимо восстанавливать свою пространственную структуру во времени, но после высушивания наступает разрушение их структуры и они теряют эту способность.

Коллоидные свойства галогенидов серебра

В процессе титрования галогенид-ионов растворами солей серебра получаются галогениды серебра, весьма склонные к образованию коллоидных растворов. В присутствии избытка На1--ионов, то есть до точки эквивалентности при титровании галогенидов ионами серебра или после точки эквивалентности при титровании ионов серебра галогенидами, вследствие адсорбции Hal--ионов взвешенные частицы AgHal приобретают отрицательный заряд:

mAgHal + nНаl- --> =[AgHal]m • nНаl-

В присутствии избытка Ag+-ионов (то есть до точки эквивалентности при титровании ионов серебра галогенидами или после точки эквивалентности при титровании галогенидов ионами серебра) взвешенные частицы приобретают положительный заряд:

mAgHal + nAg+ --> [AgHal]m • nAg+

Таким образом, заряд взвешенной частицы [AgHal]m•nHal- или [AgHal]m•nAg+ определяется зарядом ионов, адсорбированных на поверхности ядра мицеллы [AgHal]m, и зависит от наличия в системе избытка Hal- или Ag+, обусловливающих отрицательный или положительный заряд взвешенной частицы золя. Помимо адсорбционного слоя, находящегося на поверхности ядра мицеллы и обусловливающего определенный электрический заряд, в состав мицеллы входит также часть ионов противоположного знака, образующих второй (внешний) слой ионов.

Например, в процессе титрования иодида калия раствором нитрата серебра

Ag+ + NO + К++I- --> AgI + K+ + NO

образуются мицеллы следующего строения:

а) мицеллы, образуемые Ag при избытке нитрата серебра: x+ • xNO

б) мицеллы, образуемые AgI при избытке иодида калия x- • xK+

Коллоидные частицы, несущие одноимённые электрические заряды, отталкиваются друг от друга. Силы взаимного отталкивания мешают частичкам сблизиться настолько, чтобы произошло взаимное притяжение. В то же время заряженные частички обладают высокой адсорбционной способностью, они притягивают к себе частицы, несущие обратные по знаку электрические заряды, и образуют с ними малорастворимые соединения. В первую очередь на поверхности заряженных коллоидных частиц адсорбируются те ионы, которые дают наименее растворимые осадки с ионами, входящими в состав этих частиц. Кроме того, адсорбируются те ионы, концентрация которых наибольшая. Например, при осаждении AgI могут соосаждаться вместе с ним Вr-, CI-, SCN- и другие ионы. При титровании галогенидов, не содержащих посторонних примесей, осадком адсорбируются имеющиеся в растворе На1--ионы, сообщая частичкам AgHal отрицательные заряды. И в том, и в другом случаях результаты титрования искажаются. Поэтому требуется строго соблюдать условия осаждения, рекомендуемые в методиках определения тех или иных веществ.

Анализ коллоидных систем

Существует несколько методов анализа коллоидных систем, среди них есть химические и физико-химические методы: анализ с помощью адсорбционных индикаторов; методы на основе измерения рассеяния проходящего света (нефелометрия и турбидиметрия); методы на основе измерения скорости седиментации.

Содержание

Основные свойства

Коллоидные частицы не препятствуют прохождению света.
В прозрачных коллоидах наблюдается рассеивание светового луча (эффект Тиндаля).
Дисперсные частицы не выпадают в осадок за счёт броуновского движения.

Основные виды

Коллоидные системы, применяемые в химическом анализе

Коллоидные свойства галогенидов серебра

mAgHal + nНаl- --> =[AgHal]m • nНаl-

mAgHal + nAg+ --> [AgHal]m • nAg+

Например, в процессе титрования иодида калия раствором нитрата серебра

Ag+ + NO + К++I- --> AgI + K+ + NO

образуются мицеллы следующего строения:

а) мицеллы, образуемые Ag при избытке нитрата серебра: x+ • xNO

б) мицеллы, образуемые AgI при избытке иодида калия x- • xK+

Анализ коллоидных систем

Читайте также:

Коллоидное состояние веществ кратко

Получение коллоидных систем

Химические методы получения коллоидных систем

Метод замены растворителя

Очистка золей

Устойчивость коллоидных систем

Устойчивость лиофильных коллоидов

Устойчивость лиофобных коллоидов

Явление электрофореза

Оптические свойства коллоидных систем

Ультрамикроскоп. Электронная микроскопия

Похожие страницы:

Содержание

Основные свойства

Основные виды

Коллоидные системы, применяемые в химическом анализе

Коллоидные свойства галогенидов серебра

Анализ коллоидных систем

Содержание

Основные свойства

Основные виды

Коллоидные системы, применяемые в химическом анализе

Коллоидные свойства галогенидов серебра

Анализ коллоидных систем