Коллоидные системы

Микрогетерогенное и ультромикрогетерогенное состояния вещества, часто объединяемые общим названием – коллоидное состояние, являются промежуточным между истинными растворами и гетерогенными системами (рис. 7).

В отличие от истинных растворов, в коллоидных системах может быть выделено две фазы:

– дисперсионная среда – непрерывная фаза растворителя и,

– дисперсная фаза – мелкораздробленное вещество, равномерно распределённое в дисперсионной среде. В отличие от дисперсионной среды, между частицами дисперсной фазы не существует контакта, каждая из этих частиц обособлена и существует самостоятельно.

Коллоидное состояние вещества может реализоваться только при определенном размере частиц дисперсной фазы. Степень их измельченности характеризуется понятием дисперсность системы, которая обратно пропорциональна размеру частиц дисперсной фазы.

Коллоидные системы являются термодинамически неустойчивыми, поскольку с энергетической точки зрения „выгодным” является объединение частиц дисперсной фазы (коалесценция) приводящая к увеличению размера коллоидных частиц. Процесс коалесценции может привести к коагуляции – выделению дисперсной фазы из дисперсионной среды, т.е. к разрушению коллоидной системы, и, в конечном счёте, к седиментации – образованию компактного осадка дисперсной фазы.

Устойчивость коллоидных систем носит кинетический характер, т.е. процесс их разрушения происходит очень медленно, и в значительном временном интервале может не иметь видимых проявлений.

Устойчивость коллоидных систем обусловлена действием сил отталкивания, препятствующих коалесценции коллоидных частиц. Такими силами могут являться силы электростатического отталкивания, возникающие в результате избирательной адсорбции частицами коллоида ионов электролита присутствующего в системе. В результате этого явления все коллоидные частицы приобретают заряд одного знака. Второй причиной возникновения сил отталкивания является образование на поверхности частиц сольватной оболочки из молекул растворителя, выполняющей роль защитной мембраны, препятствующей сближению частиц. Сольватная оболочка может быть значительно упрочнена путем введения в систему стабилизаторов, в качестве которых применяются ПАВ.

Таблица 1. Классификация коллоидных систем по физическому состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

Особое место в коллоидной химии занимают растворы высокомолекулярных соединений (ВМС). Особенности их поведения обусловлены тем, что мельчайшей частицей таких систем является не совокупность молекул, а отдельные макромолекулы очень значительного размера. Большой размер макромолекул является причиной сходства свойств коллоидных растворов низкомолекулярных веществ и растворов ВМС. В отличие от коллоидных растворов низкомолекулярных веществ растворы ВМС являются термодинамически устойчивыми и обратимыми, т.е. после разрушения раствора, например в результате выпаривания, ВМС снова способны к растворению. Растворы ВМС относят к лиофильным коллоидным системам – системам с высокой степенью сродства дисперсной фазы и дисперсионной среды. Коллоидные растворы низкомолекулярных веществ являются лиофобными – обладают низкой степенью сродства дисперсной фазы и дисперсионной среды.

В отличие от истинных растворов, коллоидные системы обладают рядом отличительных свойств:

– опалесценция или светорассеяние проявляется в том, что проходящий через коллоидную систему свет частично отражается от поверхности коллоидных частиц. В результате чего в направлении перпендикулярном движению луча света наблюдается свечение раствора. Это явление получило название конус Тиндаля (рис. 8);

– очень низкая скорость диффузии, обусловленная большими размерами и „неповоротливостью” коллоидных частиц;

– очень низкое осмотическое давление, что является следствием наличия в коллоидных растворах небольшого, относительно истинных растворов, количества частиц;

– способность к диализу заключается в том, что коллоидные частицы могут быть отделены от низкомолекулярных примесей путем их фильтрации через полупроницаемые мембраны, которые пропускают молекулы и ионы низкомолекулярных веществ, но задерживают частицы коллоидного размера. Скорость диализа существенно повышается под действием электрического поля (электродиализ). Явления диализа и электродиализа используются для очистки коллоидных растворов от низкомолекулярных примесей. В основе электродиализа лежат явления;

– агрегативная неустойчивость проявляется в легкости разрушения коллоидных систем в результате незначительного внешнего воздействия – нагревание, замораживание, интенсивное перемешивание, добавка растворов электролитов химически не взаимодействующих с дисперсной фазой. Неустойчивость коллоидных растворов проявляется также в невозможности получить коллоидные растворы высокой концентрации;

– электрофорез – направленное одностороннее движение заряженных коллоидных частиц в постоянном электрическом поле и электроосмос – направленный односторонний перенос жидкости через полупроницаемую мембрану под действием электрического поля.

Коллоидные системы могут быть получены двумя методами:

– раздроблениемкрупных частиц на более мелкие – методы диспергирование;

– агрегацией (объединением)молекул или ионов в более крупные частицы – конденсационные методы.