Коллоидная частица: определение, особенности, виды и свойства. Строение коллоидных частиц

Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами. Поэтому их можно получать двумя путями:

а) методами диспергирования – дроблением более крупных частиц до коллоидной степени дисперсности – механическим, электрическим, ультразвуком, пептизацией (превращение осадков в коллоидный раствор под влиянием химических веществ – пептизаторов);

б) методами конденсации – укрупнением частиц в агрегаты коллоидной степени дисперсности (получение нерастворимых веществ в результате реакций различных типов);

в) ультрафильтрацией через полупроницаемые мембраны.

Строение коллоидных частиц

Образование нерастворимого вещества в результате химической реакции – это лишь одно из условий получения коллоидного раствора. Другим не менее важным условием является неравенство исходных веществ, взятых в реакцию. Следствием этого неравенства является ограничение роста величины частиц коллоидах растворов, которое при­вело бы к образованию грубодисперсной системы.

Механизм образования коллоидной частицы рассмотрим на приме­ре образования золя иодистого серебра, который получается при взаи­модействии разбавленных растворов азотнокислого серебра и йодисто­го калия.

AgNO 3 +KI = AgI + KNO 3

Ag + + NO 3 ¯ +K + + I ¯ = AgI ↓ + NO 3 ¯ + K +

Нерастворимые нейтральные молекулы йодистого серебра образуют ядро коллоидной частицы.

Сначала эти молекулы соединяются в беспорядке, образуя аморфную, рыхлую структуру, которая постепенно превращается в высокоупо­рядоченную кристаллическую структуру ядра. В рассматриваемом нами примере ядро это кристаллик йодистого серебра, состоящий из боль­шого числа (m) молекул AgI:

m - ядро коллоидной частицы

На поверхности ядра происходит адсорбционный процесс. По правилу Пескова-Фаянса, на поверхности ядер коллоидных частиц адсорбируются ионы, входящие в состав ядра частицы, т.е. адсорбируются ионы серебра (Аg +) или ионы иода (I –). Из этих двух видов ионов адсорбируютcя те, которые находятся в избытке.

Так, если получать коллоидный раствор в избытке йодистого калия, то адсорбироваться на частицах (ядрах) будут ионы иода, которые достраивают кристаллическую ре­шетку ядра, естественно и прочно входя в его структуру. При этом образуется адсорбционный слой, который придает ядру отрицательный заряд:

Ионы, адсорбирующиеся на поверхности яд­ра, придавая ему соответствующий заряд, называются потенциалобразующими ионами.

При этом в растворе находятся и противоположно заряженные ионы, их называют противоионами. В нашем случае это ионы калия (K +), которые электростатически притягиваются к заряженному ядру (величи­на заряда может достигать I в). Часть противоионов К + прочно связы­вается электрическими и адсорбционными силам и и входит в адсорбционный слой. Ядро с образовавшимся на нем двойным адсорбционным слоем ионов называется гранулой.

{m . nI – . (n-x) K + } x – (структура гранулы)

Оставшаяся часть противоионов (обозначим их числом "х К + ") образует диффузный слой ионов.

Ядро с адсорбционным и диффузным слоями называется мицеллой:

{m . nI –. (n-x) K + } x – . х К + (структура мицеллы)

При пропускании постоянного электрического тока через коллоидный раствор гранулы и противоионы двинутся к противоположно заря­женным электродам соответственно.

Наличие одноименного заряда на поверхности частиц золей являет­ся важным фактором его устойчивости. Заряд препятствует слипанию и укрупнению частиц. В устойчивой дисперсной системе частицы удерживаются во взвешенном состоянии, т.е. не происходит выпадения в осадок коллоидного вещества. Это свойство золей называется кинети­ческой устойчивостью.

Строение мицелл золя иодистого серебра, полученного в избытке AgNO 3 , представлено на рис. 1а, в избытке KCI - 1б.

Рис.1.5. Строение мицелл золя иодистоого серебра, полученного в избытке:

а) азотнокислого серебра; б) хлорида калия.

Напишите формулу мицеллы золя сульфата бария, полученного при взаимодействии раствора хлорида бария с небольшим избытком раствора сульфата натрия?

Решение:

В основе получения золя лежит реакция:

BaCl 2 + Na 2 SО 4 изб. = 2 NaCl + Ba SО 4 ¯

Условием получения золя является избыток Na 2 SО 4 , который является стабилизатором золя.

В растворе будут присутствовать ионы натрия и сульфат-ионы, образующиеся при диссоциации сульфата натрия

Na 2 SO 4 = 2Na + + SO²⁻

На поверхности агрегатов будут адсорбироваться сульфат-ионы.

Образуетсяя ядро коллоидной частицы:

[(BaSO 4) m ∙nSO²⁻

Несущее отрицательный заряд ядро притягивает из раствора ионы противоположного знака, называемые противоионами. В нашем случае в роли противоионов выступают катионы натрия.

формула мицеллы полученного золя:

{[(BaSO 4) m ·nSO²⁻]2(n-x)Na + } 2x- 2xNa +

К какому электроду будут перемещаться частицы золя полученного при взаимодействии нитрата серебра с избытком хлорида натрия?

Решение . При смешивании растворов AgNO3 и NaCl изб. протекает реакция

AgNO3+ NaСl (изб.) = AgСl + NaNO3.

Ядро коллоидной частицы золя хлорида серебра состоит из агрегата молекул (mAgСl) и зарядообразующих ионов Cl ⁻, которые находятся в растворе в избытке и обеспечивают коллоидным частицам отрицательный заряд. Противоионами являются гидратированные ионы натрия.

Формула мицеллы хлорида серебра имеет вид:

[m (AgCl) n Cl – (n– x )Na + ] x – x Na +

Коллоидная частица имеет отрицательный заряд, значит будет перемещаться к положительно заряженному электроду - катоду.

Напишите формулы мицелл коллоидных растворов для следующих веществ:

а) кремниевый кислоты: агрегат m [Н2SiO3], ионный стабилизатор K2SiO3 ® 2K+ + SiO32–

б) гидрозоля золота: агрегат m [Аu], ионный стабилизатор NaAuO2 ® Na + + AuO2–

в) двуокиси олова: агрегат m , ионный стабилизатор K2SnO3 ® 2K+ + SnO32–

Решение:

а) Образование золя кремневой кислоты происходит по реакции

K 2 SiO 3 изб.+ 2HCl = H 2 SiO 3 + 2KCl.

K 2 SiO 3 2K⁺+ SiO₃²⁻

На электронейтральном агрегате частиц (mH 2 SiO 3) адсорбируются ионы элемента, входящего в состав ядра. Таковыми являются ионы HSiO 3 ‾ , которые образуются в результате гидролиза соли K 2 SiO 3:

K 2 SiO 3 + H 2 O KHSiO 3 + KOH или в ионной форме

SiO 3 2− + H 2 O HSiO 3 ‾ + OH ‾ .

Ионы HSiO 3 ‾ , адсорбируясь на поверхности частиц золя кремниевой кислоты, сообщают им отрицательный заряд. Противоионами являются гидратированные ионы водорода H + . Формула мицеллы золя кремневой кислоты:

{[(m H 2 SiO 3) ·n HSiO 3 ‾ ·(n-x )H + ∙y H 2 O] x − + x H + ∙z H 2 O}.

б) Образование гидрозоля золота происходит при действии восстановителя на соль золотой кислоты в слабощелочной среде:

2NaAuО 2 + 3НСНО + Na 2 CO 3 = 2Аu + ЗНСООNa + NaНСО 3 + Н 2 О.

На агрегате частиц (mAu) адсорбируются ионы элемента, входящего в состав ядра. Таковыми являются ионы AuO 2 ‾ ,

Формула мицеллы золя:

{m·nAuO²⁻·(n-x) Na⁺} x ⁻ ·xNa⁺

в) Образование золя двуокиси олова происходит следующим образом:

K2SnO3 2K⁺ + SnO3²⁻

На электронейтральном агрегате частиц (mSnO 2) адсорбируются ионы элемента, входящего в состав ядра. Таковыми являются ионы SnO 3 2‾:

K 2 SnO 3 SnO 3 2⁻ + 2K⁺

Ионы SnO 3 2‾ , адсорбируясь на поверхности частиц золя, сообщают им отрицательный заряд. Противоионами являются ионы K + . Формула мицеллы золя двуокиси олова:

{[(m SnO 2) n SnO 3 2‾ ·(2n-x )K + ] 2 − + x K + }.

Мицелла – это структурная коллоидная единица. Необходимыми условиями образования мицеллы являются:

а) образование в результате реакции труднорастворимого вещества, m молекул которого образуют агрегат коллоидной частицы.

Например: ;

б) наличие стабилизатора – электролита, предоставляющего ионы, адсорбируемые поверхностью труднорастворимого соединения. Согласно правилу Панетта–Фаянса , лучше всего адсорбируется тот ион, который входит в состав кристаллической решетки адсорбента . Абсорбируемые ионы, достраивающие кристаллическую решетку труднорастроримого соединения, называют потенциал определяющими ионами коллоидной частицы , поскольку заряд частицы совпадает по знаку с зарядом этих ионов. Адсорбция потенциалопределяющих ионов происходит самопроизвольно, сопровождаясь уменьшением свободной энергии поверхности ядра (∆G s).

Стабилизатором, как правило, является исходное вещество, взятое в избытке. Если в рассматриваемой реакции в избытке берется соль , то она будет стабилизатором. И тогда адсорбируемым ионом будет ион .

Рис. 4. Схема строения коллоидной
мицеллы: 1 – адсорбционный слой; 2 – слой потивоионов; 3 – диффузный слой

При избытке соли , стабилизатор предоставляет иодид-ионы, избирательно адсорбируемые поверхностью :

Агрегат с потенциал определяющими ионами образуют ядро мицеллы .

Другие ионы стабилизатора (противоионы ) образуют около твердой поверхности два слоя:адсорбционный (неподвижный), прочно связанный с ядром, и диффузионный (подвижный), расположенный на определенном расстоянии от ядра в дисперсионной среде. Ядро совместно с адсорбционным слоем противоионов называется коллоидной частицей (гранулой) .

Строение мицеллы удобно представлять в виде формулы. Для золя формула мицеллы пишется так, если стабилизатором будет

если стабилизатором будет AgNO 3:

Если стабилизатор , то формула мицеллы запишется так:

Количества потенциалопределяющих ионов и противоионов должны соответствовать их стехиометрии в молекуле стабилизатора. Поскольку поверхностная энергия на ядре коллоидной частицы больше поверхностной энергии на слое потенциалопределяющих ионов, то противоионов адсорбируется на x меньше. Ядро вместе с адсорбционным слоем (слоем потенциалопределяющих ионов и частью противоионов) составляет гранулу. Коллоидная частица (гранула), окруженная противоионами электролита, называется мицеллой. Мицелла – нейтральная частица, а коллоидная частица, как правило имеет заряд, знак и величина которого определяются электрокинетическим потенциалом x, возникающим на границе между адсорбционным и диффузным слоем.

При использовании реакции обмена состав мицелл зависит от того, что к чему приливать!

Коллоидные частицы гидроксидов и оксисолей, выделяющихся при гидролизе солей-коагулянтов, в нейтральной и слабокислой средах вследствие сорбции катионов водорода и алюминия или железа имеют положительный заряд. Поэтому на кинетику процесса их коагуляции большое влияние оказывает анионный состав среды.[ ...]

Коллоидную частицу удерживает во взвешенном состоянии ее электрический заряд. В дисперсной системе все коллоидные частицы несут на себе одинаковый по знаку заряд, поэтому происходит взаимное электростатическое отталкивание частиц при сближении их друг с другом. Следовательно, заряд коллоидной частицы препятствует их объединению в более крупные агрегаты и тем самым способствует устойчивости этих систем.[ ...]

Коллоидные частицы данного вещества, как правило, сорбируют на своей поверхности ионы одного и того же заряда.. Все частицы данного коллоида поэтому несут на себе один и тот же заряд. Различают коллоиды положительные и коллоиды отрицательные.[ ...]

Заряд коллоидных частиц примесей может понижаться и в результате проникновения катионов коагулянта при сжатии диффузного слоя в адсорбционный. Иногда, например для золей кремниевой кислоты, возможна их специфическая адсорбция, сопровождающаяся образованием труднорастворимых соединений с потенциал-определяющими ионами (гидроксида алюминия или железа и кремниевой кислоты) (нейтрализационная коагуляция). Этот процесс сопровождается уменьшением термодинамического потенциала коллоидных частиц примесей.[ ...]

Коллоидные частицы довольно стабильны. Одна из причин этого состоит в следующем: благодаря малому размеру таких частиц броуновское движение молекул воды оказывает на них более сильное воздействие, чем силы гравитации. Кроме того, электростатические силы отталкивания, обусловленные поверхностным зарядом коллоидных частиц, предотвращают их коагуляцию и последующее осаждение.[ ...]

В коллоидных системах часть ионов адсорбирована коллоидными частицами, которые при этом получают тот или иной заряд; при наложении постоянного электрического поля заряженные коллоидные частицы перемещаются электрофоретически к одному из электродов и осаждаются на нем. Электрофоретические явления, наблюдаемые при наложении на дисперсные водные системы однородных и неоднородных электрических полей, могут быть использованы для очистки высококонцентрированных стоков, а также при обезвоживании осадков .[ ...]

На частицы коллоидов действуют диффузионные силы, и частицы стремятся равномерно распределяться во всем объеме жидкой фазы. Наличие у частиц электрических зарядов одного знака вызывает их взаимное отталкивание. Одновременно между коллоидными частицами имеются молекулярные силы взаимного притяжения, которые проявляются лишь при небольших расстояниях между частицами. При снижении электрического заряда частиц, т. е. при уменьшении -потенциала, силы отталкивания уменьшаются и становится возможным слипание частиц - процесс коагуляции коллоида. Силы взаимного притяжения между коллоидными частицами начинают преобладать над электрическими силами отталкивания при -потенциале системы менее 0,03 В. При -потенциале, равном нулю, коагуляция проходит с максимальной интенсивностью, состояние коллоидной системы в этом случае носит название изо-электрического состояния, а величина pH называется изоэлектрической точкой системы.[ ...]

Для коллоидных растворов характерно наличие на поверхности частиц двойного электрического слоя, образующегося в результате процессов адсорбции или диссоциации. Поверхность коллоидных частиц несет определенный заряд (для коллоидных частиц природных вод-чаще отрицательный). Этот заряд ком. ренсируется окружающими частицу противоионами, т. е. ионами противоположного знака заряда. Часть противоионов входит в адсорбционный слой, а остальная часть образует так называемый диффузный слой.[ ...]

Ядро частицы составляет агрегат из т молекул кремниевой кислоты. Часть противоионов натрия (п-х) адсорбируется на частице и удерживается электростатическими силами притяжения потенциалопределяющих ионов. Не полностью компенсированный заряд потенциалопределяющих ионов вызывает появление отрицательного заряда у частицы кремниевой кислоты. В электрическом поле коллоидная частица вместе с адсорбционным слоем перемещается к одному полюсу, а ионы диффузного слоя - к противоположному. Если бы коллоидная частица перемещалась в электрическом поле только с потенциалопределяющими ионами, то электрокинетический потенциал должен быть равен термодинамическому потенциалу фо, возникающему между поверхностью частицы и раствором. Наличие в адсорбционном слое про-тивоинов снижает величину потенциала, и электрокинетический потенциал составляет часть полного потенциала. Если граница диффузного слоя совпадает с границей адсорбционного (%=0), то электрокинетический потенциал равен нулю. Такое состояние коллоидной частицы называется изоэлектрической точкой. В изоэлек-трической точке коллоидные частицы теряют устойчивость, укрупняются и выпадают в осадок.[ ...]

Основу коллоидной частицы составляют микрокристаллы труднорастворимого Ре(ОН)з называемые агрегатами. В результате избирательной адсорбции на поверхности агрегата образуется положительно заряженный слой, состоящий из п ионов водорода (потенциалообразующие ионы, сокращенно ПОИ). Агрегат вместе с потенциалообразующими ионами образует ядро. Под действием электростатических сил притяжения у ядра формируются слой ионов противоположного знака - противоионов, компенсирующих частично заряд ядра. В рассмотренном примере их роль выполняют ионы СГ. Частицу с окружающим ее плотным слоем ионов называют гранулой.[ ...]

Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, хлопья коагулянтов - слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение, способствующее формированию крупных частиц. В процессе коагуляционной очистки сточных вод происходит соосаждение с минеральными примесями за счет адсорбции последних на поверхности оседающих частиц. Из воды удаляются соединения железа (на 78-89 %), фосфора (на 80-90 %), мышьяка, цинка, меди, фтора и других. Снижение по ХПК составляет 90-93 %, а по БПКб - 80-85 %. Степень очистки зависит от условий воздействия на коагуляцию дисперсной системы радиации, магнитного и электрического полей, введения частиц, взаимодействующих с системой и стабилизирующих ее. Воздействие излучения, как и окисление органических соединений озоном способствует разрушению поверхностно-активных веществ (ПАВ), являющихся стабилизаторами твердых и жидких частиц, загрязняющих сточные воды. Под воздействием электрического поля происходит образование агрегатов размером до 500-1000 мкм в системах Ж - Т, Ж] - Ж2 и Г - Т.[ ...]

Наличие заряда на коллоидной частице устанавливается следующим образом. В золь опускают два электрода, соединенных с полюсами источника тока достаточно высокого напряжения. При пропускании тока через раствор коллоидные частицы медленно передвигаются к одному из электродов. Это явление открыл русский ученый Рейсс в 1807 г., производя следующий опыт.[ ...]

Другие силы, за счет которых возможна адсорбция макромолекул, действуют на расстояниях, более близких, чем ван-дер-ваальсовы силы. Представление о соотношении этих сил можно получить исходя из современной теории коагуляции ДЛФО . Схематически характер изменения с расстоянием (согласно этой теории) электростатических и ван-дер-Цаальсо-вых сил, действующих между одноименно заряженными однородными коллойдными частицами, показан на рис. 11.20.[ ...]

Большинство коллоидных частиц природных вод имеют на грануле отрицательный заряд. Его нейтрализация, разрушение диффузионного слоя и гидратной оболочки достигаются введением электролита и золей с противоположным зарядом частиц. В роли электролитов используют соли алюминия и железа.[ ...]

Передвижение коллоидных частиц под влиянием электрического поля свидетельствует о том, что они несут на себе определенный электрический заряд.[ ...]

Как известно, коллоидные частицы (мицеллы) также имеют электрические заряды и поэтому движутся в электрическом поле к электроду, имеющему знак, обратный знаку частицы. Это явление затрудняет протекание процессов электродеионизации. Можно думать, что в большинстве случаев мицеллы не проходят через диафрагмы (мембраны), а накапливаются на поверхности последних.[ ...]

Наружный слой коллоидной частицы частично диссоциирован, причем у отрицательно заряженных коллоидов в окружающий раствор диссоциируют положительно заряженные ионы (катионы), а отрицательный заряд имеет ядро коллоидной частицы. Находящиеся на его поверхности ионы называются потенциалопределяющими, а отдиссоциированные ионы - компенсирующими. При взаимодействии с окружающим коллоидную частицу раствором часть компенсирующих ионов образует так называемый диффузный слой. Электростатические силы, удерживающие ионы диффузного слоя, убывают по мере удаления их от частицы, и они легко обмениваются на ионы, находящиеся в растворе. Коллоидная частица вместе с диффузным слоем называется мицеллой.[ ...]

Возникновение отрицательного заряда у этих минералов связано главным образом с изоморфными замещениями в кремнекислородных тетраэдрах и алюмогидроксильных октаэдрах, из которых построена их кристаллическая решетка. Так, в кремнекислородных тетраэдрических слоях часть ионов кремния (четырехвалентных) внутри тетраэдров может быть изоморфно замещена ионами алюминия (трехвалентными), в результате чего возникают отрицательные заряды. Схематически это можно представить так: соединение состава (Si02)„ нейтрально, но при замещении атома кремния на атом алюминия появляется один отрицательный заряд, при замещении двух атомов кремния на атомы алюминия - два отрицательных заряда и т. д.[ ...]

Для флокуляции частиц с большим электрическим зарядом одноименно заряженными полимерами необходимо уменьшить электростатические силы отталкивания, что производится обычно путем добавления низкомолекулярных электролитов. Низкомолекулярные электролиты, сжимая слой противоионов у поверхности коллоидных частиц и нейтрализуя заряд на их поверхности, облегчают подход макромолекул и их адсорбцию. Одновременно происходит изменение структуры макромолекул. Экранирование заряженных звеньев полимера и уменьшение сил внутримолекулярного отталкивания приводит к сжатию макромолекул. Сжатые макромолекулы, занимая меньший объем, плотнее укладываются на поверхности частиц, в результате чего общее количество адсорбированного полимера возрастает.[ ...]

Для прилипания частиц к поверхности зерен необходимы в общем те же условия, что и для слипания (коагуляции) частиц между собой. Прилипание облегчается, если зерна загрузки и коллоидные частицы имеют различный по знаку заряд и электростатическое отталкивание отсутствует (рис. 111.10).[ ...]

Основу глинистых частиц образуют гидроалюмосиликаты, которые по химической природе являются алюмокремниевыми кислотами или их солями и диссоциируют с образованием сложного аниона и иона водорода или щелочного металла. Возникновение отрицательного заряда у коллоидных частиц глин обусловлено именно данным процессом. Так как алюмокремниевые кислоты имеют малую степень диссоциации, то при снижении pH устойчивость коллоидных частиц глин уменьшается. И наоборот, при повышении щелочности воды устойчивость коллоидных частиц возрастает. Это объясняется тем, что ионы Н+, образующиеся при диссоциации алюмокремниевых кислот, замещаются катионами металлов, а степень диссоциации образующихся солей выше, чем соответствующих кислот. В очень жестких водах коллоидные частицы глины могут иметь положительный заряд.[ ...]

Сложная структура частицы суспензоида формируется вокруг ядра, состоящего из множества молекул не растворимого в дисперсионной среде вещества. Ядро избирательно адсорбирует на своей поверхности ионы, называемые потенциалообразующими, и приобретает заряд. Присутствующие в среде ионы с противоположным знаком заряда (противоионы) вследствие электрического притяжения группируются вокруг ядра, образуя коллоидную частицу. Часть противо-ионов электростатическими силами прочно связана с ядром и образует вместе с адсорбированными на ядре ионами адсорбционный слой. Ядро и адсорбционный слой ионов составляют частицу, несущую определенный заряд. Другая часть противоионов под влиянием диффузионных сил слабее связана с ядром и образует вокруг частицы ионную атмосферу (диффузионный слой), компенсирующий заряд частицы. Частица в совокупности с диффузионным слоем составляет мицеллу.[ ...]

В некоторых случаях заряд коллоидных частиц образуется не за счет адсорбции ионов из раствора, а в результате диссоциации поверхностного слоя самого ядра, например при образовании коллоидной кремнекислоты. Молекулы БЮа, реагируя с водой, дают кремневую кислоту Н25Ю3 - слабый электролит с малой степенью диссоциации. Отрицательный заряд частицы ее обусловлен диссоциацией молекул Н25Ю3.[ ...]

Наличие одинакового заряда на всех частицах коллоидной системы препятствует их взаимному, сближению, ибо по законам электростатики одинаково заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Коагуляция таких заряженных электрически коллоидных частиц затруднена. Она протекает только после снятия или нейтрализации заряда. Нейтрализация заряда нередко осуществляется за счет сорбции из окружающей среды противоположно заряженных ионов.[ ...]

Отстаивание крупных частиц осуществляется в непрерывнодействующих отстойниках большой емкости. От мелких частиц освобождаются фильтрацией. Для осаждения коллоидных частиц (мельчайших глинистых частиц и белковых веществ) их подвергают коагуляции путем добавки в воду коагулянтов - сульфатов или двойных солей алюминия (алюминиевые квасцы). Ион-коагулянт должен иметь заряд, противоположный заряду коллоидной частицы, чтобы он мог адсорбироваться на поверхности заряженной частицы; это приводит к коагуляции (слипанию) отдельных частиц и образованию осадка.[ ...]

Чтобы вызвать коагуляцию коллоидных частиц, необходимо снизить величину их дзета-потенциала до критического значения добавлением ионов, имеющих положительный заряд. Таким образом, при коагуляции происходит дестабилизация коллоидных частиц вследствие нейтрализации их электрического заряда. Эффект коагуляции зависит от валентности иона коагулянта, несущего заряд, противоположный знаку заряда частицы. Чем выше валентность, тем более эффективно коагулирующее действие.[ ...]

Устойчивость и коагуляция коллоидных систем. Будучи термодинамически неустойчивыми, коллоидные системы под воздействием различных факторов могут разрушаться. Процесс соединения коллоидных частиц друг с другом, сопровождающийся образованием крупных агрегатов и разрушением коллоидной системы, называется коагуляцией. Она может происходить при введении в систему электролитов, золей с противоположным знаком заряда. Коагуляцию можно вызвать и изменением температуры, механическим воздействием, ионизирующим облучением.[ ...]

Иначе обстоит дело в случае коллоидных растворов. Коллоидные частицы - это сгустки большого числа молекул вещества. Ядро коллоидной частицы имеет кристаллическое строение. Наружный слой молекул этого ядра частично диссоциирован, причем ионы одного знака электрического заряда (например, положительного) находятся в окружающем ядро растворе, а ионы противоположного знака заряда прочно удерживаются поверхностью ядра (рис. 8).[ ...]

Двойной электрический слой. Частица суспензоида (мицелла) имеет сложное строение. В основе ее лежит нерастворимое в данной дисперсионной среде ядро. Поверхность ядра за счет свободной межфазной энергии адсорбирует из окружающей среды ионы в соответствии с правилом Фаянса. Эти ионы называются потенциалобразующими, так как сообщают частице определенный заряд. При адсорбции ионов снижается межфазная свободная энергия, что приводит систему в устойчивое состояние. Например, для золя гидроокиси железа потенциалобразующим ионом будет хлор-окись железа, образующаяся по уравнению Ре(ОН)3+НС1 ±: з= ;Ре0С1+2Н20. Хлорокись диссоциирует по уравнению РеОС1з= =г РеО++С1-. Катионы РеО+ избирательно адсорбируются на поверхности коллоидного ядра, заряжая его положительно. Если адсорбировалось п ионов РеО+, то в растворе находится п ионов С1 . Катион РеО+ сообщает коллоидной частице положительный заряд, а ее противоионами являются ионы хлора, находящиеся в растворе. Противоионы испытывают на себе две силы: электростатическую, притягивающую их к ядру коллоидной частицы, и диффузионную, стремящуюся рассеять их по раствору. В результате совместного действия указанных сил состояние отдельных анионов хлора неодинаково. Часть из них прочно связана с ядром коллоидной частицы, образуя на нем плотный адсорбционный слой (п-х). Другая часть образует диффузный слой х - ионную атмосферу частицы.[ ...]

В активном состоянии мицеллы (коллоидные частицы) находятся в постоянном движении в окружающей их жидкости и называются золем. Но если золь лишить электрического заряда, то он выпадает в осадок (гель). Этот процесс называют коагуляцией. Но чаще всего при некотором воздействии на гель его можно снова перевести в золь; последний процесс именуется пептизацией.[ ...]

Это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т.е. частиц размером 1-100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов. В процессах очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ-коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.[ ...]

Одним из методов снижения -потенциала коллоидной системы является увеличение концентрации в воде электролитов. Способность электролита вызывать коагуляцию коллоидной системы возрастает с увеличением валентности коагулирующего иона, обладающего зарядом, который противоположен заряду коллоидных частиц. Соотношение коагулирующей способности одно-, двух- и трехвалентных ионов приблизительно 1: 30:1000.[ ...]

Химическое осаждение основано на выравнивании зарядов коллоидных частиц сточных вод. Соединение частиц в более крупные агрегаты обычно тормозится одноименными электрическими зарядами. Однако если прибавить противоположно заряженные ионы или коллоиды, то наступает выравнивание зарядов, достигается «изоэлектрическая точка» и происходит осаждение веществ. Это приводит к полному осветлению сточной воды.[ ...]

При значительной разнице в величине (плотности) заряда разнородных, но одноименно заряженных коллоидных частиц, между ними, как это показал Б. В. Дерягин, может возникнуть не электростатическое отталкивание, а электростатическое притяжение. Возможность возникновения электростатического притяжения и флокуляции одноименно заряженных коллоидных частиц и макромолекул рассмотрена С. С. Хамраевым и А. И. Юсуповым на примере анионных полиакриламидных полимеров и отрицательно заряженных частиц кварца и микроклина.[ ...]

У амфотерных гидроксидов, например у гидроксида алюминия, знак заряда коллоидного раствора зависит от pH. В кислой и нейтральной среде золь гидроксида алюминия имеет положительный заряд. В слабощелочной среде (при pH 8,2) знак заряда коллоидного раствора гидроксида алюминия становится отрицательным, так как роль по-тенциалобразующих ионов уже выполняют алюминат-ионы или гидроксид-ионы. Противоионами будут в таких коллоидных частицах катионы металлов. При низких значениях pH коллоидные частицы гидроксидов металлов адсорбируют большее число катионов (потенциалопределяющих ионов) и поэтому являются более устойчивыми, что объясняется меньшей полнотой гидролиза коагулянта.[ ...]

Гидроокиси алюминия и железа образуют в воде золи с положительным заряДом на грануле. Эти коллоидные частицы усиливают общее коагулирующее действие введенных солей.[ ...]

Поскольку гидроксиды и сульфиды тяжелых металлов образуют устойчивые коллоидные системы для интенсификации процесса их осаждения в сточные воды необходимо вводить коагулянты и флокулянты. Коллоидные частицы сульфидов имеют отрицательный заряд, поэтому для коагуляции сульфидов используют электролиты с многозарядными катионами - обычно сульфаты алюминия или трехвалентного железа. При коагуляции гидроксидов требуется электролит с многозарядными анионами, так как коллоидные частицы заряжены положительно. Хорошими коагулянтами гидроксидов являются сульфат-ионы. Помимо электролитной коагуляции на практике часто используют взаимную коагуляцию коллоидных растворов с противоположным зарядом частиц.[ ...]

При наложении электрического поля происходит поляризация двойного слоя, коллоидные частицы приобретают дипольное строение и начинают двигаться к электроду, имеющему заряд, противоположный по знаку заряду частицы.[ ...]

Измерение дзета-потенциала макромолекул катионных ВМФ отдельно и в смеси с коллоидными растворами показало, что заряд смеси близок к заряду макромолекул . Это свидетельствует об образовании на поверхности коллоидных частиц довольно толстых оболочек полимера. С ростом концентрации ВМФ отрицательный заряд частиц кварца постепенно уменьшался, а затем наступала перезарядка частиц .[ ...]

Вторая стадия процесса коагуляции заключается в том, что отрицательно заряженные коллоидные примеси воды начинают адсорбироваться коагулирующими частицами коагулянта. Снижение или потеря заряда коллоидных частиц примесей может происходить и под действием катиона коагулянта. Если концентрации положительно заряженных золей коагулянта и коллоидных примесей примерно одинаковы, наблюдается взаимная коагуляция. Так как она происходит только в очень узкой зоне концентраций, то ее можно рассматривать как частный случай процесса коагуляции.[ ...]

Эти флокулянты имеют меньший заряд и сохраняют развернутую структуру макромолекулы. Свойства сополимеров с акрил ¡мидом и метакриламидом рассмотрены в п. 1.5.[ ...]

Коагуляция в пределах концентрации электролита от С] до с2 называется медленной коагуляцией. При концентрации электролита с2 заряд коллоидных частиц станет равным нулю. Скорость коагуляции при этом будет максимальной, и дальнейшее прибавление электролита не окажет на нее никакого влияния.[ ...]

Процесс коагулирования можно ускорить добавлением к воде веществ, носящих название флокулянтов. Фло-кулянтами являются вещества, образующие с водой коллоидные дисперсные системы. Роль флокулянта сводится, очевидно, к нейтрализации заряда на коллоидной частице коагулянта и к нарушению «защитных» свойств, некоторых коллоидов (флокулянт можно назвать «коагулянтом коагулянта»).[ ...]

Силы, вызывающие адсорбцию макромолекул флокулянта на дисперсной фазе (взвешенных веществ), имеют различную природу. Они зависят от химического состава ВМС и дисперсных частиц, наличия Ионогенных групп в макромолекуле, а также структуры и электрического заряда коллоидных частиц. Так, линейные полимеры или полимеры со слегка изогнутой цепью являются лучшими флокулянтами, чем глобулообразные макромолекулы. Флокулирующее воздействие ВМС зависит не столько от жесткости макро-молекулярного клубка, сколько от его размеров в растворе, которые определяются как природой полимера, так и его макромолекулярной массой. Молекулярная масса в основном влияет на флокулирующую способность неионных и одноименно заряженных полиэлектролитов; ее увеличение способствует снижению оптимальной флокулирующей дозы реагента. В нейтрализации заряда поверхности дисперсных частиц молекулярная масса полимеров играет меньшую роль.[ ...]

На рис. 22 изображена кривая процесса коагулирования мелкодисперсной глинистой взвеси сернокислым алюминием. При малой концентрации коагулянта мутность воды не изменяется (зона I), но при увеличении его концентрации мутность резко снижается до определенной величины (зона II). При концентрации коагулянта около 20 мг)л произойдет полная взаимная нейтрализация зарядов у коллоидных частиц. Увеличение дозы коагулянта выше 100 мг/л приводит к перезарядке коллоидных частиц и мутность воды может увеличиваться до первоначальной (зона III).[ ...]

Каолинит по сравнению с монтмориллонитом содержит больше алюминия и меньше кремнекислоты. Алюминий, образующий самостоятельный алю-могидроксильный октаэдрический слой, при определенных условиях может проявлять основные свойства. Гидроксильные ионы, связанные с алюминием в октаэдрическом слое и расположенные на внешней поверхности микрокристаллических частиц, при кислой реакции, то есть при избытке в растворе ионов Н’, могут отщепляться, и на отдельных участках коллоидной частицы возникают положительные заряды [...03812020НА12(0Н)2...]+- - ОН-.[ ...]

Содержание взвешенных веществ. Концентрация взвешенных веществ в воде, поступающей на электродиализный аппарат, не должна превышать 1,5-2,0 мг/л, иначе требуется осветление воды одним из известных методов (коагуляция с фильтрованием, медленные фильтры, патронные фильтры и др.). Даже при обработке профильтрованной воды в электродиализных дилюатных камерах осаждаются коллоидные частицы. Отрицательно заряженные коллоидные и взвешенные частицы мигрируют к поверхности анионитовой мембраны вследствие электрофореза, теряют здесь свой заряд и образуют гелеобразный слой («лакируют» мембрану), ухудшая работу установки.

Специфической особенностью коллоидных растворов по сравнению с истинными является их агрегативная неустойчивость , т.е. способность разделяться на фазы под влиянием незначительных внешних воздействий. Еще легче такое расслоение происходит в случае грубодисперсных гетерогенных систем (неустойчивых эмульсий, суспензий и т.п.)

Причиной принципиальной неустойчивости гетерогенных дисперсных систем является наличие у них большой межфазной поверхности. Эта поверхность обладает большим избытком энергии. При разделении фаз (расслаивании гетерогенной системы) межфазная поверхность становится минимальной, общая энергия системы понижается, система становится более стабильной.

При своем хаотическом тепловом движении частицы дисперсной фазы сталкиваются и объединяются, так как на близких расстояниях между ними возникают межмолекулярные (ван-дер-ваальсовские) силы притяжения. Далее укрупненные частицы под действием гравитационных сил объединяются, образуя слои фаз, например, осадок твердой фазы отделяется от жидкой фазы, или более плотная жидкость опускается вниз, а более легкая остается наверху, или пузырьки газа отделяются от жидкости и т.д.

Однако, если частицы дисперсной фазы достаточно малы, многие коллоидные растворы и другие ультрамикрогетерогенные системы в определенных условиях могут существовать как угодно долго, не смотря на большую избыточную поверхностную энергию. Это означает. что сближению частиц и их укрупнению препятствуют какие-то силы.

В ряде случаев устойчивость ультрамикрогетерогенных систем можно объяснить редкими столкновениями между частицами. Например, аэрозоли (дисперсионная среда – газ) существуют только благодаря малочисленности столкновений между частицами в результате их низкой концентрации в газе. Относительная устойчивость вязких коллоидных систем, особенно твердых, объясняется медленным броуновским движением частиц, что также приводит к редким столкновениям.

Иногда сближению частиц, при котором начинают действовать ван-дер-ваальсовские силы притяжения, может препятствовать сольватная оболочка из молекул среды.
Но главной причиной устойчивости коллоидных систем считают наличие одноименного заряда на поверхности коллоидных частиц . Частицы не могут подойти близко друг к другу из-за электростатического отталкивания одинаковых по знаку зарядов.

С современной точки зрения, заряд на коллоидных частицах обусловлен наличием на их поверхности двойного электрического слоя (ДЭС) из ионов, возникающего либо в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита, находящегося в растворе, либо за счет ионизации поверхностных молекул вещества.

Избирательная адсорбция – это адсорбция ионов, общих с ионами, входящими в состав кристалла. Адсорбирующиеся ионы участвуют в достройке кристаллической решетки и связаны с поверхностью прочными химическими связями. Иногда в достройке кристаллической решетки участвуют изоморфные ионы, т.е. близкие по размеру и строению.

Например, при смешивании растворов AgNO 3 и KI образуется малорастворимое соединение AgI.

AgNO 3 + KI = KNO 3 + AgI↓

При эквивалентном соотношении реагентов (1: 1 мольн.) из раствора выпадает осадок иодида серебра. Если один из реагентов взят в избытке, образуется коллоидный раствор.

В случае избытка KI образующиеся кристаллы AgI адсорбируют на поверхности ионы I¯ . Иодид- ионы участвуют в достройке кристалла иодида серебра. Поверхность частицы при этом заряжается отрицательно. Оставшиеся свободные ионы К + притягиваются к заряженной поверхности. Образуется двойной электрический слой, состоящий из отрицательно заряженных ионов иодида и положительно заряженных ионов калия. Возникает разность потенциалов.

Существует несколько теорий, объясняющих строение двойного электрического слоя на поверхности коллоидных частиц: теория Гельмгольца-Перрена, теория Гуи-Чэпмена, теория Штерна. Эти теории различаются, в основном, представлениями о структуре слоя противоионов.

Согласно теории Гельмгольца-Перрена, двойной электрический слой (ДЭС) является плоским конденсатором; одна обкладка – поверхность частицы, другая – находится в жидкости на расстоянии l = 2r иона.

Теория Гуи-Чэпмена предполагает, что вследствие теплового движения не все противоионы находятся рядом с поверхностью. Их концентрация постепенно убывает по мере удаления от поверхности. Таким образом, ДЭС состоит из адсорбционного и диффузного слоя.

Теория Штерна объединяет эти две теории и дополняет картину представлением о том, что адсорбированные на поверхности ионы находятся на расстоянии от поверхности, равном радиусу иона.

В целом образовавшаяся частица остается нейтральной. Эти нейтральные частицы дисперсной фазы называют мицеллами . Строение мицеллы в описанном выше случае образования AgI в присутствиии избытка KI можно изобразить следующим образом:

{n(AgI) mI¯ (m-x)K + } xK +

где {n(AgI) mI - (m-x)K + } – коллоидная частица, обладающая зарядом;
n(AgI) – ядро частицы;
I¯ - потенциалопределяющие ионы;
К + - противоионы.

В случае избытка AgNO 3 в достройке кристалла AgI участвуют ионы Ag + . Поверхность частицы заряжается положительно, к ней притягиваются противоионы NO 3 ¯, образуя двойной электрический слой. Строение мицеллы в этом случае имеет вид:

{n(AgI) mAg + (m-x)NO 3 ¯} хNO 3 ¯

Общие правила написания формулы мицеллы:

1) Ядро частицы образует малорастворимое вещество.
2) Потенциалопределяющими (т.е. адсорбируемыми) ионами могут быть только ионы, входящие в состав кристаллической решетки малорастворимого вещества (за некоторым исключением, когда в решетку встраиваются "чужие" ионы, подходящие по размеру и имеющиеся в растворе в достаточном количестве).
3) Встраиваются в решетку те ионы, которые входили в состав реагента, взятого в избытке.
4) Противоионами тоже являются ионы, входящие в состав реагента, взятого в избытке.
5) Часть противоионов, находящихся близко к поверхности и образующих адсорбционный слой, - (m-x) - записывают во внутреннюю сферу мицеллы, выделенную фигурными скобками. Другая часть противоинов, свободно перемещающаяся вблизи поверхности и образующая диффузионный слой - (х) - находится во внешней сфере мицеллы.

Заряд на поверхности частицы может также образовываться за счет электролитической диссоциации молекул вещества, образующего ядро частицы. Так, на поверхности частицы малорастворимого оксида кремния SiO 2 происходит образование кремниевой кислоты и последующая ионизация ее молекул:

SiO 2 + H 2 O = H 2 SiO 3
H 2 SiO 3 ↔ SiO 3 2 ¯ + 2H + .

Строение мицеллы: {n(SiO 2) mSiO 3 2 ¯ 2(m-x)H + }2xH + .

Если мицеллу поместить в электрическое поле, то ионы диффузного слоя начнут перемещаться к одному из электродов, а противоположно заряженная частица – к другому электроду. Мицелла как бы «разрывается». Потенциал, соответствующий границе скольжения, называется электрокинетическим или дзета-потенциалом (ξ) . Именно этот потенциал обнаруживается при всех четырех электрокинетических явлениях; от его величины зависит скорость этих процессов.

Кроме дзета-потенциала для характеристики ДЭС пользуются величиной термодинамического потенциала. Термодинамический потенциал (φ) - скачок потенциала в адсорбционном слое.

Описанный механизм образования зарядов на поверхности частиц дисперсной фазы указывает на необходимое условие образования коллоидных растворов и других устойчивых гетерогенных систем - наличие вещества, образующего ДЭС на поверхности частиц. Это вещество называется стабилизатором .

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-26