§ VI.7. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ. КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ

Общие представления о дисперсных системах.

Гетерогенные системы из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними получили название дисперсных систем. Вещество, которое в дисперсной системе образует сплошную фазу, называется дисперсионной средой, а то (или те), что рассеяно в

среде в виде частиц, капель или пузырьков, — дисперсной фазой. Дисперсные системы с частицами размером более 100 нм называют грубодисперсными или взвесями. Системы с частицами меньших размеров (от 1 до 100 нм) называют коллоидными. Если дисперсионная среда газообразна, то дисперсная система является аэрозолем или аэрогелем (туманы, дымы). К системам с жидкой дисперсионной средой относят суспензии, эмульсии, пены и др. Существуют также дисперсные системы с твердой дисперсионной средой: гетерогенные сплавы, стекла, пеноматериалы.

Коллоидные растворы.

Коллоидное состояние характерно для многих веществ в природе. Широко распространены коллоидные системы, в которых дисперсионная среда — жидкость; их называют золями или коллоидными растворами. Водные коллоидные растворы играют важную роль в теплоэнергетике: водоподготовка, очистка сточных вод и т. п.

Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов называют коллоидными частицами, их размер соответствует, размерам нескольких десятков, сотен, а иногда и тысяч атомов. Эти частицы несут на себе заряд, что обусловливает притяжение к ним диполей воды. Вследствие взаимодействия с водой на поверхности частиц создается гидратная «оболочка». Заряд частиц дисперсной фазы обязан своим происхождением адсорбционным процессам, имеющим избирательный характер.

Коллоидные частицы и мицеллы. Коллоидная частица состоит из ядра, адсорбирующего из окружающей среды ионы одного вида. Эти ионы называют зарядообразующими, их химическая природа близка химической природе ядра коллоидной частицы. Например:

Ядро коллоидной частицы с адсорбированными зарядообразующими ионами притягивает к себе из среды ионы противоположного знака заряда. Зарядообразующие ионы и противоионы гидратированы и поэтому вместе с ними в коллоидную частицу приходит вода, молекулы которой создают гидратную оболочку. Весь этот комплекс перемещается в растворе как единое целое, его и называют коллоидной частицей. В состав коллоидной частицы входит только часть имеющихся в системе противоионов, их называют связанными. Другая часть противоионов остается в дисперсионной среде (в жидкой фазе). Эти противоионы называют свободными. Они дают заряд дисперсионной среде. Все

Рис. VI.4. Эффект Тиндаля

сочетание, состоящее из коллоидной частицы и эквивалентной ей части дисперсионной среды (гидратированных свободных противоионов), называют мицеллой. Мицеллу считают структурной единицейколлоидного раствора.

Примерный состав коллоидных частиц и мицелл золей при адсорбции ионов из раствора из раствора из раствора

Оптические свойства коллоидных растворов.

Если рассматривать путь светового луча, проходящего через совершенно прозрачный коллоидный раствор, сбоку на темном фоне, то он становится видимым. Этот оптический эффект называется конусом Тиндаля (рис. VI.4). Он вызывается рассеянием света частицами дисперсной фазы коллоидного раствора и является следствием коллоидной степени дисперсности этих частиц. При сильном увеличении каждая частица в конусе Тиндаля кажется светящейся точкой. Размеры и форму частиц нельзя установить, можно лишь подсчитать их число.

Частицы дисперсной фазы золей по своим размерам меньше длин волн лучей видимого света. Поэтому они рассеивают свет, причем довольно интенсивно, но не отражают его. Частицы в грубодисперсных системах отражают свет, их величину и форму часто можно установить без оптического увеличения.

Кинетические свойства коллоидных растворов.

Для коллоидных растворов характерно движение частиц дисперсной фазы, вызываемое беспорядочными ударами со стороны молекул среды, находящихся в тепловом движении. Его впервые наблюдал шотландский

Рис. VI.5. Броуновское движение коллоидных частиц

ботаник Броун. Именно поэтому движение частиц дисперсной фазы в дисперсной среде золя называется броуновским.

Если частица велика, то она испытывает одновременно множество ударов со всех сторон, в результате чего эти удары взаимно уравновешиваются. Если же частица мала, то число ударов, наносимых ей, гораздо меньше и полное взаимное уравновешивание их маловероятно. Частица коллоидной степени дисперсности, как очень малая, никогда не испытывает одинаково сильных и частых ударов со всех сторон, и в одно мгновение более сильным оказывается удар с одной стороны, а в следующее мгновение — с другой. В результате направление движения каждой частицы подвергается непрерывному и притом беспорядочному изменению (рис. VI.5).

Изучение броуновского движения показало, что кинетические свойства коллоидных растворов близки кинетическим свойствам истинных растворов. Однако скорости перемещения частиц в коллоидных растворах меньше, чем в истинных (это связано с размерами частиц).

Кроме того, движение частиц молекулярной степени дисперсности нельзя наблюдать в микроскоп.

Электрические свойства коллоидных растворов.

В 1909 г. проф. Московского университета Ф. Ф. Рейсс наблюдал воздействие постоянного электрического тока на диспергированную в воде глину и на этом основании описал электрические свойства коллоидных растворов. Часткцы дисперсной фазы (глины) направленно перемещались к аноду, где вследствие их большого скопления наблюдалось помутнение раствора. Частицы же дисперсионной среды (воды) направленно перемещались к катоду, где наблюдалось повышение уровня прозрачной жидкости (рис.

VI.6). Направленное движение частиц к электродам говорило об их заряде, причем стало ясным, что дисперсная фаза несет на себе заряд, противоположный по знаку заряду среды. Движение частиц дисперсной фазы к одному из электродов при пропускании через золь постоянного электрического тока получило название электрофореза, а движение частиц дисперсионной среды — электроосмоса.

Итак, электрофорез и электроосмос обусловлены наличием разноименного

Рис. VI.6. Явление электрофореза

заряда у частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды. На границе раздела фаз возникает скачок потенциала, называемый электрокинетическим или -потенциалом.