Kolloidsystem är extremt viktiga i varje persons liv. Detta beror inte bara på det faktum att nästan alla biologiska vätskor i en levande organism bildar kolloider. Men många naturfenomen (dimma, smog), jord, mineraler, mat, mediciner är också kolloidala system.
Enheten för sådana formationer, som återspeglar deras sammansättning och specifika egenskaper, anses vara en makromolekyl eller micell. Strukturen hos den senare beror på ett antal faktorer, men det är alltid en flerskiktspartikel. Modern molekylär kinetisk teori betraktar kolloidala lösningar som ett specialfall av sanna lösningar, med större partiklar av det lösta ämnet.
Metoder för att få kolloidala lösningar
Strukturen hos en micell som bildas när ett kolloid alt system uppträder, beror delvis på mekanismen för denna process. Metoder för att erhålla kolloider är indelade i två fundament alt olika grupper.
Dispersionsmetoder är förknippade med malning av ganska stora partiklar. Beroende på mekanismen för denna process särskiljs följande metoder.
- Förfining. Kan göras torr ellervått sätt. I det första fallet krossas det fasta materialet först, och först därefter tillsätts vätskan. I det andra fallet blandas ämnet med en vätska, och först efter det förvandlas det till en homogen blandning. Malning utförs i speciella kvarnar.
- Svullnad. Malning uppnås på grund av det faktum att lösningsmedelspartiklarna tränger in i den dispergerade fasen, vilket åtföljs av expansionen av dess partiklar fram till separation.
- Dispersion med ultraljud. Materialet som ska malas placeras i en vätska och sonikeras.
- Elektrisk stötdämpning. Efterfrågad vid tillverkning av metallsols. Det utförs genom att placera elektroder gjorda av en dispergerbar metall i en vätska, följt av att applicera högspänning på dem. Som ett resultat bildas en voltaisk båge där metallen sprutas och sedan kondenseras till en lösning.
Dessa metoder är lämpliga för både lyofila och lyofoba kolloidala partiklar. Micellstrukturen utförs samtidigt med att den ursprungliga strukturen av det fasta ämnet förstörs.
Kondensationsmetoder
Den andra gruppen av metoder baserade på partikelförstoring kallas kondensation. Denna process kan baseras på fysikaliska eller kemiska fenomen. Fysiska kondensationsmetoder inkluderar följande.
- Byte av lösningsmedlet. Det handlar om överföring av ett ämne från ett lösningsmedel, i vilket det löser sig mycket bra, till ett annat, där lösligheten är mycket lägre. Som ett resultat, små partiklarkommer att kombineras till större aggregat och en kolloidal lösning kommer att dyka upp.
- Ångkondensering. Ett exempel är dimmor, vars partiklar kan sätta sig på kalla ytor och gradvis växa sig större.
Kemiska kondensationsmetoder inkluderar vissa kemiska reaktioner åtföljda av utfällning av en komplex struktur:
- jonbyte: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Redox-processer: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hydrolys: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Villkor för kemisk kondensation
Strukturen av miceller som bildas under dessa kemiska reaktioner beror på överskottet eller bristen på de ämnen som är involverade i dem. För uppkomsten av kolloidala lösningar är det också nödvändigt att observera ett antal förhållanden som förhindrar utfällning av en svårlöslig förening:
- innehållet av ämnen i blandade lösningar bör vara lågt;
- deras blandningshastighet bör vara låg;
- en av lösningarna bör tas i överskott.
Micellstruktur
Huvuddelen av en micell är kärnan. Det bildas av ett stort antal atomer, joner och molekyler av en olöslig förening. Vanligtvis kännetecknas kärnan av en kristallin struktur. Ytan på kärnan har en reserv av fri energi, vilket gör det möjligt att selektivt adsorbera joner från miljön. Denna processlyder Peskov-regeln, som säger: på ytan av ett fast ämne adsorberas de joner övervägande som kan fullborda sitt eget kristallgitter. Detta är möjligt om dessa joner är besläktade eller liknande till natur och form (storlek).
Under adsorptionen bildas ett lager av positivt eller negativt laddade joner, kallade potentialbestämmande joner, på micellkärnan. På grund av elektrostatiska krafter drar det resulterande laddade aggregatet till sig motjoner (joner med motsatt laddning) från lösningen. Således har en kolloidal partikel en flerskiktsstruktur. Micellen får ett dielektriskt lager byggt av två typer av motsatt laddade joner.
Hydrosol BaSO4
Som ett exempel är det bekvämt att överväga strukturen hos en bariumsulfatmicell i en kolloidal lösning framställd i ett överskott av bariumklorid. Denna process motsvarar reaktionsekvationen:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Något lösligt i vatten, bariumsulfat bildar ett mikrokristallint aggregat byggt av det m-te antalet BaSO-molekyler4. Ytan på detta aggregat adsorberar den n:te mängden Ba2+ joner. 2(n - x) Cl- joner är anslutna till lagret av potentialbestämmande joner. Och resten av motjonerna (2x) ligger i det diffusa lagret. Det vill säga, granulen av denna micell kommer att vara positivt laddad.
Om natriumsulfat tas i överskott, dåde potentialbestämmande jonerna kommer att vara SO42- joner, och motjonerna kommer att vara Na+. I det här fallet kommer granulens laddning att vara negativ.
Detta exempel visar tydligt att tecknet på laddningen av en micellgranul direkt beror på villkoren för dess framställning.
Inspelningsmiceller
Föregående exempel visade att den kemiska strukturen hos miceller och formeln som reflekterar den bestäms av ämnet som tas i överskott. Låt oss överväga sätt att skriva namnen på enskilda delar av en kolloidal partikel med exemplet med kopparsulfidhydrosol. För att förbereda den hälls natriumsulfidlösning långsamt i en överskottsmängd kopparkloridlösning:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
Strukturen av en CuS-micell som erhålls utöver CuCl2 skrivs enligt följande:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Strukturdelar av en kolloidal partikel
Skriv formeln för en svårlöslig förening inom hakparenteser, som är grunden för hela partikeln. Det kallas vanligtvis ett aggregat. Vanligtvis skrivs antalet molekyler som utgör aggregatet med den latinska bokstaven m.
Potentialbestämmande joner finns i överskott i lösningen. De är placerade på ytan av aggregatet, och i formeln skrivs de omedelbart efter hakparenteser. Antalet dessa joner betecknas med symbolen n. Namnet på dessa joner indikerar att deras laddning bestämmer laddningen av micellgranulen.
En granulat bildas av en kärna och en delmotjoner i adsorptionsskiktet. Värdet på granulladdningen är lika med summan av laddningarna för de potentialbestämmande och adsorberade motjonerna: +(2n – x). Den återstående delen av motjonerna finns i det diffusa skiktet och kompenserar för granulens laddning.
Om Na2S togs i överskott, skulle strukturschemat för den bildade kolloidala micellen se ut så här:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Miceller av ytaktiva ämnen
I händelse av att koncentrationen av ytaktiva ämnen (ytaktiva ämnen) i vatten är för hög, kan aggregat av deras molekyler (eller joner) börja bildas. Dessa förstorade partiklar har formen av en sfär och kallas Gartley-Rebinder-miceller. Det bör noteras att inte alla ytaktiva ämnen har denna förmåga, utan endast de där förhållandet mellan hydrofoba och hydrofila delar är optim alt. Detta förhållande kallas den hydrofila-lipofila balansen. Förmågan hos deras polära grupper att skydda kolvätekärnan från vatten spelar också en betydande roll.
Aggregat av ytaktiva molekyler bildas enligt vissa lagar:
- till skillnad från lågmolekylära ämnen, vars aggregat kan innehålla ett annat antal molekyler m, är förekomsten av ytaktiva miceller möjlig med ett strikt definierat antal molekyler;
- om för oorganiska ämnen bestäms starten av micellisering av löslighetsgränsen, då för organiska ytaktiva ämnen bestäms den av uppnåendet av kritiska koncentrationer av micellisering;
- först ökar antalet miceller i lösningen och sedan ökar deras storlek.
Effekt av koncentration på micellform
Strukturen hos miceller av ytaktiva ämnen påverkas av deras koncentration i lösning. När de når några av dess värden börjar kolloidala partiklar interagera med varandra. Detta gör att deras form ändras enligt följande:
- sfär förvandlas till en ellipsoid och sedan till en cylinder;
- hög koncentration av cylindrar leder till bildandet av en hexagonal fas;
- i vissa fall uppträder en lamellfas och en fast kristall (tvålpartiklar).
Typer av miceller
Tre typer av kolloidala system särskiljs i enlighet med särdragen hos den inre strukturens organisation: suspensoider, micellära kolloider, molekylära kolloider.
Suspensoider kan vara irreversibla kolloider, såväl som lyofoba kolloider. Denna struktur är typisk för lösningar av metaller, såväl som deras föreningar (olika oxider och s alter). Strukturen hos den dispergerade fasen som bildas av suspensoider skiljer sig inte från strukturen hos en kompakt substans. Den har ett molekylärt eller joniskt kristallgitter. Skillnaden mot suspensioner är en högre dispersion. Irreversibilitet manifesteras i förmågan hos deras lösningar efter avdunstning att bilda en torr fällning, som inte kan omvandlas till en sol genom enkel upplösning. De kallas lyofoba på grund av den svaga interaktionen mellan den dispergerade fasen och dispersionsmediet.
Micellära kolloider är lösningar vars kolloidala partiklar bildasvid stickning av difila molekyler som innehåller polära grupper av atomer och opolära radikaler. Exempel är tvål och ytaktiva ämnen. Molekyler i sådana miceller hålls av dispersionskrafter. Formen på dessa kolloider kan inte bara vara sfärisk utan också lamellär.
Molekylära kolloider är ganska stabila utan stabilisatorer. Deras strukturella enheter är individuella makromolekyler. Formen på en kolloidpartikel kan variera beroende på molekylens egenskaper och intramolekylära interaktioner. Så en linjär molekyl kan bilda en stav eller en spole.
