Характеристика колоїдних розчинів

Колоїдні часточки можуть мати різну внутрішню структуру, що істотно позначається на способах утворення колоїдних розчинів і на їхніх властивостях. Існують такі три типи внутрішньої структури первинних часточок колоїдних розмірів.

І тип – суспензоїди (або необоротні колоїди, ліофобні колоїди). Так називають колоїдні розчини металів, їхніх оксидів, гідроксидів, сульфідів та інших солей. Первинні часточки дисперсної фази колоїдних розчинів цих речовин за своєю внутрішньою структурою не відрізняються від структури відповідної компактної речовини і мають молекулярну або іонну кристалічну решітку. Суспензоїди – типові гетерогенні високодисперсні системи, властивості яких визначаються дуже сильно розвинутою міжфазовою поверхнею. Від суспензій вони відрізняються вищою дисперсністю. Суспензоїдами їх назвали тому, що, як і суспензії, вони не можуть тривалий час існувати, коли немає стабілізатора дисперсності. Необоротними їх називають тому, що осади, які лишаються при випаковуванні таких колоїдних розчинів, не утворюють знову золю в разі контакту з дисперсійним середовищем. Ліофобними (з грецького: «ліос» – рідина, «фобіо» – ненавиджу) їх назвали, гадаючи, що особливі властивості колоїдних розчинів цього типу зумовлені дуже слабкою взаємодією дисперсної фази і дисперсійного середовище. Концентрація ліофобних золів невелика, звичайно менша за 0, 1%. В'язкість таких золів мало відрізняється від в'язкості дисперсійного середовища.

Ліофобні золі, як взагалі дисперсні системи, відповідно до їх проміжних положень між молекулами і великими тілами, можна добути двома способами: диспергуванням, тобто подрібненням великих тіл, і конденсацією молекулярно- або іоннорозчинених речовин. Подрібнення за допомогою дроблення, молоття, розтирання дає порівняно крупнодисперсні порошки (> 60 мкм). Більш тонкого подрібнення досягають за допомогою спеціальних апаратів – колоїдних млинів, або застосовуючи ультразвук.

Метод конденсації полягає в утворенні нерозчинних сполук за допомогою реакцій обміну, гідролізу, відновлення, окислення. Здійснюючи ці реакції в сильно розбавлених розчинах і з деяким надлишком одного з компонентів, дістають не осади, а колоїдні розчини. До конденсаційних методів належить також добування ліозолів за допомогою заміни розчинника. Наприклад, колоїдний розчин каніфолі можна добути, виливаючи її спиртовий розчин у воду, в якій каніфоль не розчиняється.

Як було з'ясовано раніше, чим вища дисперсність, тим більша вільна поверхнева енергія, тим більша схильність до самовільного зменшення дисперсності. Тому щоб мати стійкі, тобто які тривалий час зберігаються, суспензії, емульсії, колоїдні розчини, треба не тільки досягти заданої дисперсності, а й створити умови для її стабілізації. Через це стійкі дисперсні системи складаються не менше як з трьох компонентів: дисперсійного середовища, дисперсної фази і третього компонента – стабілізатора дисперсної системи.

Стабілізатор може мати іонну і молекулярну, часто високомолекулярну, природу. Іонна стабілізація золів ліофобних колоїдів пов'язана з наявністю малих концентрацій електролітів, що створюють іонні пограничні шари між дисперсною фазою і дисперсійним середовищем.

Високомолекулярні сполуки (білки, поліпептиди, полівініловий спирт та інші), які добавляють для стабілізації дисперсних систем, називають захисними колоїдами.

Адсорбуючись на межі поділу фаз, вони утворюють у поверхневому шарі сітчасті і гелеподібні структури, що створюють структурно-механічний бар'єр, який перешкоджає об'єднанню часточок дисперсної фази. Структурно-механічна стабілізація має вирішальне значення для стабілізації суспензій, паст, пін, концентрованих емульсій.

 

Рис. 1. Розчини міцелярних колоїдів: молекулярний розчин (а), колоїдні розчини з сферичними (б) та пластинчастими (в) міцелами.

 

Дифільна молекула: 1 – вуглеводневий радикал; 2 – полярна (-СООН, -ОН, -МН;) група.

II тип – асоціативні, або міцелярні, колоїди. Їх називають також напівколоїдами. Колоїдно-дисперсні часточки цього типу виникають при достатній концентрації дифільних молекул низькомолекулярних речовин за допомогою асоціації їх в агрегати молекул – міцели – сферичної або пластинчастої форми (рис. 1).

Молекулярний, істинний розчин Міцелярний, колоїдний розчин (золь).

Міцели – це скупчення правильно розміщених молекул, що утримуються переважно дисперсійними силами.

Утворення міцел є характерним для водних розчинів миючих речовин (наприклад, мил – лужних солей вищих жирних кислот) і деяких органічних барвників з великими молекулами; в інших середовищах, наприклад в етиловому спирті, ці речовини розчиняються з утворенням молекулярних розчинів.

III тип – молекулярні колоїди, їх називають також оборотними, або ліофільними (від грецького «філіо» – люблю), колоїдами. До них належать природні і синтетичні Високомолекулярні речовини з молекулярною масою від десяти тисяч до кількох мільйонів. Молекули цих речовин мають розміри колоїдних часточок, тому такі молекули називають макромолекулами.

Розбавлені розчини високомолекулярних сполук – це істинні, гомогенні розчини, які в разі граничного розбавляння підлягають загальним законам розбавлених розчинів. Розчини високомолекулярних сполук можна приготувати також з високою масовою концентрацією – до десяти і більше процентів. Але мольна концентрація таких розчинів мала внаслідок великої молекулярної маси розчиненої речовини. Так, 10% -ний розчин речовини з молекулярною масою 100 000 є приблизно 0, 0011 М розчином.

Для того щоб дістати розчини молекулярних колоїдів, досить привести суху речовину в контакт з відповідним розчинником. Неполярні макромолекули розчиняються у вуглеводнях (наприклад, каучуки – в бензолі), а полярні макромолекули – в полярних розчинниках (наприклад, деякі білки у воді і водних розчинах солей). Речовини цього типу назвали оборотними колоїдами тому, що після випаровування їх розчинів і добавляння нової порції розчинника сухий залишок знову переходить у розчин. Назва ліофільні колоїди виникла з припущення (як виявилося, помилкового), що сильна взаємодія з середовищем зумовлює відмінність їх від ліофобних колоїдів.

Розчинення макромолекулярних колоїдів проходить через стадію набухання, яка є характерною якісною особливістю речовин цього типу. При набуханні молекули розчинника проникають у твердий полімер і розсувають макромолекули, які внаслідок свого великого розміру повільно дифундують у розчин, що зовні виявляється у збільшенні об'єму полімеру. Набухання може бути необмеженим, коли кінцевим його наслідком е перехід полімера у. розчин, і обмеженим, якщо набухання не доходить до розчинення полімера. Обмежено набухають звичайно полімери з особливою, «тривимірною» структурою, яка відзначається тим, що атоми всієї речовини сполучені валентними зв'язками. Хімічна модифікація полімерів за допомогою «зшивання» їхніх макромолекул з метою зменшення набухання полімера є важливою стадією в технології виробництва багатьох матеріалів (чинення сиром'ятної шкіри, вулканізація каучуку при перетворенні його в гуму).

Розчини високомолекулярних сполук мають значну в'язкість, яка швидко зростає із збільшенням концентрації розчинів. Підвищення концентрації макромолекулярних розчинів, добавляння речовин, що знижують розчинність полімера, і, часто, зниження температури приводять до драгління, тобто перетворення сильно в'язкого, але текучого розчину в твердоподібні драглі, що зберігають форму. Розчини полімерів з сильно витягнутими макромолекулами драгліють при невеликій концентрації розчину. Так, желатин і агар-агар утворюють

Про природні і синтетичні Високомолекулярні сполуки і полімери драглі і гелі в 0, 2-1, 0% розчинах. Висушені драглі можуть знову набухати (істотна відміна. від гелів).

Драгління є важливою стадією виготовлення волокнистих матеріалів з розчинів полімерів. Властивості розчинів високомолекулярних сполук з підвищенням їхньої концентрації дедалі більше відрізняються від властивостей розчинів низькомолекулярних сполук. Це відбувається внаслідок взаємодії одна з одною окремих макромолекул, що приводить до утворення надмолекулярних структур, які дуже впливають на якості виробів (волокон, пластмас) з полімерів.

Високомолекулярні сполуки, як і будь-які інші речовини, за відповідних умов можна добути у високодисперсному – колоїдному стані. Такі дисперсії полімерів у рідинах, що їх не розчиняють, здебільшого у воді, називають латексами. Часточки дисперсної фази. латексів мають форму, близьку до сферичної, і розміри порядку 10-100 нм.

 

Рис. 2. Схема діалізу:

1 – внутрішній діалізований розчин;

2 – зовнішня рідина;

3 – діалізація на мембрана (крізь її пори проходять лише низькомолекулярні речовини) ;

4 – шків для обертання мембрани з внутрішнім розчином.

 

Термін «колоїди», що означає «клеєподібні» (від грецького «кола» – клей, «еідос» – вид), виник у 1861 р., коли англійський хімік Томас Грем для розділення речовин застосував діаліз (рис. 2). Метод діалізу ґрунтується на неоднаковій здатності компонентів розчинів дифундувати через тонкі плівки – мембрани (з целофану, пергаменту, нітроцелюлози, ацетилцелюлози). Цей метод широко застосовують для очищення колоїдних розчинів високомолекулярних сполук. Речовини, які не проникають крізь мембрану при діалізі, Грем назвав колоїдами, а речовини, здатні до діалізу, – кристалоїдами, оскільки в процесі випарювання їхніх розчинів утворювалися кристалічні осади.

Поділ речовин на кристалоїди і колоїди виявився помилковим. П. П. Веймарн, доцент Петербурзького гірничого інституту, добув ряд типових «кристалоїдів» у колоїдному стані і цим довів (1906 р.), що будь-яку речовину за відповідних умов можна добути в колоїдному стані.

У 30-40-х роках XX ст. з'ясовано хімічну природу первинних часточок оборотних (ліофільних) колоїдів, які виявилися макромолекулами. У зв'язку з цим від колоїдної хімії відокремилась нова хімічна дисципліна – фізична хімія високомолекулярних сполук. Проте через певні історичні причини спільність молекулярно-кінетичних властивостей ліофільних і ліофобних колоїдів, часте утворення гетерогенних структур у молекулярних колоїдах, а також існування численних композицій з високомолекулярних сполук і високодисперсних систем (наприклад, гуми, багато лакофарбових матеріалів, склопластики, піно- і поропласти) предмет колоїдної хімії трактують ширше, як фізичну хімію гетерогенного дисперсного стану речовини, високомолекулярних сполук і міжфазових поверхонь.