«Коллоидные растворы: понятия, свойства»

В каждом растворе присутствует растворитель и растворённое вещество. Растворитель – это обычно вещество, которое взято в большем количестве. При этом иногда можно сказать, что растворитель – вещество не меняющее свое агрегатное состояние (например, вода остаётся в жидком состоянии при растворении в ней вещества – соли)

Раствор образуется, если молекулы или ионы растворяемого вещества распространяются среди молекул растворителя до полного перемещения (диффузия). В этом случае вещества называются смешиваемыми, в противном случае – несмешиваемыми (Карбаинова и др., 2000).

Максимальное количество растворяемого вещества, которое может раствориться в определённом количестве растворителя при данной температуре, называется растворимостью. В случае, если растворённое вещество уже не может больше растворяться в растворителе (при данной температуре), то такой раствор называется насыщенным. Определить, сколько вещества растворяется при определённой температуре в растворителе, можно по специальным графиками растворимости (Зимон, Лещенко, 2001).

Насыщенный раствор. Если насыщенный раствор медленно охладить, то в нём окажется больше растворимого вещества, чем может вместить в себя растворитель, и раствор оказывается перенасыщенным. Если в такой раствор поместить кристалл, растворяемого вещества или резко встряхнуть его, то часть растворённого вещества выпадает в осадок. Кстати, насыщенный раствор соли широко применяется для выращивания кристаллов.

Если с повышением температуры растворимость твёрдых веществ увеличивается, то с газообразными веществами (например, газами) – наоборот – растворимость газов увеличивается при понижении температуры. А что касается давления – для газов – чем больше давление тем лучше растворимость. Для твёрдых тел давление не играет никакой роли.

Коллоидные растворы. Как уже отмечалось, нерастворимых веществ нет. Даже твёрдые вещества, которые, вроде бы, являются нерастворимыми, тоже частично растворяются, при этом образуя мельчайшие частицы в растворителе мицеллы. Эти частицы проходят через фильтр. Они настолько мелкие и лёгкие, что не выпадают в осадок. Такие частицы (мицеллы) называют коллоидными. А растворы – коллоидные растворы (Малышева, 2007). Коллоидные частицы можно рассмотреть в растворе с помощью пучка света – лучи отражаются и преломляются, и тогда коллоидные частицы становятся видны невооружённым глазом. (Такое явление называют эффектом Тиндаля). В коллоидных растворах частицы имеют размер от 0,1.0,001 мкм. Ещё одно распространённое название коллоидных растворов – золи. При длительном хранении золи переходят в гель (структура геля отличается от золи положением частиц (мицелл) – в гелях они сгруппированы).

Но если гель нагреть, то он снова перейдёт в золь.

Суспензия. Золи, которые переходят в гель, но при этом обратное превращение исключается – называют суспензиями. Если из геля снова получается золь – то это уже эмульсия. Примерами коллоидного раствора могут быть молоко, клей, чернила, майонез, эмульсия фотоплёнок (раствор серебра). Облака – это тоже коллоидные растворы, где воздух – растворитель, а капли воды – коллоидные частицы. Если насыпать в воду песок и взболтать, то песок очень быстро отделится от воды и окажется на дне ёмкости. Если перемешать пыль с водой, то тоже выпадет осадок, но гораздо медленнее. В таких случаях нельзя говорить о растворе, так как частицы растворяемого вещества видны невооруженным глазом или с помощью лупы, или микроскопа. Эта смесь является гетерогенной. Смеси такого типа, в которых компоненты можно отделить друг от друга путём простой фильтрации, также называют суспензиями (Михеева, Пикула, 2010).

Суспензоиды можно получить:

1) методами диспергирования (измельчение крупных тел);

2) методами конденсации (получение нерастворимых соединений при помощи реакций обмена, гидролиза и т. п.).

Самопроизвольное уменьшение дисперсности у суспензоидов зависит от свободной поверхностной энергии. Чтобы получить длительно сохраняющуюся суспензию, необходимы условия для ее стабилизации.

Устойчивые дисперсные системы:

1) дисперсионная среда;

2) дисперсная фаза;

3) стабилизатор дисперсной системы (Сумм, 2007).

Стабилизатор может быть ионный, молекулярный, но чаще всего – высокомолекулярный.

Защитные коллоиды – высокомолекулярные соединения, которые добавляют для стабилизации (белки, пептиды, поливиниловый спирт и др.).

2. Ассоциативные (или мицеллярные коллоиды) – полуколлоиды, возникающие при достаточной концентрации молекул, состоящих из углеводородных радикалов (дифильные молекулы) низкомолекулярных веществ при ассоциации их в агрегаты молекул (мицеллы). Мицеллы образуются в водных растворах моющих средств, органических красителей.

3. Молекулярные коллоиды (обратимые или лиофильные коллоиды) – природные и синтетические высокомолекулярные вещества с большим молекулярным весом. Молекулы их имеют размер коллоидных частиц (макромолекулы) (Евстратова и др., 1990).

Разбавленные растворы коллоидов высокомолекулярных соединений – гомогенные растворы. При сильном разбавлении эти растворы подчиняются законам разбавленных растворов.

Неполярные макромолекулы растворяются в углеводородах, полярные – в полярных растворителях.

Обратимые коллоиды – вещества, сухой остаток которых при добавлении новой порции растворителя вновь переходит в раствор (Волков, 2001).

Свойства коллоидных растворов принято выделять в три группы: оптические, молекулярно-кинетические и электрические.

Оптические свойства коллоидных растворов проявляются в таком явлении как светорассеяние. В отличие от молекулярных и ионных растворов, которые не имеют поверхности раздела фаз и оптически однородны, коллоидные растворы рассеивают свет, что проявляется опалесценцией в виде голубоватого матового свечения при освещении боковым светом.

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов, как и обычных растворов, обнаруживаются в таких явлениях, как броуновское движение, диффузия, осмотическое давление. Броуновское движение – непрерывное хаотичное движение частиц, не затухающее во времени. Коллоидные частицы при столкновении с молекулами растворителя, приобретают кинетическое движение (частицы могут изменять положение до 1020 в секунду). Диффузия – процесс самопроизвольного выравнивания концентрации диспергированного вещества под влиянием теплового движения частиц растворителя. Осмотическое давление – это избыточное гидростатическое давление на раствор, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану.

Известно 4 электрокинетических явления. Электроосмос – явление перемещения дисперсной среды относительно неподвижной дисперсной фазы. Электрофорез – явление перемещения коллоидных частиц относительно дисперсной среды (растворителя), под влиянием постоянного электрического тока. Потенциал протекания – появление электрического потенциала при протекании растворителя относительно неподвижной дисперсной фазы. Потенциал седиментации – возникновение разницы потенциала между электродами, которые установлены на разной высоте цилиндра, в котором происходит осаждение дисперсной фазы.

6) Евстратова К.И., Купина Н.А. Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. – М., Высшая школа, 1990.

7) Ершов Ю.А. Коллоидная химия. Учебник. – М., «ГЭОТАР – Медиа», 2011.

8) Зимон А.Д., Лещенко А.Ф. Коллоидная химия. М.: Агар, 2001 – 317с.

9) Карбаинова С.Н., Пикула Н.П., Анисимова Л.С., Катюхин В.Е., Романенко С.В. Поверхностные явления и дисперсные системы: учебное пособие. – Томск.: изд-во ТПУ, 2000. – 128 с.

10) Малышева Ж.Н. Теоретическое и практическое руководство по дисциплине «Поверхностные явления и дисперсные системы»: учебное пособие. – Волгоград: ВолгГТУ, 2007. – 344 с.

11) Михеева Е.В., Пикула Н.П. Физическая и коллоидная химия: учебное пособие / Е.В. Михеева, Н.П. Пикула; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 267 с.

12) Сумм Б.Д. Основы коллоидной химии: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 240 с.

13) Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. – СПб.: Химия, 1995.

14) Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. – М., Химия, 2004.

15) Шелудко А. Коллоидная химия. М.: Мир, 1984.

16) Щукин Е. Д., Перцов А. В, Амелина Е. А. Коллоидная химия. – М. 2007.