Коллоидный раствор — свойства и классификация¶
Коллоидный раствор — гетерогенная дисперсная система, в которой размер частиц дисперсной фазы находится в диапазоне от 1 нм до 100 нм (в ряде классификаций — до 1 мкм). Частицы такого размера не оседают под действием силы тяжести и придают системе оптическую мутность (опалесценцию). Термин «коллоид» происходит от греческого kolla — клей и eidos — вид; ввёл его в 1861 году шотландский химик Томас Грэм, изучавший диффузию растворов.
¶Строение коллоидных частиц
Коллоидная частица (мицелла) состоит из ядра и сольватной оболочки. Ядро может быть молекулярным, агрегатным или ассоциативным. На границе раздела фаз адсорбируются ионы, образуя электрический двойной слой, который обеспечивает устойчивость системы: одноимённо заряженные частицы отталкиваются и не слипаются.
По знаку заряда ядра различают:
- Гидрофобные коллоиды — частицы не имеют сродства к воде, устойчивость обеспечивается только зарядом (например, золото, сера, гидрооксиды железа и алюминия).
- Гидрофильные коллоиды — частицы гидратированы, устойчивость обусловлена и зарядом, и сольватной оболочкой (крахмал, желатин, мыла).
- Амфифильные коллоиды — молекулы содержат и гидрофобную, и гидрофильную части (мыла, фосфолипиды).
¶Классификация
По агрегатному состоянию фаз коллоидные системы делятся на:
| Тип | Дисперсная фаза | Среда | Примеры |
|---|---|---|---|
| Золи | твёрдое | жидкое | растворы белков, крахмала, золота |
| Гели | твёрдое | жидкое | студни, агар-агар |
| Эмульсии | жидкое | жидкое | молоко, майонез |
| Пены | газообразное | жидкое | мыльная пена |
| Аэрозоли | твёрдое или жидкое | газ | туман, дым, пыль |
| Аэрогели | твёрдое | газ | пена, снег |
По дисперсности различают молекулярно-ионные (истинные) растворы (частицы < 1 нм), коллоидные (1–100 нм) и грубодисперсные системы (частицы > 100 нм, суспензии и эмульсии).
¶Свойства
Оптические. Коллоидные частицы рассеивают свет, вызывая эффект Тиндаля — видимый светящийся конус в луче света, проходящем через систему. Это отличает коллоидные растворы от истинных, в которых луч не виден.
Кинетические. Частицы совершают броуновское движение, обусловленное неравномерным столкновением с молекулами среды. Броуновское движение препятствует оседанию частиц и обеспечивает кинетическую устойчивость системы.
Электрические. В электрическом поле коллоидные частицы мигрируют к электроду противоположного знака — электрофорез. При этом в самой среде возникает противо течение — электроосмос.
Поверхностные. На поверхности частиц адсорбируются вещества из среды, что приводит к адсорбционному насыщению и изменению свойств системы.
¶Коагуляция и коалесценция
Коагуляция — процесс слипания и оседания коллоидных частиц, приводящий к разделению системы на фазы. Вызывается добавлением электролитов: ионы противоположного знака нейтрализуют заряд частиц. Закон Шульце — Гарди устанавливает, что коагулирующая способность иона тем выше, чем больше его заряд. Так, для negatively заряженной золи коагулирующую способность катионов можно выразить отношением Li⁺ : Na⁺ : K⁺ ≈ 1 : 50 : 100, а для Al³⁺ она на порядки выше.
Коалесценция — слипание капель эмульсии или пузырьков пены с образованием более крупных капель, после чего фазы разделяются.
¶Получение коллоидных систем
Существуют два основных метода:
- Конденсация (сверху вниз) — из мелких частиц (молекул, ионов) образуются коллоидные. Реализуется химическими реакциями (восстановление золота из H[AuCl₄] даёт красную золотую золю), изменением растворителя, гидролизом.
- Дисперсия (снизу вверх) — из крупных частиц получают коллоидные механическим измельчением, ультразвуком, конденсацией пара.
Для стабилизации коллоидных систем вводят стабилизаторы — вещества, повышающие устойчивость (белки, мыла, полимеры).
¶Применение
Коллоидные системы широко распространены в природе и технике:
- Биология и медицина — кровь, лимфа, ткани организма являются коллоидными системами; многие лекарственные формы (суспензии, эмульсии, липосомы) основаны на коллоидных принципах.
- Пищевая промышленность — молоко (эмульсия жира в воде с казеиновыми мицеллами), маргарин, майонез, шоколад.
- Строительные материалы — цементное тесто, строительные растворы, бетон на начальных стадиях твердения.
- Химическая промышленность — производство красок, лаков, резины, бумаги, моющих средств.
- Аналитическая химия — коагуляция используется при очистке воды, в хроматографии.
¶Коллоиды в природе
Почвенные коллоиды (глины, гумусовые вещества) обладают поглотительной способностью, что определяет плодородие почв. Морская вода содержит коллоидные частицы, участвующие в круговороте веществ. В атмосфере аэрозоли играют роль конденсационных ядер при образовании облаков.
Источники:
- Глинка Н. Л. Общая химия. — М.: КолосС.
- Гущин В. А. Коллоидная химия. — М.: Высшая школа.
- Фрумкин А. Н. Избранные труды. Коллоидная химия. — М.: Наука.
- Деркач А. А. Коллоидная химия. — М.: Высшая школа.
- Тер-Оганесянц С. Г. Коллоидная химия. — М.: Химия.
