Строение мицелл и коллоидов

Рассмотрим процесс на границе «твердое-жидкое» на примере твердой частицы кремнезема — Si0₂ в водной фазе. На поверхности частиц молекулы Si0₂ взаимодействуют с водой, гидратируются, образуя метакремниевую кислоту:

4. МАТЕРИАЛЫ В ВЫСОКОДИСПЕРСНОМ СОСТОЯНИИ которая диссоциирует по реакции.

Ионы Si0²₃ остаются на поверхности частиц, обуславливая ее отрицательный заряд, а ионы водорода (противоионы) переходят в раствор, располагаясь в ближнем адсорбционном слое, закономерно образуя диффузный слой (рис. 42). В адсорбционном слое противоионы удерживаются наиболее прочно. В диффузном слое воды содержатся остальные противоионы Н ⁺.

Рис. 42. Схема строения мицеллы кремниевой кислоты: а — адсорбционный слой; б — диффузный слой противоионов; 1 — ядро;

2 — коллоидная частица; 3 — мицелла; (—) — потенциалоопределяющие ионы Si0₃^2_; (+) — противоионы Н⁺; т — число молекул SiO> у Н₂0 в ядре

В целом весь комплекс является электронейтральным и называется мицеллой. Мицелла, таким образом, состоит из ядра и ионогенной части, образованной двумя ионными слоями — адсорбционным и диффузным. Для удобства мицеллы изображают в виде так называемых коллоидно-химических мицеллярных формул, например:

Строение мицеллы гидрооксида железа в случае, когда он адсорбирует ионы Fe³⁺ из раствора хлорного железа, можно изобразить (рис. 43) и записать как.

Рис. 43. Схема строения мицеллы гидроксида железа: а — адсорбционный слой; б — диффузный слой противоионов; I — ядро;

2 — коллоидная часть; 3 — мицелла; (+) — потенциалоопределяющие ионы FeO⁺; (—) — противоионы С1; т — число молекул Fe (ОН)₃ в ядре В этом случае ядро с потенциалообразующим FeO⁺ заряжено положительно.

Многие физико-химические процессы, протекающие на границе раздела фаз «твердое-жидкое», обусловлены наличием двойного электрического слоя.

Современная теория двойного электрического слоя предусматривает наличие определенных ионов на поверхности твердой фазы. Ионы притягиваются к поверхности как электростатическими, так и адсорбционными силами. Согласно этой теории слой противоионов состоит из двух частей. Одна часть противоионов, находящаяся в непосредственной близости от потенциалообразующих ионов поверхности, образует плоский конденсатор (см. рис. 44). Этот слой, характеризующийся резким падением электрического потенциала, называется адсорбционным. Адсорбционный слой — это прочно удерживаемая электрическими силами вода. Этот слой воды является неподвижным по отношению к твердой фазе. За адсорбционным слоем расположена диффузионная часть мицеллы. Эта часть слоя характеризуется медленным падением потенциала. Неподвижный адсорбционный слой нейтрализует только часть объема потенциала поверхности твердой фазы.

Рис. 44. Схема двойного электрического потенциала:

А — адсорбционный слой; Б — приведенная толщина диффузионного слоя;

1 — потснциалоопредсляющис ионы; 2 — противоионы; 3 — граница (плоскость) скольжения; 4 — подвижный (диффузный) слой Гуи

При движении твердой фазы в жидкой фазе скольжение происходит не у твердой поверхности, а в самой жидкости, в диффузном слое. При этом на границе скольжения имеется разность потенциалов, называемая электрокинетическим или дзета-потенциалом.

Таким образом, электрокинетический потенциал — потенциал границы скольжения, определяемый как разность потенциалов между адсорбционным слоем жидкости, неподвижно связанным с поверхностью твердой фазы и всей остальной (подвижной) массой жидкости.

Изменение величины дзета-потенциала приводит к изменению толщины диффузного слоя воды в мицелле, слиянию или отталкиванию частиц.

К электроповерхностным явлениям, связанным с зарядом мицеллы и относительным перемещением фаз в системе «твердое — жидкость», называемых электрокинетическими, относят:

• — электроосмос — перенос жидкости под действием электрического поля;
• — электрофорез — перемещение твердой фазы в электрическом поле;
• — потенциал течения — возникновение электрического потенциала при протекании жидкости;
• — потенциал оседания — перемещение твердой фазы под действием силы тяжести.

Ряд факторов влияет на величину электрокинетического потенциала. Значение^{-потенциала} возрастает по мере расширения двойного метрического слоя, что имеет место при разбавлении системы. При добавлении в систему электролита диффузный слой будет сжиматься, и все большее число противоионов будет переходить в адсорбционный слой, вызывая уменьшение^{-потенциала.} Если двойной слой предельно сжат (противоионы не выходят за пределы адсорбционного слоя),^{-потенциал} равен нулю, что соответствует изоэлектрическому состоянию.

Катионы электролита активно действуют тогда, когда поверхность твердой фазы заряжена отрицательно. Катионы по активности располагаются в ряд:

Анионы активны тогда, когда поверхность частиц заряжена положительно. При введении в систему многозарядных ионов, имеющих противоположный по знаку заряд твердой фазы, изменяется знак электрокинетического потенциала. Вызывают перемену знака^{-потенциала} водородные, гидроксильные ионы, ионы высокого заряда (Al³⁺, Fe³⁺, Р0₄^3_ и др.). Например, переменой знака^{-потенциала} обладают лиозоли А1 (ОН)₃ с изменением pH среды.

В слабокислой среде ионизация молекул гидроксида алюминия протекает по схеме.

Гидроксид алюминия проявляет основные свойства. Потенциалоопределяющими будут положительно заряженные ионы А1(ОН)₂⁺, расположенные на поверхности твердой фазы.

Более низкое значение pH способствует образованию.

с увеличением объема положительного заряда частицы, затем гидроксид алюминия растворяется в кислой среде и коллоидный раствор переходит в истинный.

В щелочной среде А1(ОН)₃ проявляет кислотные свойства, ионизируясь по схеме.

где потенциалообразующий ион заряжает поверхность твердой фазы отрицательно. При более высоком значении pH протекает дальнейшая реакция:

Подобные изменения заряда поверхности твердой фазы наблюдаются в коллоидных системах, содержащих гидроксид железа Fe (ОН)₃.

Приведенные выше теоретические основы явлений на границе «твердое — жидкое» рассмотрим на ряде конкретных примеров.