Методы получения дисперсных систем

Химическое вещество может быть получено в коллоидном состоянии при следующих условиях:

• 1) размеры частиц данного вещества должны быть доведены до коллоидных размеров (10^?5-10^?7см), что можно осуществить двумя методами: а) раздроблением частиц (диспергирование) вещества до размеров коллоидной степени дисперсности (дисперсионные методы); б) укрупнением молекул, атомов, ионов до частиц коллоидного размера (конденсационные методы);
• 2) присутствие стабилизатора, например, ионов электролитов, которые на поверхности коллоидных частиц образуют ионногидратную оболочку и создают заряд, препятствующий слипанию частиц при их взаимном столкновении в растворе;
• 3) коллоидные частицы (дисперсная фаза) должны обладать плохой растворимостью в дисперсионной среде, хотя бы в момент их получения. При соблюдении названных условий коллоидные частицы приобретают электрический заряд и гидратную оболочку, что препятствует выпадению их в осадок.

Дисперсионные методы получения коллоидных систем основаны на измельчении относительно крупных частиц вещества дисперсной фазы до коллоидных размеров путем механического, электрического, химического, ультразвукового диспергирования. К химическим методам диспергирования относится и т.н. метод самопроизвольного диспергирования. Например, путем растворения в воде можно получить коллоидные растворы крахмала, желатина, агар-агара и др. Самопроизвольное диспергирование совершается без внешних механических воздействий. Этот метод широко применяется для получения растворов высокомолекулярных веществ из твердых полимеров. Диспергирование требует вмешательства физико-химических факторов. Роль поверхностноактивных веществ ПАВ при использовании их в диспергировании:

• 1) разрушение крупных частиц;
• 2) стабилизация новых частиц адсорбционными слоями ПАВ;
• 3) предотвращение агрегации (укрупнения) частиц и налипания их на механические измельчители.

В природе дисперсные системы образуются при выветривании и эрозии почв, приливно-отливных явлениях, прибоях океанов, морей, рек и озер, которые дробят крупные камни в конечном счете до коллоидных частиц и др. процессы. В качестве стабилизаторов природных золей выступают электролиты и, реже, ПАВ.

Конденсационные методы основаны на переходе молекулярных или ионных растворов в коллоидные растворы за счет укрупнения частиц вещества дисперсной фазы, т. е. на реакциях, приводящих к возникновению твердого продукта. Их подразделяют на физические и химические.

Важнейшие физические методы — конденсация из пересыщенных растворов, паров и замена растворителя. Например, образование тумана, аэрозолей металлов и их соединений в дымах металлургических печей? это конденсация из паров.

К конденсационным химическим методам относятся методы получения коллоидных растворов с помощью реакций окисления, восстановления, обменного разложения, гидролиза и др., а также метод пептизации. В результате всех химических реакций молекулярные или ионные растворы переходят в коллоидные путем перевода растворенных веществ в нерастворимое состояние. При химических методах получения дисперсных систем в качестве стабилизатора выступает одно из исходных веществ, которое берется в избытке.

Метод окисления. Он основан на реакциях окисления, в результате которых одно из веществ может быть получено в коллоидном состоянии. Например, при окислении сероводорода кислородом воздуха или оксидом серы (IV) можно получить золь серы:

• 2H₂S + O₂ > 2H₂O + 2S
• 2H₂S + SO₂ > 2H₂O + 3S

Параллельно протекают более сложные процессы, приводящие к образованию политионовых кислот H₂S₅O₆, являющихся стабилизаторами. Строение мицеллы полученного золя можно представить следующей формулой:

{[mS]•nS₅O₆^2?•2(n?x)H⁺}^2x?•2xH⁺

Метод восстановления. В качестве примера приведем реакцию получения золя золота путем восстановления его соли пероксидом водорода или формалином:

• 2HAuCI₄ + 3H₂O₂ > 2Au + 8HCI + 3O₂
• 2HAuCI₄ + 3HCHO + 11KOH > 2Au + 3HCOOK + 8KCI + 8H₂O
• 2KAuO₂ + 3HCHO + K₂CO₃ > 2Au + 3HCOOK + KHCO₃ + H₂O

Строение мицеллы можно выразить формулой:

{[mAu]•nAuO₂ ^? •(n?x)K⁺ }^x? •xK⁺

Реакцией восстановления были получены в коллоидном состоянии многие металлы, например, Au, Ag, Pt, Pd, Os, Hg и др.

Метод обменного разложения. В качестве примера можно назвать реакцию получения золя сульфата бария или иодида серебра по обменным реакциям (схемы мицелл представлены в лекции 6).

BaCI₂ + K₂SO₄ > BaSO₄ + 2KCI.

AgNO₃ + KCI > AgCI + KNO₃

Метод гидролиза. Труднорастворимый гидроксид железа (III) образуется при гидролизе хлорида железа (III):

FeCI₃ + 3HOH > Fe (OH)₃ + 3HCI,.

Fe (OH)₃ + HCI > FeOCI + 2H₂O.

Образующаяся в результате этих реакций хлорокись железа диссоциирует частично на ионы:

FeOCI — FeO⁺ + CI^?

Эти ионы обеспечивают ионогенный слой вокруг частиц гидроксида железа (III) Fe (OH)₃, благодаря чему они удерживаются во взвешенном состоянии (схемы мицелл представлены в лекции 6).

Метод пептизации или дезагрегации. Пептизацией называют переход в коллоидный раствор осадков, образовавшихся при коагуляции. Может происходить при промывке осадков под влиянием пептизаторов, в качестве которых используются электролиты. Здесь не происходит изменение степени дисперсности частиц (т.е. не меняются размеры частиц) осадка, а только их разъединение. Поэтому метод пептизации в начальных стадиях — конденсационный, а в конечных — дисперсионный, занимает промежуточное положение между конденсацией и диспергированием. Примером золя, полученного методом пептизации, является синтез золя берлинской лазури.

В коллоидной химии различают следующие виды пептизации:

• а) адсорбционную;
• б) диссолюционную;
• в) промывание осадка растворителем.

На предыдущей лекции рассматривали получение золей берлинской лазури, это метод адсорбционной пептизации. Электролит FeCI₃? пептизатор.

Диссолюционная пептизация отличается от адсорбционной только отсутствием в готовом виде электролита-пептизатора. Рассмотрим на примере получения золя гидроксида железа (III).

{[mFe (ОН)₃ ]•nFeO⁺ • (n?x)CI}^x+ •xCI^? .

Метод промывания осадка растворителем используется, если осадок получен при значительном избытке одного из реагентов. Это вызывает сжатие двойного электрического слоя. Ионы диффузного слоя проникают в адсорбционный и, в результате, заряд коллоидной частицы становится равным нулю:

{[mFe (ОН)₃ ]•nFe³⁺ •3nCI^?}⁰ .

После промывания осадка растворителем мицеллы будут иметь вид:

{[mFe (ОН)₃ ]•nFe³⁺ •3(n?x)CI^?}^3х+3х CI^?.