Kolloidsystemer er ekstremt vigtige i enhver persons liv. Dette skyldes ikke kun det faktum, at næsten alle biologiske væsker i en levende organisme danner kolloider. Men mange naturfænomener (tåge, smog), jord, mineraler, mad, medicin er også kolloide systemer.
Enheden af sådanne formationer, der afspejler deres sammensætning og specifikke egenskaber, anses for at være et makromolekyle eller micelle. Strukturen af sidstnævnte afhænger af en række faktorer, men det er altid en flerlagspartikel. Moderne molekylær kinetisk teori betragter kolloide opløsninger som et særligt tilfælde af sande opløsninger med større partikler af det opløste stof.
Metoder til at opnå kolloide løsninger
Strukturen af en micelle, der dannes, når et kolloidt system opstår, afhænger til dels af mekanismen i denne proces. Metoder til at opnå kolloider er opdelt i to fundament alt forskellige grupper.
Spredningsmetoder er forbundet med formaling af ret store partikler. Afhængigt af mekanismen i denne proces skelnes følgende metoder.
- Forfining. Kan gøres tør ellervåd måde. I det første tilfælde knuses det faste stof først, og først derefter tilsættes væsken. I det andet tilfælde blandes stoffet med en væske, og først derefter omdannes det til en homogen blanding. Formaling udføres i specielle møller.
- Hævelse. Slibning opnås på grund af det faktum, at opløsningsmiddelpartiklerne trænger ind i den dispergerede fase, hvilket er ledsaget af udvidelsen af dets partikler op til separation.
- Spredning ved ultralyd. Materialet, der skal males, anbringes i en væske og sonikeres.
- Spredning af elektrisk stød. Efterspurgt i produktionen af metalsoler. Det udføres ved at placere elektroder lavet af et dispergerbart metal i en væske, efterfulgt af påføring af højspænding til dem. Som et resultat dannes der en elektrisk lysbue, hvori metallet sprøjtes og derefter kondenserer til en opløsning.
Disse metoder er velegnede til både lyofile og lyofobiske kolloide partikler. Micellestrukturen udføres samtidigt med ødelæggelsen af den oprindelige struktur af det faste stof.
Kondensationsmetoder
Den anden gruppe af metoder baseret på partikelforstørrelse kaldes kondensering. Denne proces kan være baseret på fysiske eller kemiske fænomener. Fysiske kondenseringsmetoder omfatter følgende.
- Udskiftning af opløsningsmidlet. Det kommer ned til overførsel af et stof fra et opløsningsmiddel, hvori det opløses meget godt, til et andet, hvor opløseligheden er meget lavere. Som et resultat, små partiklervil kombineres til større aggregater, og en kolloid opløsning vises.
- Dampkondensering. Et eksempel er tåger, hvis partikler er i stand til at sætte sig på kolde overflader og gradvist vokse sig større.
Kemiske kondensationsmetoder omfatter nogle kemiske reaktioner ledsaget af udfældning af en kompleks struktur:
- Ionbytning: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Redox-processer: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hydrolyse: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Betingelser for kemisk kondensation
Strukturen af miceller, der dannes under disse kemiske reaktioner, afhænger af overskud eller mangel på de stoffer, der er involveret i dem. For fremkomsten af kolloide opløsninger er det også nødvendigt at observere en række forhold, der forhindrer udfældning af en tungt opløselig forbindelse:
- indholdet af stoffer i blandede opløsninger bør være lavt;
- deres blandehastighed skal være lav;
- en af løsningerne bør tages i overskud.
Micellestruktur
Hoveddelen af en micelle er kernen. Det er dannet af et stort antal atomer, ioner og molekyler af en uopløselig forbindelse. Norm alt er kernen karakteriseret ved en krystallinsk struktur. Overfladen af kernen har en reserve af fri energi, som gør det muligt selektivt at adsorbere ioner fra miljøet. denne procesadlyder Peskov-reglen, som siger: på overfladen af et fast stof adsorberes de ioner overvejende, som er i stand til at færdiggøre sit eget krystalgitter. Dette er muligt, hvis disse ioner er beslægtede eller lignende i natur og form (størrelse).
Under adsorption dannes et lag af positivt eller negativt ladede ioner, kaldet potentialebestemmende ioner, på micellekernen. På grund af elektrostatiske kræfter tiltrækker det resulterende ladede aggregat modioner (ioner med den modsatte ladning) fra opløsningen. En kolloid partikel har således en flerlagsstruktur. Micellen får et dielektrisk lag bygget af to typer modsat ladede ioner.
Hydrosol BaSO4
Som et eksempel er det praktisk at overveje strukturen af en bariumsulfatmicelle i en kolloid opløsning fremstillet i et overskud af bariumchlorid. Denne proces svarer til reaktionsligningen:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Bariumsulfat, der er lidt opløseligt i vand, danner et mikrokrystallinsk aggregat bygget af det m-te antal BaSO-molekyler4. Overfladen af dette aggregat adsorberer den n-te mængde Ba2+-ioner. 2(n - x) Cl- ioner er forbundet med laget af potentialbestemmende ioner. Og resten af modionerne (2x) er placeret i det diffuse lag. Det vil sige, at granulatet af denne micelle vil være positivt ladet.
Hvis der tages for meget natriumsulfat, såde potentialebestemmende ioner vil være SO42- ioner, og modionerne vil være Na+. I dette tilfælde vil ladningen af granulatet være negativ.
Dette eksempel viser tydeligt, at tegnet på ladningen af et micellegranula direkte afhænger af betingelserne for dets fremstilling.
Optagelsesmiceller
Det forrige eksempel viste, at den kemiske struktur af miceller og formlen, der afspejler den, bestemmes af det stof, der tages i overskud. Lad os overveje måder at skrive navnene på individuelle dele af en kolloid partikel ved at bruge eksemplet med kobbersulfidhydrosol. For at forberede det hældes natriumsulfidopløsning langsomt i en overskydende mængde kobberchloridopløsning:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
Strukturen af en CuS-micelle opnået ud over CuCl2 er skrevet som følger:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Strukturelle dele af en kolloid partikel
I firkantede parenteser skrives formlen for en tungtopløselig forbindelse, som er grundlaget for hele partiklen. Det kaldes almindeligvis et aggregat. Norm alt skrives antallet af molekyler, der udgør aggregatet med det latinske bogstav m.
Potentialbestemmende ioner er indeholdt i overskud i opløsning. De er placeret på overfladen af aggregatet, og i formlen er de skrevet umiddelbart efter firkantede parenteser. Antallet af disse ioner er angivet med symbolet n. Navnet på disse ioner indikerer, at deres ladning bestemmer ladningen af micellegranulatet.
Et granulat er dannet af en kerne og en delmodioner i adsorptionslaget. Værdien af granulatladningen er lig med summen af ladningerne af de potentialbestemmende og adsorberede modioner: +(2n – x). Den resterende del af modionerne er i det diffuse lag og kompenserer for ladningen af granulatet.
Hvis Na2S blev taget i overskud, ville strukturskemaet for den dannede kolloide micell se ud som:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Miceller af overfladeaktive stoffer
I tilfælde af at koncentrationen af overfladeaktive stoffer (overfladeaktive stoffer) i vand er for høj, kan aggregater af deres molekyler (eller ioner) begynde at dannes. Disse forstørrede partikler har form som en kugle og kaldes Gartley-Rebinder-miceller. Det skal bemærkes, at ikke alle overfladeaktive stoffer har denne evne, men kun dem, hvor forholdet mellem hydrofobe og hydrofile dele er optim alt. Dette forhold kaldes den hydrofile-lipofile balance. Deres polære gruppers evne til at beskytte kulbrintekernen mod vand spiller også en væsentlig rolle.
Aggregater af overfladeaktive molekyler dannes i henhold til visse love:
- i modsætning til lavmolekylære stoffer, hvis aggregater kan omfatte et andet antal molekyler m, er eksistensen af overfladeaktive miceller mulig med et nøje defineret antal molekyler;
- hvis starten af micellisering for uorganiske stoffer er bestemt af opløselighedsgrænsen, så bestemmes den for organiske overfladeaktive stoffer ved opnåelse af kritiske micelliseringskoncentrationer;
- først øges antallet af miceller i opløsningen, og derefter øges deres størrelse.
Koncentrationens effekt på micelleformen
Strukturen af overfladeaktive miceller påvirkes af deres koncentration i opløsning. Ved at nå nogle af dens værdier begynder kolloide partikler at interagere med hinanden. Dette får deres form til at ændre sig som følger:
- sfære bliver til en ellipsoide og derefter til en cylinder;
- høj koncentration af cylindre fører til dannelsen af en sekskantet fase;
- i nogle tilfælde vises en lamelfase og en fast krystal (sæbepartikler).
Typer af miceller
Tre typer kolloide systemer skelnes i overensstemmelse med særegenhederne ved organisationen af den indre struktur: suspensoider, micellære kolloider, molekylære kolloider.
Suspensoider kan være irreversible kolloider såvel som lyofobiske kolloider. Denne struktur er typisk for opløsninger af metaller såvel som deres forbindelser (forskellige oxider og s alte). Strukturen af den dispergerede fase dannet af suspensoider adskiller sig ikke fra strukturen af et kompakt stof. Det har et molekylært eller ionisk krystalgitter. Forskellen fra suspensioner er en højere dispersion. Irreversibilitet viser sig i deres opløsningers evne efter fordampning til at danne et tørt bundfald, som ikke kan omdannes til en sol ved simpel opløsning. De kaldes lyofobiske på grund af den svage interaktion mellem den dispergerede fase og dispersionsmediet.
Micellære kolloider er opløsninger, hvis kolloide partikler dannesnår man klæber difile molekyler indeholdende polære grupper af atomer og ikke-polære radikaler. Eksempler er sæber og overfladeaktive stoffer. Molekyler i sådanne miceller holdes af dispersionskræfter. Formen af disse kolloider kan ikke kun være sfærisk, men også lamelformet.
Molekylære kolloider er ret stabile uden stabilisatorer. Deres strukturelle enheder er individuelle makromolekyler. Formen af en kolloid partikel kan variere afhængigt af molekylets egenskaber og intramolekylære interaktioner. Så et lineært molekyle kan danne en stang eller en spole.
