Получение и очистка коллоидных систем

Как получить золь и как очистить его от примесей электролитов, которые, как показано на странице о коагуляции, разрушают систему.

Методы получения лиофобных коллоидных систем

Лиофобные коллоидные системы получают двумя группами методов:

1. Диспергационные — измельчают более крупные частицы.
2. Конденсационные — укрупняют молекулы или ионы до частиц коллоидного размера.

Диспергационные методы

Физические методы диспергирования:

• механическое диспергирование — шаровые и коллоидные мельницы;
• распыление жидких металлов — так получают золи легкоплавких металлов; металл нагревают в плазме либо в высокочастотном разряде;
• ультразвук.

Химическое диспергирование — пептизация: переход свежеобразованного осадка в коллоидную систему. Так можно перевести в коллоидную систему и осадок, образовавшийся при коагуляции. Пептизатор — специальное вещество, при добавлении которого осадок образует коллоидную систему (обычно электролит, ионы которого адсорбируются на частицах и заряжают их).

Количество пептизированного вещества $R$ зависит от количества осадка $Q$ и пептизатора $\Pi$ — правило осадка Оствальда:

• При постоянном количестве пептизатора количество пептизированного вещества сначала растет с количеством осадка, а затем падает: пептизатора не хватает, чтобы зарядить все частицы.
• При постоянном количестве осадка пептизация идет лишь после того, как пептизатора добавлено достаточно, а затем выходит на предел.

Конденсационные методы

Физическая конденсация:

• Конденсация из паров. Понижаем температуру, пар становится пересыщенным ($T\downarrow \Rightarrow p > p_s$) и конденсируется в виде мелких частиц. Так образуются, например, туманы $\text{ZnO}$, $\text{P}_2\text{O}_5$.
• Замена растворителя. К раствору серы в спирте добавляем воду — сера выпадает в коллоидном виде.

Химическая конденсация — выделение из раствора малорастворимого вещества в коллоидном состоянии. Растворы должны быть очень разбавленными, а один из реагентов — в избытке (его ионы стабилизируют частицы).

Реакция обмена:

Восстановление:

Окисление сероводорода:

промежуточный продукт — пентатионовая кислота $\text{H}_2\text{S}_5\text{O}_6 \rightleftharpoons 2\text{H}^+ + \text{S}_5\text{O}_6^{2-}$, ее анионы стабилизируют частицы серы.

Гидролиз хлорида железа(III):

Стабилизатор образуется при частичном гидролизе:

где $\text{FeO}^+$ — потенциалопределяющий ион: он адсорбируется на частицах $\text{Fe(OH)}_3$ и заряжает их положительно.

Условия образования лиофильных коллоидных систем

Лиофильные системы образуются самопроизвольно. При диспергировании растет поверхностная энергия ($\Delta\Omega$ — прирост площади поверхности, $N_2$ — число частиц радиусом $r$):

Но за счет вовлечения частиц в тепловое движение растет энтропия, и коллоидная система образуется самопроизвольно, если

Для частиц произвольной формы $\Delta G_{\text{пов}} = N_2\,\sigma\,\alpha d^2$, где $d$ — размер частицы, $\alpha$ — коэффициент формы ($\alpha_{\text{сфер}} = \pi$).

Энтропия смешения $N_1$ молей дисперсионной среды и $N_2 = N/N_A$ молей частиц:

Число молей дисперсионной среды намного больше, чем фазы, $N_1 \gg N_2$:

В расчете на число частиц $N$: $\Delta S = kN\beta$. Условие самопроизвольного диспергирования $4\pi r^2 N\sigma \le kTN\beta$ дает критическое межфазное натяжение:

При $r \sim 10^{-8}$ м получаем $\sigma_{\text{кр}} \sim 10^{-4}\text{–}10^{-5}$ Дж/м²: лиофильные системы образуются только при очень малом межфазном натяжении.

Методы очистки коллоидных систем

1. Диализ — примеси электролитов и низкомолекулярных веществ удаляют через мембрану, размер пор которой сравним с размером молекул ($r_{\text{пор}} \sim r_{\text{мол}}$): ионы и молекулы проходят, коллоидные частицы — нет.
2. Электродиализ — диализ, ускоренный электрическим полем: золь помещают между мембранами, за которыми находятся электроды в воде, и ионы примесей быстро уходят к электродам.

3. Ультрафильтрация — метод очистки и концентрирования коллоидных систем с помощью перегородки, через которую под давлением (или при отсасывании насосом) проходит жидкая фаза.

Требования к мембранам:

1. проницаемость;
2. селективность;
3. стойкость к действию среды;
4. механическая прочность.

Материалы мембран: полимерные пленки, пористое стекло, керамика, ионообменные материалы.