В качестве примера возьмем золь, полученный с помощью метода химической агрегации в результате смешивания истинных растворов двух веществ: нитрата серебра и иодида калия
AgNO3 + KI = KNO3 + AgI↓ молекулярное уравнений реакции
Ag+ + I– = AgI ↓ сокращенное ионное уравнение реакции
Как следует из уравнения реакции, частицы дисперсной фазы в данном золе образуются за счет связывания друг с другом ионов Ag+ и I–.
В зависимости от молярного соотношения исходных веществ возможны два конечных результата.
1. Исходные вещества взяты в стехиометрическом соотношении, т.е. n(AgNO3) = n(KI).
В этом случае ионы Ag+ и I– присутствуют в равных количествах и поэтому принимают одинаковое участие в построении кристаллической решетки частиц осадка, встраиваясь в нее практически одновременно
При этом частицы дисперсной фазы на протяжении всего этапа своего роста будут оставаться электронейтральными, их размеры со временем превысят размеры коллоидных частиц (> 10–7 м). За счет действия силы тяжести и процесса агрегации (т.е. слипания частиц друг с другом) вещество дисперсной фазы в итоге выпадает в осадок и образования золя не произойдет.
2. Для получения золя в данном случае одно из исходных веществ необходимо взять в избытке. Оно будет играть роль стабилизатора и позволит ограничить, а затем и полностью прекратить увеличение размеров частиц дисперсной фазы, сохраняя их в пределах 10–9÷10–7 м. Рассмотрим механизм данного процесса более подробно. Для этого предположим, что в избытке взяли нитрат серебра (AgNO3).
Значит, концентрация ионов Ag+ в растворе будет больше, чем концентрация иодид-ионов (I–). Это приведет к тому, что в процессе роста ядра мицеллы достраивание его кристаллической решетки будет осуществляться в первую очередь за счет ионов Ag+. Они, прочно входя в структуру ионной решетки, станут накапливаться на поверхности частицы (агрегата), сообщая ей положительный электрический заряд
Ионы I– при этом всегда будут запаздывать, т.к. их содержание в растворе гораздо меньше, по сравнению с ионами Ag+.
Вокруг заряженной частицы возникнет электрическое поле, количественно характеризующееся так называемым электротермодинамическим или поверхностнымпотенциалом (сокращенно – Е-потенциалом).
Величина Е-потенциала прямо пропорциональна заряду частицы, который, в свою очередь, определяется числом избыточных ионов Ag+, расположенных на поверхности агрегата или ядра. В связи с этим, ионы Ag+ называются иначе потенциалопределяющими ионами.
Согласно правилу Панетта-Фаянса, в роли потенциалопределяющих ионов при образовании коллоидной частицы в первую очередь выступают те ионы, которые входят в состав ее кристаллической решетки или имеют с ними общую группу атомов (например, ионы НСО3– при образовании кристалла СаСО3) и присутствуют в избыточном количестве.
Величина поверхностного потенциала у многих коллоидных частиц достигает 1 В. Частицы с таким относительно большим зарядом будут активно притягивать к себе из раствора противоположно заряженные ионы (называемые поэтому противоионами).
В нашем случае это будут преимущественно NО3–-ионы, т.к. их в растворе, наряду с ионами Ag+, содержится избыточное количество. Но эти ионы, в отличие от ионов I–, не могут встраиваться в кристаллическую решетку частиц осадка. В связи с этим, часть из них прочно и неподвижно закрепится на поверхности ядра за счет действия электростатических и адсорбционных сил, образуя с потенциалопределяющими ионами адсорбционный слой мицеллы. Другая часть, связанная с ядром только кулоновскими силами, под влиянием теплового движения десорбируется с поверхности частицы и расположится в прилегающей к ней жидкой фазе, образуя так называемый диффузный слой. Диффузный слой размыт, не имеет четких границ, и концентрация противоионов в нем уменьшается по мере удаления от поверхности частицы (рис. 59).
Рис. 59. Схема постепенного образования мицеллы гидрозоля АgI:
а – ультрамикрокристалл АgI; б – достраивание микрокристалла ядра за счет избирательной адсорбции из раствора ионов Аg+ (стадия образования адсорбционного слоя); в–образование гранулы (завершение образования адсорбционного слоя); г – образование мицеллы и диффузного слоя