Методи одержання дисперсних систем
Дисперсні системи одержують двома методами: шляхом подрібнення речовин – методами диспергування або шляхом об'єднання молекул та іонів у часточки колоїдного ступеню дисперсності – методами конденсації.
Механічне диспергування полягає в розмелюванні речовини, що буде утворювати дисперсну фазу системи. Для цього застосовують млини різних типів. Електричне диспергування застосовують для добування ліофобних золів металів. Електроди з металу, золь якого мають добути, занурюють у рідину і подають на них напругу. Виникає "вольтова дуга", в зоні дії якої від електродів відриваються шматочки металу, які розподіляючись в рідкому середовищі утворюють золь. Ультразвукове диспергування – метод руйнування неміцних речовин типу крохмалю, або желатини. Механізм дії ультразвуку полягає в тому, що звукові хвилі створюють в об’ємі речовини порожнини, які почергово стикаючись і розширюючись призводять до подрібнення матеріалу.
Конденсаційні методи поділяються на фізичні і хімічні. До фізичних відносять методи конденсації пари і заміни розчинника. Метод конденсації пари призводить до утворення аерозолів, якщо під час зниження температури тиск пари над рідиною стає вище її насиченого тиску. При цьому в газовій фазі виникає нова фаза – туман. Методом заміни розчинника утворюють ліозолі шляхом додання до розчину іншого розчинника, в якому розчинена речовина погано розчиняється. Метод хімічної конденсації зводиться до утворення під час перебігу хімічних реакцій малорозчинних речовин, молекули яких злипаються між собою, утворюючи колоїдні часточки.
Таблиця 18.1 – Класифікація дисперсних систем
| Дисперсна фаза | Дисперсійне середовище | Назва системи | Приклади |
| Г | Г | Гомогенна | Суміш газів, повітря |
| Г | Р | Рідка піна | Мильна або пивна піна |
| Газова емульсія | Газовані напої | ||
| Г | Т | Тверда піна | Зефір, пемза, хліб |
| Р | Г | Аерозоль | Туман, хмари |
| Р | Р | Емульсія | Молоко, м’ясний бульйон |
| Р | Т | Тверда емульсія | Бісквіт, вологий ґрунт |
| Т | Г | Аерозоль | Дим або пил у повітрі |
| Т | Р | Суспензія, золь | Пісок або мул у воді |
| Т | Т | Твердий золь | Сплави металів, емалі |
18.2 Методи очистки золів
Золі часто містять небажані низькомолекулярні домішки, які призводить до їх руйнації. Існують такі методи очистки золів від домішок.
Діаліз – процес очищення золів від низькомолекулярних сполук за допомогою напівпроникних мембран, крізь які вільно проходять молекули та іони, але затримуються більші за розміром часточки дисперсної фази. Електродіаліз – процес очистки золів від електролітів. Електродіалізатор складається з трьох частин: двох бічних і однієї середньої, якi відокремлюють мембранами. У бічних частинах розміщені електроди і циркулює вода. Золь розміщують в середній частині, де знаходиться мішалка. Під час проходження електричного струму іони, від яких очищують золь, переміщуються до відповідних електродів, проходять через мембрану і виносяться водою. Ультрафільтрація – процес поділу дисперсних систем на окремі фази. Мембрани при цьому закріплюють на твердій поруватій підкладці в ультрафільтрах. Під фільтром створюють розрідження або діють тиском на золь. Тому мембрани повинні бути міцними та інертними до компонентів золю.
18.3 Молекулярно-кінетичні властивості золів
Броунівський рух являє собою хаотичний рух часточок дисперсної фази під дією ударів молекул середовища. Він властивий будь-яким часточкам: чим вони менші, тим він інтенсивніший. Теорію броунівського руху розробили Ейнштейн і Смолуховський, які встановили, що точний шлях переміщення часточки в золях встановити неможливо: за 1 с часточка змінює напрям свого руху до 1012 разів. Замість швидкості руху часточки автори застосували поняття "зсув часточки" – відрізок прямої, що з’єднує вихідну точку руху часточки з її положенням у момент часу t (через 1...3 с) на площині горизонтальної проекції. На рис. 18.1. показана діаграма броунівського руху колоїдних часточок.
Рисунок 18.1 – Діаграма броунівського руху
Для часточок сферичної форми їх середній зсув розраховують за рівнянням Ейнштейна-Смолуховського:
, (18.1)
де h – в’язкість дисперсійного середовища; r – радіус часточок; Nа – число Авогадро; R – універсальна газова стала; Т – температура.
Дифузія в золях– це самочинний процес вирівнювання концентрації часточок золю внаслідок їх броунівського руху. Рівняння, що зв’язує середній зсув часточок і швидкість їх дифузії, має такий вигляд: 
.
Швидкість дифузії – це величина обернено пропорційна розмірам часточок. У золях інтенсивність дифузії в тисячі разів менша, ніж у розчинах. У розчинах коефіцієнти дифузії – D мають значення ~10–6, в золях ~10–8 см2/с.
18.4 Оптичні властивості дисперсних систем
Під час проходження світла через дисперсні системи спостерігається розсіювання світла – зміна променями світла свого початкового напрямку внаслідок огинання часточок дисперсної фази. Дослідив явище розсіювання світла Тиндаль, який спостерігав появу в золях молочно-білого світлового конусу, що з'являється під час пропускання через них промінів світла. Інтенсивність розсіяного світла – І визначають за рівнянням Релея:
, (18.2)
де І0 – інтенсивність падаючого світла; К – коефіцієнт, який залежить від співвідношення показників заломлення фази і середовища; V – середній об'єм часточок; n – концентрація часточок у золі; l – довжина хвилі падаючого світла.
Найсильніше розсіюються короткі хвилі, тому розсіяне світло завжди блакитного кольору. З розсіюванням світла пов'язане явище опалесценції золів – появи каламутності та зміні забарвлення золів у відбитому світлі.
Лекція № 19. Будова ліофобних золів
План лекції
1. Електрокінетичні явища. Електрофорез і електроосмос.
2. Будова міцел ліофобних золів.
3. Подвійний електричний шар на поверхні часточок.
4. Електрокінетичний потенціал.
Рекомендована література: [1] С.107-110, [2] С.89-91, [3] С.507-512, [4] С.118-121, [5] С.59-60.
19.1 Електрокінетичні явища
Наявність електричних зарядів у часточок дисперсної фази була доказана проф. Рейсом за допомогою простого досліду. У шматок сирої глини він помістив дві заповнені водою скляні трубки, насипав туди пісок і встановив електроди (рис.19.1). Під час пропускання електричного струму в анодній трубці почали підніматися піщинки, а в катодній – піднявся рівень води на висоту h. Рейс зробив висновок, що і часточки і пористі тіла накопичують на своїй поверхні електричні заряди за рахунок адсорбції іонів з дисперсійного середовища.
Рисунок 19.1 – Схема досліду Рейса: 1 – глина; 2, 3 скляні трубки; 4 – пісок.
На цей час відомі такі електрокінетичні явища.
Електрофорез – переміщення часточок золю в електричному полі. Електроосмос – перенос рідини крізь капілярно-поруваті тіла під дією електричного поля. Потенціал седиментації – виникнення різниці потенціалів між двома електродами, розташованими на різній висоті в золі під час осідання часточок. Потенціал течії – виникнення різниці потенціалів на електродах, розташованих на кінцях капіляру, або на протилежних сторонах пористої перегородки під час протікання через них рідини.
Електрокінетичні явища мають велике практичне значення. За допомогою електрофорезу поділяють на фракції та ідентифікують білки та інші ВМС, на метали наносять корозійно-захисні полімерні покриття. За допомогою електроосмосу зневоднюють вологі пористі маси і драглі.
19.2 Будова міцел ліофобних золів
Виникнення зарядів на часточках золю зумовлено вибірковою адсорбцією іонів на їх поверхні. Часточки дисперсної фази називають міцелами. Міцела – це складний агрегат молекул та іонів. Розглянемо будову міцели золю AgJ, одержаного реакцією між розбавленими розчинами AgNO3 та КJ. Рівняння реакції в іонній формі має такий вигляд:
Ag+ + NO3– + K+ + J– = AgJ + NO3– + K+.
Якщо один з реагентів, наприклад КJ, узято в надлишку, то він виконує роль стабілізатору золю. За таких умов тисячі молекул AgJ конденсуючись утворюють ядро міцели [mAgJ], де m – число молекул, що злиплися. На поверхні ядра адсорбується n іонів J–, оскільки вільні іони Ag+ у розчині після реакції відсутні. Іони J–, які щільно прилягають до ядра, називають потенціалвизначаючими. Ядро при цьому заряджається, і до нього з розчину притягаються протилежно заряджені іони K+, які утворюють адсорбційний шар протиіонів – (n–x)K+.
Ядро міцели і адсорбційний шар разом утворюють негативно заряджену гранулу: {[mAgJ]×nJ–×(n–x)К+}–x. Решта протиіонів – хK+ знаходиться на деякій відстані від поверхні гранули, утворюючи дифузійний шар протиіонів. Загалом міцела нейтральна, заряд несе на собі лише гранула. Одержана міцела має таку формулу:
{[mAgJ]×nJ–×(n–x)К+}–x×хК+.
Якщо добути золь AgJ за тією ж обмінною реакцією, але за наявності в розчині надлишку AgNO3, роль потенціалвизначаючих іонів виконують іони Ag+. Міцела золю в такому випадку має вигляд:
{[mAgJ]×nAg+×(n–x)NO3–}+x×хNO3–.
На рис. 19.2 зображені схеми обох міцел золю AgJ.
