Колоїдні розчини: методи отримання та використання

Колоїдні розчини: методи отримання та використання

Багато людей, які не мають справу з хімією, чуючи словосполучення "колоїдні розчини", представляють щось на зразок гелю, в 'язкої суміші. Справа в тому, що спочатку така назва сталася від грецького слова, що в перекладі означає "клеевидні". При порушенні збалансованості системи золи дають осад, що нагадує студень.

Як правило, колоїдні розчини являють собою абсолютно прозору рідину. Залежно від складу, вона може бути безбарвною або пофарбованою. На перший погляд золи нічим не відрізняються від справжніх розчинів. Вивченням подібного роду субстанцій займається цілий розділ - колоїдна хімія.


Загальна характеристика

Будь-який розчин - це однофазна система, що включає два компоненти або більше. На відміну від нього, суспензія або емульсія менш стійкі. У рідких розчинах при зберіганні може випасти осад, якщо, наприклад, вони поміщені в негерметично закриту тару і відбувається випаровування рідини. В інших випадках це інертна система, де компоненти не вступають в реакцію один з одним, і тому вона може залишатися незмінною протягом тривалого часу.

Властивості колоїдних розчинів

Молекули речовини рівномірно розподіляються по всьому розчиннику, однак вони постійно здійснюють броунівський (коливальний) рух. Внаслідок цього відбувається повне перемішування компонентів системи. Властивості колоїдних розчинів в даному процесі трохи інші. Частинки такої системи називаються міцелами. Вони дифундують з одного шару рідини в інший повільніше (у 100 разів). Причиною низької швидкості є більший обсяг міцелл порівняно з молекулами справжніх розчинів.

Залежно від розміру частинок, їх кількості, колоїдні розчини відрізняються за в 'язкістю. Часто зустрічаються системи, що переходять у гелрідний стан при зниженні температури. Наявність занадто великих міцелл і перевищення межі розчинності призводить до помутнення.

Частинки колоїда, на відміну від молекул, мають більші розміри і тому здатні розсіювати світло. Таким чином, можна відрізнити ці розчини від справжніх. При проходженні через таку систему пучок світла буде видно.

Структура міцелл

Отримання колоїдних розчинів ґрунтується на утворенні міцелл, які повинні перебувати для збереження властивостей системи в стабільному стані. Частинка має складну структуру, складається з ядра, яке утворюється малорозчинною речовиною. Навколо нього розподіляється шар потенційних іонів. Зазвичай вони є такими ж, що і в малоростворимій речовині, розташованій в центрі міцелли (правило Панета-Фаянса). Такі іони визначають заряд ядра.

Наприклад, при взаємодії іодиду калію і нітрату срібла утворюються міцелли. Ядром таких частинок є іодид срібла (AgI). Якщо переважає другий компонент, то потенційновизначальними іонами будуть Ag +, якщо перший - I-. Наступним шаром є протиіони тієї речовини, яку було взято в надлишку. Вони утворюють дві зони. Перша розташована близько до поверхні ядра, входить до складу адсорбованого шару. Друга входить до складу дифузійного шару, складається з іонів, що вільно переміщаються поблизу поверхні.


Колоїдною частинкою називається ядро з адсорбованим шаром, який включає потенційні іони і протиіони. Ця освіта має заряд. Міцелла включає колоїдну частинку і дифузійний шар протиіонів і є нейтральною.

Як відбувається освіта міцелли

Будь-які методи отримання колоїдних розчинів засновані на взаємодії молекул важкорозчинного з 'єднання з електролітом. Наприклад, AgNO3 (нітрат срібла) з KI (іодидом калію). У результаті реакції виходить AgI і KNO3 (нітрат калію). Структуру міцелли можна зобразити схематично. Є 2 варіанти утворення колоїдних частинок з вищевказаних сполук:

  1. При надлишку AgNO3 - {n (AgI) mAg + (m-x) NO3¯} xNO3¯.
  2. При надлишку KI - {n (AgI) mI¯ (m-x) K +} xK +.

Спочатку вказується ядро, потім потенційно визначальні іони і протиіони адсорбованого і дифузійного шару. Електрокинетичний потенціал, який визначає заряд колоїдної частинки, позначається буквою "" x "". Він виникає в силу різниці поверхневої енергії ядра частинки з потенціаловизначальними іонами.

Стабільність

Колоїдні розчини здатні зберігатися в незмінному стані досить довго. Стабільність таких систем є наслідком однойменності зарядів міцелл, що призводить до їх відштовхування один від одного. Однак при занадто великих розмірах і високій концентрації частинки можуть стикатися і об 'єднуватися. Стійкість колоїдних розчинів - відносне поняття. Вони можуть зберігатися в незмінному стані досить довго.

Коагуляція колоїдних розчинів являє собою процес злипання міцелл один з одним. При стабільному стані системи дане явище відбувається повільно, що дозволяє їй зберігатися тривалий (до 100 років) час в однофазному стані. Таке явище отримало назву агрегативна нестійкість.

Швидкість коагуляції

Швидкість агрегації частинок і, як наслідок, поділу фаз залежить від багатьох факторів, у тому числі від розміру і концентрації міцелл, температури зберігання. До прискорення процесу коагуляції призводить додавання електроліту. Дане явище спостерігається в гідрофільних системах. Відомі методи уповільнення процесу агрегації частинок. Наприклад, змішання липофільного колоїда з гідрофільним. На втрату стабільного стану золей може вплинути нагрів або охолодження, механічний вплив.

Коагуляція колоїдних розчинів за допомогою електролітів

Існують певні закономірності впливу електролітів на колоїдний розчин. Так, для початку процесу потрібна певна концентрація останнього, не нижче певного рівня - поріг коагуляції. Електроліт - речовина, здатна проводити електричний струм в результаті дисоціації в розчині або розплаву на іони. На стан колоїдного розчину впливає іон, заряд якого протилежний такому у міцелли. Дія посилюється зі ступенем заряду (правило Шульце-Гарді).


Інший фактор, що визначає ступінь впливу іонів, - їх гідратованість. Частинки з однойменним зарядом надають різний рівень дії на процес коагуляції. При поділі колоїдного розчину іони, що викликали коагуляцію, присутні в осаді. При додаванні суміші електролітів її компоненти можуть послаблювати дію один одного (антагонізм) або, навпаки, посилювати (синергізм). Рідше спостерігається незалежний (аддитивний) вплив.

Способи отримання

Методи отримання колоїдних розчинів зводяться до двох. Одним з варіантів є диспергування (подрібнення) великих частинок до розмірів, що відповідають колоїдним. Такий процес можна здійснювати, наприклад, з використанням ультразвукових приладів (механічне подрібнення). Різновидом дисперсних методів є формування колоїдних частинок в результаті додавання електролітів, які адсорбуються на поверхні колоїдних ядер і переводять частинки в розчинений стан.

Протилежним дисперсійному методу є конденсаційний, що полягає в агрегації дрібних частинок у більш великі. Таке явище відбувається, наприклад, при заміні розчинника. Як можна досягти такого ефекту? Спостерігається різке зниження розчинності в силу зміни середовища. Далі речовина утворює колоїдну частинку. У її формуванні беруть участь молекули розчинника, з яким воно краще змішується. Такий ефект, наприклад, досягається при поступовому додаванні каніфолі, розчиненої в етанолі, до води.

Різного роду конденсаційні реакції, в тому числі описані вище, також відносяться до методів агрегації. Іншими прикладами може бути гідроліз солей металів, зокрема хлориду заліза (FeCl3), реакція нейтралізації в результаті взаємодії гідроксиду барію (Ba (OH) 2) із сірчаною кислотою (H2SO4).

Солюбілізація

Значення колоїдних розчинів у житті людини велике у зв 'язку зі здатністю поверхнево-активних речовин підвищувати розчинення гідрофобних сполук у воді. Таке явище отримало назву "" солюбілізація "". За своєю суттю цей процес представляє розчинення з 'єднань у міцелах. Завдяки цьому явищу порошки здатні видаляти забруднення з тканин, виходять стійкі емульсії вуглеводнів і барвників у воді.


Солюбілізація може проходити різними способами. Так, неполярні вуглеводні проникають в ядро міцелли, в той час як сполуки, що мають гідрофільну і гідрофобну частину (аміни, спирти), вбудовуються так, що перша знаходиться зовні, а друга йде вглиб колоїдної частинки. Існує також таке явище, як зворотна солюбілізація, що полягає в розчиненні води в маслах. У разі неіоногенних ПАВів виділяють ще один спосіб підвищення розчинності гідрофобних сполук - прикріплення до поверхні міцелли за допомогою хімічних зв 'язків (водневих зокрема).

Повсюдне поширення

Колоїдні розчини присутні незмінно всередині людини і навколо неї. До них належать кров, лімфа, які часто використовуються в різних будівельних та оздоблювальних роботах клеї та фарби. З колоїдних розчинів в результаті коагуляції та осадження отримують гелі. До таких можна, наприклад, віднести холодець, мармелад, агар-агар, желатин, каррагінани. Останні використовуються для поліпшення структури продуктів, зокрема паштетів. Скрізь в організмі людини присутні колоїдні розчини, збагачені білками.

Використання в медицині

У медицині колоїдні розчини застосовуються повсюдно. Ось кілька прикладів їх використання. Колоїдне срібло, що являє собою дрібні частинки металу, дисперговані у воді, застосовується при лікуванні опіків, виразкових хвороб шлунка і дванадцятипалої кишки, для промивання слизової носа в цілях запобігання поширення вірусних інфекцій.

Фармацевтична промисловість пропонує великий вибір колоїдних розчинів для різних цілей. Серед них зустрічають універсальні засоби, які можна застосовувати як такі, що ранозажують при опіках, геморе; протизапальні - при нежиті, ангіні, гаймориті; анальгетики - для зняття зубного болю і не тільки. До таких належить колоїдний розчин "Міленіум". До складу гелю входить алое, білок пшениці, женьшень, вітамін Е та інші корисні добавки. Багато фармацевтичних засобів для зовнішнього застосування насправді являють собою колоїдний розчин. Для суглобів, наприклад, використовується "Артро Комплекс", що містить такий корисний компонент, як акулій хрящ.

Застосування в побуті та промисловості

Колоїдні розчини складають основу миючих і чистячих ПАВів. Забруднення проникають всередину міцелли і таким чином видаляються з поверхні.


Інший важливий аспект застосування міцелоутворюючих ПАВів - виробництво полімерів, зокрема латексів, полівінілового спирту, клеїв рослинного походження. Різні пластмаси, шкірзамінники отримані на основі емульсії. ПАВи застосовуються також при очищенні стічних вод і питної води.

Переваги косметики на основі колоїдних розчинів полягають у проникненні діючих речовин через шкірні покриви людини і структуру волосся. Такі засоби ефективно використовуються проти старіння. До них належить, зокрема, гель "Міленіум Нео". Колоїдний розчин допомагає компонентам, які містяться в ньому, досягти глибоких шарів шкіри, минаючи епідерміс.