Поиск

Коллоиды
26.06.2015

Понятие

Широко известно явление, что одни тела легко получаются в кристаллической форме, другие же, наоборот, в кристаллическом виде пока неизвестны совсем и существуют только в форме тел так называемых аморфных, или коллоидных. Примером первых могут служить сахар, поваренная соль; примером других являются клей, желатина, белки и ряд других тел.
Основные различия свойств водных растворов тел кристаллических и коллоидных выражаются в следующем: 1) растворы кристаллоидов прозрачны, тогда как растворы коллоидов обычно в той или иной мере мутны; 2) раствор кристаллоида совершенно однороден; в коллоидном растворе, наоборот, с помощью микроскопа или ультрамикроскопа всегда можно установить наличие взвешенных твердых элементов; 3) кристаллоидный раствор фильтруется через любой фильтр без всяких изменений, коллоидный же раствор при подборе соответствующего фильтра всегда может быть разделен на твердую и жидкую составные части; А) кристаллоидные растворы диффундируют, коллоидные же способностью к диффузии не обладают; 5) кристаллоидные растворы при любом длительном стоянии не изменяют своей концентрации на разных уровнях от поверхности, они не расслаиваются, тогда как в коллоидном растворе происходит медленное, но неуклонное оседание твердых частичек и соответственно концентрация раствора становится различной в верхнем и нижнем слоях; б) при выпаривании кристаллоидного раствора происходит повышение концентрации, а затем выпадение кристаллов; в этот момент времени существует следовательно две фазы: твердая — кристалл и жидкая — раствор. Такого разделения на две фазы не происходит при выпаривании коллоидного раствора: здесь последовательное повышение концентрации приводит к превращению всего раствора в студнеобразную массу, которая постепенно и обычно с большим трудом отдает воду. Известно, с каким трудом усыхает например раствор клея или желатины.
Соответственно наличию существенных отличительных свойств коллоидных растворов к ним применяются и особые терминологические обозначения, а именно:
а) коллоид в жидком, растворенном, состоянии мы называем «золь», в состоянии же твердом или студнеобразном обозначаем как «гель»; б) коллоид может быть получен в различных растворителях, и соответственно этому мы называем гидрозолями и гидрогелями систему, состоящую из коллоида и воды, алкозолями и алкогелями — систему, состоящую ив коллоида и алкогеля, и т. д.; в) свойства коллоидной системы существенно зависят как от самого твердого вещества, так и от растворителя и потому к таким системам не применяют термин «раствор», а называют их вообще «дисперсной системой», в которой растворитель называется «дисперсной средой», а растворенное вещество — «дисперсной фазой». Часто дисперсные системы называют «псевдорастворами» в отличие от «истинных растворов» кристаллоидов.
На основании перечисленных здесь существенных различий Франческо Сельми в 1846 г., а затем Грэм в 1861 г. предложили различать два принципиально различных класса тел, именно класс коллоидов и класс кристаллоидов. Однако дальнейшие широкие исследования дали возможность получить некоторые из коллоидных веществ в кристаллической форме, а с другой стороны громадное количество типичных кристаллоидов получить в коллоидной форме. He только железо, алюминий, кремний, сера, золото, медь и т. д. издавна уже легко получаются в коллоидном состоянии, но даже такой кристаллоид, как поваренная Соль, оказывается, может дать коллоидный раствор в бензоле.
В настоящее время нельзя говорить о существовании различных классов тел, а признается наличие двух форм состояния тел, именно — состояния коллоидного и состояния кристаллоидного, причем, повидимому, все тела природы могут быть и в том и в другом состоянии при соответствующих подходящих условиях.
Различие коллоидного и кристаллоидного состояния тел состоит в степени раздробленности, или в степени дисперсности вещества. Очевидно, что степени раздробления могут изменяться непрерывно и бесконечно от отдельной молекулы и до частиц любой крупности. Однако этот непрерывный ряд условно разделяют на следующие три группы частиц:
Коллоиды

Только молекулярные растворы и представляют собой так называемые истинные, или кристаллоидные, растворы.
Соответственно фактической непрерывности изменения крупности частиц нужно ожидать непрерывности изменения и других свойств вещества. В ряде случаев это действительно так и есть. Tак например степень неоднородности раствора, его гетерогенность, непрерывно уменьшается по направлению от грубых дисперсий к молекулярным растворам. В таком же направлении изменяется очевидно скорость оседания частиц и ряд других свойств. В обратном направлении, в сторону увеличения от грубых дисперсий к молекулярным дисперсиям, изменяются такие свойства, как способность к диффузии, устойчивость раствора во времени и т. д. Однако оказывается, что имеет место большой ряд других свойств вещества, изменяющихся в этом ряду не по закону непрерывного убывания или возрастания, а совершенно иначе, и именно таким образом, что в наименьшей степени свойство выражено на обоих концах ряда, т. е. у грубых дисперсий и в молекулярных растворах, а наибольшей степени своего выражения оно достигает в середине, именно в области коллоидальных степеней раздробления. К таким свойствам относятся например способность к набуханию, коагуляция, адсорбционная способность и др.
Эти соотношения схематически представлены на чертеже 1.
Коллоиды

Наличие этого последнего закона изменения свойств вещества, выраженного на диаграмме линией С, и обязывает выделять коллоидные дисперсии в особую группу и самостоятельно изучать их особые специфические свойства.
Суммарная и удельная поверхность

Основным свойством коллоидных дисперсий является наличие у них громадной суммарной внешней и удельной поверхности. Увеличение поверхности единицы веса тела при его последовательном измельчении иллюстрируется следующей таблицей Оствальда(табл. 2):
Коллоиды

Удельной поверхностью (U) называют поверхность (S'), отнесенную к единице объема (v). Тогда для куба с длиной ребра α имеем:
Коллоиды

Свободная поверхностная энергия

Значение величины поверхности тела заключается в том, что всякая частица, находясь в плоскости раздела двух фаз, например жидкой и газообразной или твердой и жидкой, всегда обладает некоторым запасом так называемой «свободной поверхностной энергии». Это положение можно иллюстрировать следующей диаграммой П.А. Ребиндера (черт. 2).
На этой диаграмме показана вода (жидкая фаза), над поверхностью которой находится насыщенный пар (газообразная фаза). Каждая молекула, находящаяся внутри жидкости, испытывает на себе действие соседних молекул в равной степени со всех сторон, и потому молекулярные силы этой молекулы оказываются все насыщенными. Если мы представим себе теперь ту же молекулу, но расположенную на самой поверхности воды, то очевидно, что молекулярные силы притяжения, действующие на эту молекулу, со стороны воды (вниз) и со стороны пара (вверх) не равны: так как молекулы пара находятся в чрезвычайно рассеянном состоянии, то действие их будет значительно меньшим. Соответственно этому молекулярные силы рассматриваемой нами частицы води в нижней части как бы вполне насыщены, тогда как в верхней части не насыщены, и следовательно молекула в целом будет обладать некоторым запасом «свободной» поверхностной энергии. Эта свободная энергия определяет собой так называемое поверхностное натяжение жидкостей, что в свою очередь обусловливает собственную форму их. Так например капля воды при соответствующих условиях приобретает, как известно, форму шара, форму, обладающую наименьшей удельной поверхностью и, следовательно, наименьшей поверхностной энергией. Таковы мелкие капли дождя, росы и пр.
Коллоиды

Стремление получить форму с наименьшей поверхностью есть выражение общего закона, заключающегося в том, что при всяком изотермическом процессе свободная энергия уменьшается, приближаясь к минимуму.
Каждая коллоидальная система представлена двумя фазами — твердой и жидкой. Соответственно этому на поверхности раздела этих двух фаз, т. е. на поверхности коллоидных частиц, всегда имеется некоторый запас свободной энергии.
Величина свободной энергии поверхности для каждого коллоида зависит от характера дисперсионной среды, в которой распределена твердая фаза (например вода, спирт и пр.), и от степени дисперсности этой твердой фазы: очевидно, что чем больше дисперсность, тем больше и запас свободной поверхностной энергии.
Адсорбция

Явление адсорбции состоит в следующем: если мы в коллоидную двухфазную систему введем какое-либо третье вещество, например раствор соли, то оказывается, что эта соль распределится в дисперсионной среде неравномерно, именно у поверхности твердых частиц концентрация соли будет иной, чем в остальной жидкости. Эта способность твердой фазы изменять концентрацию вещества (соли) у своей поверхности и носит название адсорбции. Различают адсорбцию положительную и отрицательную. Если концентрация соли на поверхности раздела увеличивается, это будет адсорбция положительная. Так проявляет себя большинство органических веществ, растворенных в воде.
Если концентрация соли на поверхности частицы уменьшается (а в окружающей жидкости следовательно соответственно увеличивается), то адсорбция будет называться отрицательной. Отрицательная адсорбция присуща большинству обычных минеральных солей. Почвенно-грунтовая масса в целом отрицательно адсорбирует обычные минеральные солевые растворы, приходящие с ней в соприкосновение.
Набухание

Явление набухания состоит в том, что твердое вещество, будучи приведено в соприкосновение с растворителем, энергично его поглощает, увеличивается в объеме и превращается в гель.
Явление набухания не есть простой процесс пропитывания сухого вещества растворителем, а представляет собой более сложный процесс. Так оказывается, что объем полученного геля всегда меньше суммы объемов сухого вещества и поглощенного объема растворителя, следовательно здесь имеет место как бы уплотнение растворителя.
При набухании происходит выделение тепла. Эта теплота набухания определяется как количество тепла в калориях, выделяющееся на 1 г сухого набухающего тела при поглощении им некоторого количества граммов воды. Максимум тепла выделяется в первых стадиях набухания, а затем оно затухает.
Величина набухания зависит от степени дисперсации коллоида, характера растворителя, температуры и многих других причин.
Увеличение объема при набухании может создать громадные давления на окружающие препятствия. Так например разрывают камни, забивая в их трещины сухие деревянные клинья и затем поливая их водой.
Самый механизм набухания слагается, по Оствальду, из двух процессов: во-первых, осмотического поглощения жидкости, и, во-вторых, адсорбции жидкости набухающим телом. Так как слой адсорбированной жидкости находится под большим давлением, то именно с этим и связываются явления уменьшения суммарного объема набухшего тела и выделение теплоты.
Многие продукты выветривания обладают способностью к набуханию, и в частности весьма энергично набухают обыкновенные глины.
Последовательные многократные смены расширений грунта при набухании и сжатий его при высыхании вызывают многообразные деформации в толще почвогрунтов и в частности являются мощным фактором образования трещин и разнообразных форм структуры.
Коагуляция и пептизация

Как выше отмечалось, всякий золь в противоположность истинному раствору не является системой совершенно устойчивой. Под влиянием многообразных причин дисперсная фаза золя может претерпевать изменения в сторону уменьшения начальной степени дисперсности, укрупнения своих частиц. Самый механизм укрупнения заключается в образовании рыхлых агрегатов частиц, а не в увеличении массы самой частицы, наподобие например слияния отдельных капелек жидкости. Этот процесс укрупнения (агрегации) частиц и носит название коагуляции. Когда процесс укрупнения зашел так далеко, что наступает оседание частиц на дно сосуда, явление приобретает название седиментации (оседания).
Коагуляция осуществляется под влиянием многообразных факторов, из которых важнейшие следующие: действие электролитов (растворов солей), других коллоидов, прямого света, изменение температуры, изменение концентрации золя, период времени существования (возраст) золя. Явления коагуляции, возникающие самопроизвольно при длительном стоянии золя (при увеличении его возраста), носят название «старения» коллоида.
Коагуляция носит название «обратимой коагуляции», если степень дисперсности полностью восстанавливается при возврате системы к первоначальным условиям ее существования (например при удалении прибавленного избытка электролита), и «необратимой коагуляции», если такого восстановления не наступает; например золь кремнекислоты не восстанавливается после его высушивания. Процессы необратимой коагуляции являются мощным фактором цементации в почвогрунтах.
Ряд веществ, будучи прибавлены к золю, не только не вызывают сами коагуляции его, но и препятствуют ей при воздействии на золь коагулирующего фактора. Эти явления носят название «защиты» коллоидов. Особенно ярко защитное действие проявляют такие обратимые коллоиды, как желатина, гумми-арабик, ряд почвенных органических веществ (гумус) и др.
Однако кроме явлений «защиты» весьма широко развиты и имеют крупное значение в почвообразовании явления обратного порядка, именно взаимное осаждение коллоидов при их смешении. Как общее правило нужно принять, что взаимно коагулируют при смешении только золи, заряженные противоположно, что обеспечивает приближение смеси к изоэлектрической точке. В связи с этим здесь имеет место оригинальное явление так называемых «зон» коагуляции; оно выражается в том, что наибольшее осаждение наблюдается только при определенных, оптимальных отношениях двух золей, отклонение же от этого оптимума как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения концентрации одного из них уменьшает коагуляцию. При избытке одного из золей может наблюдаться полная перезарядка другого золя.
Оптимум коагуляции для смеси одних и тех же золей зависит от концентрации в дисперсионной среде водородных ионов (pH).
Для почвенных условий особенно большое значение имеют явления взаимного осаждения таких золей, как гидраты и окиси железа, алюминия, марганца, кремния. Конкретным выражением этих процессов считают между прочим ортштейн подзолистых почв.
Процесс, обратный коагуляции, т. е. процесс увеличения степени дисперсности данной системы, носит название пептизации. При пептизации подвижность золей увеличивается, что способствует их передвижению по профилю почвогрунтов.
Броуновское движение

При наблюдении воля в микроскопе оказывается, что частички коллоида находятся в постоянном беспорядочном движении. При этом амплитуда колебаний очень различна и для мелких частичек часто настолько велика, что они выскакивают из поля зрения микроскопа, тогда как более крупные частицы колеблются только около некоторого постоянного центра. Главнейшим признаком этого движения является полнейшая его независимость от каких бы то ни было внешних причин — механических, физических и химических. Этот вид движения, впервые открытый Brown’oм, к получил название броуновского.
Причину его в настоящее время усматривают в непрерывных и беспорядочных ударах молекул жидкости, которая окружает частицу коллоида. Это подчеркивает незначительность размеров и веса коллоидальных частиц, не могущих противостоять ударам движущихся молекул.
Электрический заряд коллоидальных частиц

Все коллоидальные частицы несут на себе электрический заряд. Присутствием этого заряда определяются многие существенные свойства золей. Так коллоидальные частицы переносятся под влиянием разности потенциалов к одному из полюсов в зависимости от знака заряда. Это явление переноса носит название катафореза, или электрофореза. Устойчивость золей есть следствие заряда частиц: будучи одноименно заряжены, частички отталкиваются друг от друга, не собираются в более крупные агрегаты и не оседают; лишение частичек их заряда вызывает коагуляцию золя и оседание образующихся хлопьев. Громадное большинство почвенных коллоидов несет на себе отрицательный заряд, и только некоторые из них (например золи железа) могут менять свой заряд на положительный при подходящих условиях.
Причина электрического заряда коллоидных частиц лежит в их химическом строении.
Химическое строение коллоидных частиц

Установить химическое строение коллоидных частиц — задача исключительно трудная. Поэтому все предложенные в настоящее время схемы химического строения коллоидных частиц носят пока условный характер. Однако самый тип строения может считаться достаточно установленным.
Например коллоидное железо может быть представлено в такой форме:
Коллоиды

Частичка, имеющая такое строение, в целом носит название мицеллы, или сгустка. Она состоит из двух частей: первая — х(Fe(OH)3+nН2O) — представляет собой инертный, не диссоциированный гидрат железа, причем коэфaициенты х и n могут быть произвольными по величине; вторая часть — yFe+++)+y3Cl- — представляет собой обычное треххлористое железо, диссоциированное на ионы, катион Fe+++ и анион Cl-. Эти ионы несут, как обычно, электрические заряды, один из которых сообщается всей мицелле коллоида. Эта ионизированная часть мицеллы способна ко всем обычным химическим реакциям, протекающим по общему закону эквивалентных отношений. Это следовательно и есть активная часть коллоидной частицы.
Коэффициент х (коэффициент ядра) обычно во много десятков и сотен рае превышает по величине коэффициент у (коэффициент ионизированной части) и по абсолютному значению всегда велик. Соответственно этому молекулярный вес мицеллы выражается цифрами порядка 30 000 и 50 000, тогда как молекулярные веса даже наиболее сложных кристаллоидных частиц обычно не превышают величин в несколько сотен единиц.
Вышеприведенный состав мицеллы коллоидного железа состоит на двух разнородных соединений, именно гидрата железа и хлорного железа. Этот тип строения носит название гетерогенных (не однородных) коллоидов. Другие мицеллы могут быть составлены в обеих слоях частях из одних и тех же элементов. Примером является золь кремнекислоты такого состава:
Коллоиды

Этот тип строения носит название гомогенных (однородных) коллоидов.
Почва как дисперсионная система

Коллоиды почвы весьма многообразны и из них главнейшими являются следующие: органические вещества (гумус), окиси и гидраты железа и алюминия (R2O3), марганца, окись кремния (SiO2) и некоторая часть глин.
Возникновение коллоидов в почве может осуществляться двумя путями, а именно дисперсионным (т. е. путем распыления) и конденсационным (т. е. путем укрупнения). В применении к условиям почвообразования процессы выветривания являются процессом дисперсации пород, при котором возникают при подходящих условиях как простые по химическому составу коллоиды (окиси и гидраты), так и более сложные в виде остатков и промежуточных продуктов выветривания. С другой стороны, возникшие таким образом коллоидные элементы, соприкасаясь между собой, могут образовать вторичные, синтетические, системы, или коагели почвы. Здесь мы имеем следовательно конденсационный путь образования коллоидов.
Общее количество коллоидов в почве по весу невелико, однако они-to и являются важнейшей составной частью ее, наиболее активной, наиболее способной ко всякого рода превращениям и реакциям. Поэтому от количества и качества коллоидов существенным образом зависят многие главнейшие свойства почвогрунтов, физические, химические и биологические. В настоящее время эту коллоидную часть почвы в целом (органическую и минеральную) называют поглощающим комплексом.
Принимают, что большая часть поглощающего комплекса почв представляет собой синтетические коагели.
Кроме коллоидной части всякий почвогрунт всегда содержит и себе и более грубые степени измельчения твердых тел и, с другой стороны, молекулярные дисперсии. Соответственно этому всякая почва может рассматриваться как трехфазная система, состоящая из грубых дисперсий, коллоидов и молекулярных растворов.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent
Введите два слова, показанных на изображении: *