Sistemele coloide sunt extrem de importante în viața oricărei persoane. Acest lucru se datorează nu numai faptului că aproape toate fluidele biologice dintr-un organism viu formează coloizi. Dar multe fenomene naturale (ceață, smog), solul, mineralele, alimentele, medicamentele sunt și sisteme coloidale.
Unitatea de astfel de formațiuni, care reflectă compoziția și proprietățile lor specifice, este considerată a fi o macromoleculă sau micelă. Structura acestuia din urmă depinde de o serie de factori, dar este întotdeauna o particulă multistrat. Teoria cinetică moleculară modernă consideră soluțiile coloidale ca un caz special de soluții adevărate, cu particule mai mari de substanță dizolvată.
Metode de obținere a soluțiilor coloidale
Structura unei micele formate la apariția unui sistem coloidal, depinde parțial de mecanismul acestui proces. Metodele de obținere a coloizilor sunt împărțite în două grupe fundamental diferite.
Metodele de dispersie sunt asociate cu măcinarea particulelor destul de mari. În funcție de mecanismul acestui proces, se disting următoarele metode.
- Rafinare. Se poate face uscat saumod umed. În primul caz, solidul este mai întâi zdrobit și abia apoi se adaugă lichidul. În al doilea caz, substanța este amestecată cu un lichid și numai după aceea este transformată într-un amestec omogen. Măcinarea se realizează în mori speciale.
- Umflare. Măcinarea se realizează datorită faptului că particulele de solvent pătrund în faza dispersată, care este însoțită de expansiunea particulelor sale până la separare.
- Dispersie prin ultrasunete. Materialul care urmează să fie măcinat este plasat într-un lichid și sonicat.
- Dispersia șocurilor electrice. Solicitate în producția de soluri metalice. Se realizează prin plasarea electrozilor dintr-un metal dispersabil într-un lichid, urmată de aplicarea unei tensiuni în alte. Ca rezultat, se formează un arc voltaic în care metalul este pulverizat și apoi se condensează într-o soluție.
Aceste metode sunt potrivite atât pentru particulele coloidale liofile, cât și pentru cele liofobe. Structura micelară se realizează simultan cu distrugerea structurii originale a solidului.
Metode de condensare
Al doilea grup de metode bazate pe mărirea particulelor se numește condensare. Acest proces se poate baza pe fenomene fizice sau chimice. Metodele de condensare fizică includ următoarele.
- Înlocuirea solventului. Se rezumă la transferul unei substanțe dintr-un solvent, în care se dizolvă foarte bine, în altul, în care solubilitatea este mult mai mică. Ca rezultat, particule micise va combina în agregate mai mari și va apărea o soluție coloidală.
- Condens de vapori. Un exemplu este ceața, ale căror particule sunt capabile să se așeze pe suprafețe reci și să crească treptat.
Metodele de condensare chimică includ unele reacții chimice însoțite de precipitarea unei structuri complexe:
- Schimb de ioni: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Procese redox: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hidroliza: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Condiții pentru condensarea chimică
Structura micelilor formate în timpul acestor reacții chimice depinde de excesul sau deficiența substanțelor implicate în acestea. De asemenea, pentru apariția soluțiilor coloidale, este necesar să se respecte o serie de condiții care împiedică precipitarea unui compus puțin solubil:
- conținutul de substanțe în soluții amestecate ar trebui să fie scăzut;
- viteza lor de amestecare ar trebui să fie mică;
- una dintre soluții ar trebui luată în exces.
Structura micelă
Partea principală a unei micele este miezul. Este format dintr-un număr mare de atomi, ioni și molecule ale unui compus insolubil. De obicei, miezul este caracterizat de o structură cristalină. Suprafața nucleului are o rezervă de energie liberă, care face posibilă adsorbția selectivă a ionilor din mediu. Acest processe supune regulii Peskov, care spune: pe suprafața unui solid sunt adsorbiți predominant acei ioni care sunt capabili să-și completeze propria rețea cristalină. Acest lucru este posibil dacă acești ioni sunt înrudiți sau similari ca natură și formă (dimensiune).
În timpul adsorbției, pe miezul micelului se formează un strat de ioni încărcați pozitiv sau negativ, numiți ioni determinanți de potențial. Datorită forțelor electrostatice, agregatul încărcat rezultat atrage contraionii (ioni cu sarcina opusă) din soluție. Astfel, o particulă coloidală are o structură multistrat. Micela capătă un strat dielectric construit din două tipuri de ioni încărcați opus.
Hidrosol BaSO4
Ca exemplu, este convenabil să se ia în considerare structura unei micele de sulfat de bariu într-o soluție coloidală preparată într-un exces de clorură de bariu. Acest proces corespunde ecuației reacției:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Puțin solubil în apă, sulfatul de bariu formează un agregat microcristalin format din al-lea număr de molecule BaSO4. Suprafața acestui agregat absoarbe a n-a cantitate de ioni Ba2+. 2(n - x) Ionii Cl- sunt conectați la stratul de ioni care determină potențialul. Iar restul contraionilor (2x) este situat în stratul difuz. Adică, granula acestei micele va fi încărcată pozitiv.
Dacă sulfatul de sodiu este luat în exces, atunciionii care determină potențialul vor fi SO42- ioni, iar contraionii vor fi Na+. În acest caz, sarcina granulei va fi negativă.
Acest exemplu demonstrează clar că semnul încărcăturii unei granule micelare depinde direct de condițiile de preparare a acesteia.
Înregistrare micelii
Exemplul anterior a arătat că structura chimică a micelilor și formula care o reflectă sunt determinate de substanța care este luată în exces. Să luăm în considerare modalități de a scrie numele părților individuale ale unei particule coloidale folosind exemplul hidrosolului de sulfură de cupru. Pentru a o prepara, soluția de sulfură de sodiu este turnată încet într-o cantitate în exces de soluție de clorură de cupru:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
Structura unei micele CuS obținute în exces de CuCl2 se scrie după cum urmează:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Părți structurale ale unei particule coloidale
În paranteze pătrate scrieți formula unui compus puțin solubil, care stă la baza întregii particule. Se numește în mod obișnuit un agregat. De obicei, numărul de molecule care alcătuiesc agregatul se scrie cu litera latină m.
Ionii care determină potențialul sunt conținuti în exces în soluție. Ele sunt situate pe suprafața agregatului, iar în formulă sunt scrise imediat după paranteze drepte. Numărul acestor ioni este notat cu simbolul n. Numele acestor ioni indică faptul că sarcina lor determină sarcina granulei micelare.
O granulă este formată dintr-un miez și o partecontraionii din stratul de adsorbție. Valoarea sarcinii granulelor este egală cu suma sarcinilor contraionilor determinanți de potențial și adsorbiți: +(2n – x). Partea rămasă a contraionilor se află în stratul difuz și compensează încărcarea granulei.
Dacă Na2S a fost luat în exces, atunci pentru micela coloidală formată schema de structură ar arăta astfel:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Micelele de agenți tensioactivi
În cazul în care concentrația de substanțe active de suprafață (surfactanți) în apă este prea mare, se pot forma agregate ale moleculelor (sau ionilor) acestora. Aceste particule mărite au forma unei sfere și se numesc micelii Gartley-Rebinder. Trebuie remarcat faptul că nu toți agenții tensioactivi au această capacitate, ci doar cei în care raportul dintre părțile hidrofobe și hidrofile este optim. Acest raport se numește echilibru hidrofil-lipofil. Capacitatea grupurilor lor polare de a proteja miezul de hidrocarburi de apă joacă, de asemenea, un rol semnificativ.
Agregatele de molecule de surfactant se formează conform anumitor legi:
- spre deosebire de substanțele cu molecul scăzut, ale căror agregate pot include un număr diferit de molecule m, existența micelilor de surfactant este posibilă cu un număr strict definit de molecule;
- dacă pentru substanțele anorganice începutul micelizării este determinat de limita de solubilitate, atunci pentru agenții tensioactivi organici este determinat de atingerea concentrațiilor critice de micelizare;
- în primul rând, numărul de micelii din soluție crește, iar apoi dimensiunea acestora crește.
Efectul concentrării asupra formei micelului
Structura micelilor de surfactant este afectată de concentrația lor în soluție. La atingerea unora dintre valorile sale, particulele coloidale încep să interacționeze între ele. Acest lucru face ca forma lor să se schimbe după cum urmează:
- sfera se transformă într-un elipsoid și apoi într-un cilindru;
- concentrația mare de cilindri duce la formarea unei faze hexagonale;
- în unele cazuri, apar o fază lamelară și un cristal solid (particule de săpun).
Tipuri de micele
Se disting trei tipuri de sisteme coloidale în funcție de particularitățile organizării structurii interne: suspensoizi, coloizi micelari, coloizi moleculari.
Suspensoizii pot fi coloizi ireversibili, precum și coloizi liofobi. Această structură este tipică pentru soluțiile de metale, precum și pentru compușii acestora (diferiți oxizi și săruri). Structura fazei dispersate formată din suspensoizi nu diferă de structura unei substanțe compacte. Are o rețea cristalină moleculară sau ionică. Diferența față de suspensii este o dispersie mai mare. Ireversibilitatea se manifestă prin capacitatea soluțiilor lor după evaporare de a forma un precipitat uscat, care nu poate fi transformat în sol prin simplă dizolvare. Ele sunt numite liofobe din cauza interacțiunii slabe dintre faza dispersată și mediul de dispersie.
Coloizii micelari sunt soluții ale căror particule coloidale se formeazăla lipirea moleculelor difile care conțin grupări polare de atomi și radicali nepolari. Exemple sunt săpunurile și agenții tensioactivi. Moleculele din astfel de micelii sunt reținute de forțele de dispersie. Forma acestor coloizi poate fi nu numai sferică, ci și lamelară.
Coloizii moleculari sunt destul de stabili fără stabilizatori. Unitățile lor structurale sunt macromolecule individuale. Forma unei particule de coloid poate varia în funcție de proprietățile moleculei și de interacțiunile intramoleculare. Deci, o moleculă liniară poate forma o tijă sau o bobină.
