О.С.ЗАЙЦЕВ

УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31, 32, 35, 36, 37, 39, 41, 42, 43, 44, 46, 47/2003;
1, 2, 3, 4, 5, 7, 11, 13, 14, 16, 17, 20, 22, 24, 29, 30, 31, 34, 35, 39, 41, 42, 45/2004;
2, 3, 5, 8, 10, 16, 17/2005;
1, 2, 10, 12/2006

§ 8.4. Дисперсное (коллоидное)
состояние вещества

Организмы животных и растений, гидросфера, земная кора и недра, космическое пространство часто представляют собой вещества в раздробленном, или, как говорят, дисперсном, состоянии. Большинство веществ окружающего нас мира существует в виде дисперсных систем: почвы, ткани живых организмов, пищевые продукты и др. Химия дисперсного состояния довольно новая наука, но она почти не изучается ни в школе, ни в нехимических высших учебных заведениях, хотя эта научная область имеет не меньшее значение для нашей жизни, чем химия комплексных и органических соединений. Читая эту главу, постоянно думайте, когда и где вы встречаете описываемое явление в природе, быту или производстве, а также, как можно его использовать.

Дисперсные системы – это системы, в которых мелкие частицы вещества, или дисперсная фаза, распределены в однородной среде (жидкость, газ, кристалл), или дисперсионной фазе (рис. 8.25).

Рис. 8.25. Дисперсная система

Размер частиц дисперсной фазы характеризуется дисперсностью. В зависимости от нее дисперсные системы можно разделить на высокодисперсные, или собственно коллоидные, и низкодисперсные (грубодисперсные).

Размер частиц низкодисперсных систем составляет 10^–3 мм и больше. Размер частиц высокодисперсных систем лежит в интервале 10^–6–10^–4 мм (от 1 до 100 нм), что, как минимум, на порядок больше размера частиц в истинных растворах ( 10^–7 мм). Химия дисперсных систем изучает поведение вещества в сильно раздробленном, высокодисперсном состоянии, характеризующемся очень высоким отношением общей площади поверхности всех частиц к их общему объему или массе (степень дисперсности).

От названия коллоидных систем произошло название отдельной области химии – коллоидной. «Коллоидная химия» – традиционное название химии дисперсных систем и поверхностных явлений. Раньше коллоидами называли клееподобные вещества, теперь это высокодисперсные системы с сильно развитой поверхностью раздела фаз. Ниже мы будем использовать старые традиционные термины, понимая их современный смысл. Например, под выражением «коллоидный раствор» будем иметь в виду высокодисперсное состояние вещества в воде в качестве дисперсионной среды.

Важнейшая особенность дисперсного состояния вещества состоит в том, что энергия системы главным образом сосредоточена на поверхности раздела фаз. При диспергировании, или измельчении, вещества происходит значительное увеличение площади поверхности частиц (при постоянном суммарном их объеме). При этом энергия, затрачиваемая на измельчение и на преодоление сил притяжения между образующимися частицами, переходит в энергию поверхностного слоя – поверхностную энергию. Чем выше степень измельчения, тем больше поверхностная энергия. Поэтому область химии дисперсных систем (и коллоидных растворов) считают химией поверхностных явлений.

Коллоидные частицы настолько малы (содержат 10³–10⁹ атомов), что не задерживаются обычными фильтрами, не видны в обычный микроскоп, не оседают под действием силы тяжести. Их устойчивость со временем снижается, т.е. они подвержены «старению». Дисперсные системы термодинамически неустойчивы и стремятся к состоянию с наименьшей энергией, когда поверхностная энергия частиц становится минимальной. Это достигается за счет уменьшения общей площади поверхности при укрупнении частиц (что может также происходить при адсорбции на поверхности частиц других веществ).

Свойства вещества в раздробленном, или дисперсном, состоянии значительно отличаются от свойств того же вещества, находящегося в недисперсном состоянии, т.е. в виде куска твердого тела или некоторого объема жидкости.

Так, давление пара воды над плоской поверхностью при 20 °С равно 2333 Па, но над каплями воды радиусом 1 мм оно выше на 0,003 Па, а над каплями радиусом
0,01 мм – на 0,3 Па. Кристаллический гидрат оксида алюминия Al₂О₃•3Н₂О (или
Al(ОН)₃) начинает терять воду при 200 °С, а в очень мелкораздробленном состоянии – при 100 °С. Золото в соляной кислоте не растворяется, однако в высокодисперсном состоянии легко переходит в раствор. Растворимость СаSО₄ в воде составляет
4,9•10^–3 моль/л, но для частиц СаSО₄ размером 2•10^–4 см она повышается до
1,5•10^–3 моль/л.

В связи с тем, что поверхностная энергия маленькой частицы выше, чем более крупной, термодинамические свойства их различны. Так, растворимость мельчайших кристалликов выше, чем больших, и происходит перенос вещества из высокодисперсной фазы в менее дисперсную, т.е. крупные кристаллы растут за счет растворения мелких. В этом самопроизвольном процессе
G < 0.

Давление пара над маленькой каплей выше, чем над большой, и большие капли вырастают за счет испарения маленьких (рис. 8.26). Поэтому в облаках образуются капли дождя, точно так же растут снежинки.

Рис. 8.26. Схема переноса вещества из высокодисперсного состояния в низкодисперсное

Вещество в дисперсном состоянии стремится поглотить другие вещества. Растворимость газов в каплях выше, чем в жидкости большого объема. Из-за того, что растворимость кислорода в капле воды высока, коррозия железа проходит даже без примесей в железе других веществ (рис. 8.27). Под каплей воды на поверхности железа коррозия проявляется в первую очередь у краев капли, где растворимость кислорода больше.

Рис. 8.27. Схема коррозии железа под маленькой каплей воды

Существует несколько различных классификаций дисперсных систем: по размеру частиц, по фазовому состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по характеру взаимодействия частиц дисперсной фазы с веществом дисперсионной среды, по термодинамической и кинетической устойчивости дисперсных систем и т.п.

Классификация дисперсных систем по фазовому состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды приведена в таблице.

Таблица

Классификация дисперсных систем

Большая поверхность раздела фаз вызывает сильное взаимодействие частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой, которое приводит к тому, что частицы дисперсной фазы окружаются молекулами и ионами дисперсионной среды (растворителя) или же приобретают довольно значительный электрический заряд.

Любые два вещества на поверхности соприкосновения обязательно взаимодействуют. Это могут быть химическая реакция, взаимодействие, обусловленное проникновением одного вещества в другое и останавливающееся при достижении некоторого равновесного состояния, образование оболочки одного вещества вокруг частицы другого и многое другое. Дисперсная фаза и дисперсионная среда также взаимодействуют, но степень взаимодействия может быть различной.

По силе взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой коллоидные системы разделяют на лиофильные (от греч. – растворяю, – люблю) и лиофобные (от греч. – страх). Эти названия указывают на то, что в лиофильных коллоидных системах взаимодействие частиц с веществом дисперсионной среды сильнее, чем в лиофобных.

Лиофильные дисперсные системы характеризуются сильным притяжением молекул дисперсионной среды к частицам дисперсной фазы. Вокруг частиц самопроизвольно образуются плотные и сравнительно устойчивые сольватные оболочки. При взаимодействии с молекулами воды говорят о гидрофильности дисперсной фазы и образовании гидратных оболочек. Если частицы распределены в маслоподобных органических веществах и окружены такими оболочками, говорят об олеофильности частиц. Лиофильные вещества (тела) растворяются в данной жидкости, набухают в ней или хорошо смачиваются.

В лиофильных коллоидах поверхность частиц сильно сольватирована и поверхностная энергия (поверхностное натяжение) на границе раздела фаз мала. Лиофильные коллоиды образуются в результате самопроизвольного диспергирования крупных частиц твердого вещества или капель жидкости на мельчайшие коллоидные частицы (или мицеллы). Лиофильные коллоиды термодинамически устойчивы и поэтому почти не разрушаются при постоянстве условий их образования.

Лиофильные системы самопроизвольно образуются в жидкостях без участия электролитов или поверхностно-активных веществ. Так, гидрофильные системы образуют желатин и крахмал, которые сначала набухают в воде и затем переходят в раствор (студень, кисель, крахмальный клей); альбумины, в том числе яичный белок, также растворяются в воде; натуральный каучук легко растворяется в бензине (резиновый клей). К лиофильным коллоидным системам относятся растворы обычного мыла в воде.

Важнейшая характеристика дисперсных систем – знак и величина заряда частиц. У частиц лиофильных коллоидов заряд или очень мал, или вообще отсутствует. Заряд на частице лиофильного коллоида изменяется очень легко при прибавлении небольших количеств электролитов. Изменение концентрации ионов водорода в растворе (рН) приводит к перезарядке частиц коллоидного раствора. В электрическом поле лиофильные коллоиды или не перемещаются, или перемещаются в любом направлении.

Слабое взаимодействие молекул дисперсионной среды с частицами дисперсной фазы приводит к образованию лиофобных систем. Если дисперсионной средой является вода, говорят о гидрофобности системы, если органические маслоподобные вещества – об ее олеофобности. Частицы лиофобных веществ (тела) не растворяются, плохо смачиваются и не набухают в веществе дисперсионной среды. Лиофобные системы с концентрацией дисперсной фазы выше 1% получить не удается, а лиофильные коллоидные системы могут быть очень концентрированными.

О лиофильности или лиофобности системы можно судить по количеству теплоты, выделяющейся при растворении, набухании и смачивании. У лиофильных систем теплота взаимодействия намного больше, чем у лиофобных.

На гладкой поверхности лиофильного вещества капля жидкости растекается, образуя тонкий слой (пленку), а на лиофобной поверхности капля не растекается, образуя линзу или сплющенный шар. Количественной мерой лиофобности может служить величина угла между поверхностями капли и смачиваемого тела (краевой угол, или угол смачивания).

Лиофобные коллоидные системы по вязкости близки к дисперсионной среде, лиофильные системы имеют более высокую вязкость.

Лиофильные коллоидные растворы рассеивают свет слабее лиофобных.

Типичные лиофобные вещества – оксиды или сульфиды элементов металлического характера.

Принципиальное различие лиофобных и лиофильных коллоидных систем состоит в их термодинамических свойствах. Лиофобные системы – гетерогенные, и в этом отношении их нельзя относить к истинным растворам. Лиофильные системы – однофазные, гомогенные, обладающие многими свойствами истинных растворов. Вследствие высокой поверхностной энергии лиофобные системы термодинамически и кинетически неустойчивы. Лиофильные системы термодинамически устойчивы.

При распаде лиофобных коллоидов происходит укрупнение коллоидных частиц, которое сопровождается уменьшением энергии системы. Способность противостоять укрупнению частиц (агрегативная устойчивость) у лиофобной системы имеет временный характер и часто обусловлена наличием веществ (стабилизаторов), адсорбирующихся на поверхности частиц и препятствующих их слипанию (или слиянию).

Грубодисперсные системы типа «твердое вещество–жидкость» со сравнительно крупными (больше 1•10^–3 мм) частицами называются суспензиями, или взвесями. Частицы суспензий не обнаруживают броуновского движения. Суспензии с плотностью больше, чем плотность дисперсионной среды, выпадают в осадок; если же их плотность меньше, частицы всплывают.

Мутность воды природных водоемов обусловлена как тонкодисперсными, так и грубодисперсными примесями (песчинки, глина, частицы разложения растительных и животных организмов). При нарушении донного осадка в море или океане возникают придонные суспензионные течения (мутьевые потоки), которые движутся со скоростью до 90 км/ч на сотни километров. Мутность присуща водным потокам с высокой скоростью течения.

При максимальной мутности природных вод концентрация частиц достигает 1 г/л. Мутность (или обратную ей величину – прозрачность) природной воды определяют, испаряя воду, высушивая сухой остаток при 105 °С и взвешивая его. Намного проще оценивать мутность высотой столба воды, через который просматривается на белой фарфоровой пластинке черный крест с толщиной линий 1 мм. В воде для хозяйственных целей крест должен просматриваться на глубине не менее 3 м.

Глина – тонкодисперсная осадочная горная порода, в составе которой 30–70% SiO₂, 10–40% Al₂O₃ и 5–10% H₂O. Размер частиц глины не превышает 0,01 мм (при более крупных частицах глины переходят в песок). Суспензия глины в воде под названием «глинистый раствор» используется как промывная жидкость при бурении и как смазочное средство для уменьшения трения при вращении труб в скважинах.

Крайне концентрированная суспензия глины образует с водой тесто, которому можно придать желаемую форму и после высушивания и обжига получить кирпич или другое изделие. Фарфор изготавливают из смеси порошков каолинита Аl₄[Si₄O₁₀](OH)₈, кварца SiO₂, полевого шпата (алюмосиликаты калия, натрия, кальция, бария). Порошок смешивают с водой до образования густой пластичной массы, которой придают желаемую форму, высушивают и обжигают.

Порошок цемента, полученный обжигом силикатов и алюминатов кальция, при смешении с водой через некоторое время затвердевает в прочное камнеподобное тело.

Кровь – важнейшая для жизни человека и многих животных суспензия эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов в физиологическом растворе (лимфе). Эритроциты – красные кровяные тельца – переносят кислород и углекислый газ, имеют диаметр
(7,2–7,5)•10^–2 мм, и в 1 мм³ крови их содержится 4,5–5 млн.

Поскольку размеры частиц относительно велики, суспензии кинетически неустойчивы, и при отстаивании частицы выпадают в осадок. Процесс выделения суспендированных частиц, происходящий под действием силы тяжести, называется седиментацией, или осаждением. В начале седиментации выпадают самые крупные частицы. Скорость осаждения частиц зависит от соотношения плотностей фаз, вязкости жидкой фазы, радиуса частиц, степени их гидрофильности, присутствия поверхностно-активных веществ и других факторов.

На гидрофильности или гидрофобности частиц основана флотация – разделение мелких частиц, обладающих различной смачиваемостью. При флотационном методе обогащения частицы несмачиваемых гидрофобных минералов собираются на поверхности, а частицы смачиваемых гидрофильных минералов обволакиваются пленкой жидкости и опускаются на дно. Несмачиваемые частицы снимаются с поверхности жидкости. Так происходит разделение руды на фракции
(рис. 8.28).

Рис. 8.28. Разделение частиц несмачиваемых и смачиваемых минералов

По размерам частиц промежуточное положение между суспензиями и истинными растворами занимают золи. Золи – высокодисперсные системы с частицами из твердого вещества, находящимися в броуновском движении. Чаще всего золями называют системы с жидкой дисперсионной средой. Золи – типичные коллоидные системы, которые наиболее ярко проявляют свойства, присущие веществу в высокодисперсном состоянии.

Методы исследования дисперсных систем (определение размера, формы и заряда частиц) основаны на изучении их особых свойств, обусловленных гетерогенностью и дисперсностью, в частности оптических. Коллоидные растворы обладают оптическими свойствами, отличающими их от настоящих растворов, – они поглощают и рассеивают проходящий через них свет. При боковом рассматривании дисперсной системы, через которую проходит узкий световой луч, внутри раствора на темном фоне виден светящийся голубоватый так называемый конус Тиндаля (рис. 8.29). То же самое происходит, когда мы замечаем в пыльной комнате светлую полосу солнечного света из окна. Это явление называется опалесценцией.

Рис. 8.29. Эффект Тиндаля (опалесценция)

Рассеяние света возможно, если размер коллоидной частицы меньше длины волны проходящего света и показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды различны. Размеры коллоидных частиц меньше длин волн видимой части спектра (примерно 0,1–0,2 длины волны света), и поглощенная световая энергия вновь испускается частицами в различных направлениях, что проявляется в рассеивании света. Интенсивность светорассеяния резко увеличивается с уменьшением длины световой волны.

Конус Тиндаля тем ярче, чем выше концентрация и больше размер частиц. Интенсивность светорассеяния усиливается при коротковолновом излучении и при значительном отличии показателей преломления дисперсной и дисперсионной фаз. С уменьшением диаметра частиц максимум поглощения смещается в коротковолновую часть спектра, и высокодисперсные системы рассеивают более короткие световые волны и поэтому имеют голубоватую окраску. На спектрах рассеяния света основаны методы определения размера и формы частиц.

Размеры частиц золей обычно равны 10^–3–10^–5 мм, что позволяет им участвовать в броуновском движении – непрерывном беспорядочном перемещении мельчайших частиц в жидкости или газе (рис. 8.30).

Рис. 8.30. Броуновское движение частицы

Броуновское движение можно наблюдать при помощи микроскопа. Частица перемещается из-за различного числа одновременных ударов неодинаковой силы молекулами дисперсионной среды (рис. 8.31).

Рис. 8.31. Перемещение частицы в дисперсионной среде

Частицы дисперсных систем имеют различные размеры, и их распределение по размерам описывается кривыми, похожими на кривые распределения молекул газа по энергиям и скоростям. Распределение частиц дисперсной фазы по размерам показано на рис. 8.32.

Рис. 8.32. Кривая распределения частиц дисперсной фазы по размерам и ее построение

Кривая этого распределения строится следующим образом. На оси абсцисс откладывают размер частиц а, на оси ординат – долю частиц q/a, имеющих данный размер а. Интервал возможных размеров частиц делят на несколько равных диапазонов, a, и определяют число частиц, имеющих размер, попадающий в данный диапазон. Для каждого диапазона строят прямоугольники с основанием a и высотой q/a. Далее соединяют середины верхних сторон прямоугольников и получают кривую распределения частиц по размерам.

Площадь прямоугольника равна доле частиц, размеры которых лежат в диапазоне a, вся площадь под кривой распределения равна единице. Чем меньше диапазон a, тем точнее кривая отражает распределение частиц по размерам. Подобного типа кривые могут быть симметричными, несимметричными (как на рис. 8.32) и даже с несколькими максимумами.

Броуновское движение препятствует седиментации (оседанию) частиц под действием силы тяжести и является одной из причин устойчивости дисперсных систем. Благодаря броуновскому движению частицы в зависимости от их массы (и плотности) распределяются в поле тяготения по высоте
(рис. 8.33). Такое распределение частиц называется седиментационным равновесием. Оно обнаруживается в жидких и воздушных средах. Внизу сосуда с жидкостью или водоема скапливаются частицы с большей массой.

Рис. 8.33. Седиментационное равновесие

После выведения системы из седиментационного равновесия перемешиванием через некоторое время она снова возвратится в исходное состояние. Скорость установления седиментационного равновесия невысока, и оно может наступить через несколько дней, но затем будет сохраняться, пока не произойдет разрушения золя.

Если после установления седиментационного равновесия в химическом стакане (или водоеме) отбирать жидкость из тонкого слоя раствора между расстояниями h₂ и h₁ от дна (или от поверхности), то можно судить о числе и плотности частиц в различных слоях дисперсионной среды и выделить частицы с близкими размерами или плотностями.