Коллоидные растворы (что такое примеры)

Коллоидные растворы (коллоиды) это высокодисперсные гетеро-генные системы, в которых хотя бы одно вещество находится в коллоидном состоянии.

Дисперсные системы, промежуточные между истинными растворами и грубодисперсными системами — взвесями, в которых дискретные частицы, капли или пузырьки дисперсной фазы.

Существуют три вида:

1. Суспензоиды (или необратимые коллоиды, лиофобные коллоиды).
2. Ассоциативные, или мицеллярные.
3. Молекулярные коллоиды.

Что такое коллоидные растворы

Коллоидные растворы рассматривают особо, потому что их свойства существенно отличаются от свойств истинных растворов и грубодисперсных систем.

Примерами коллоидного раствора могут служить растворы белка, клея, желатины и пр.

Если в темном помещении пропустить через коллоидной раствор узкий пучок света и наблюдать за ним сбоку, то в растворе очень хорошо будет заметен путь световых лучей (рис. 2).

Если пропускать такой же пучок световых лучей через истинный раствор, то путь света не будет заметен, так как коллоидные частицы достаточно велики, чтобы рассеивать свет, а частицы молекулярных растворов слишком малы для этого.

Это явление, характерна для коллоидных растворов, называется явлением Тиндаля.

Суспензоиды

 Суспензоиды (или необратимые коллоиды, лиофобные коллоиды) это коллоидные растворы металлов, их оксидов, гидроксидов, сульфидов и других солей.

Первичные частицы дисперсной фазы коллоидных растворов этих веществ по своей внутренней структуре не отличаются от структуры соответствующего компактного вещества и имеют молекулярную или ионную кристаллическую решетку.

Суспензоиды — типичные гетерогенные высокодисперсные системы, свойства которых определяются очень сильно развитой межфазной поверхностью.

От суспензий они отличаются более высокой дисперсностью.

Суспензоидами их назвали потому, что, как и суспензии, они не могут длительно существовать в отсутствие стабилизатора дисперсности.

Необратимыми их называют потому, что осадки, остающиеся при выпаривании таких коллоидных растворов, не образуют вновь золя при контакте с дисперсионной средой.

Лиофобные золи

Лиофобными (греч. «лиос»— жидкость, «фобио» — ненавижу) их назвали, предполагая, что особые свойства коллоидных растворов этого типа обусловлены очень слабым взаимодействием дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Концентрация лиофобных золей невелика, обычно меньше 0,1%. Вязкость таких золей незначительно отличается от вязкости дисперсионной среды.

Лиофобные золи, как вообще дисперсные системы, в соответствии с их промежуточным положением между миром молекул и крупных тел.

Получение

Могут быть получены двумя путями: методами диспергирования, т. е. измельчения крупных тел, и методами конденсации молекулярно- или ионно-растворенных веществ.

Измельчение путем дробления, помола, истирания дает сравнительно крупно дисперсное порошки (<60 мкм).

Более тонкого измельчения достигают с помощью специальных аппаратов, получивших название коллоидных мельниц или применяя ультразвук.

Метод конденсации состоит в получении нерастворимых соединений путем реакций обмена, гидролиза, восстановления, окисления.

Проводя эти реакции в сильно разбавленных растворах и в присутствии небольшого избытка одного из компонентов, получают не осадки, а коллоидные растворы.

К конденсационным методам относится также получение лиозолей путем замены растворителя.

Например, коллоидный раствор канифоли можно получить, выливая её спиртовой раствор в воду, в которой канифоль нерастворима.

Чем выше дисперсность, тем больше свободная поверхностная энергия, тем больше склонность к самопроизвольному уменьшению дисперсности.

Поэтому для получения устойчивых, т. е. длительно сохраняющихся суспензий, эмульсий, коллоидных растворов, необходимо не только достигнуть заданной дисперсности, но и создать условия для ее стабилизации.

Ввиду этого устойчивые дисперсные системы состоят не менее чем из трех компонентов:

1. дисперсионной среды,
2. дисперсной фазы,
3. стабилизатора дисперсной системы.

Стабилизатор может иметь как ионную, так и молекулярную, часто высокомолекулярную, природу.

Ионная стабилизация-золей лиофобных коллоидов связана с присутствием малых концентраций электролитов, создающих ионные пограничные слои между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Высокомолекулярные соединения (коллоиды)

Высокомолекулярные соединения (белки, полипептиды, поливиниловый спирт и другие), добавляемые для стабилизации дисперсных систем, называют защитными коллоидами.

Адсорбируясь на границе раздела фаз, они образуют в поверхностном слое сетчатые и гелеобразные структуры, создающие структурно-механический барьер, который препятствует объединению-частиц дисперсной фазы.

Структурно механическая стабилизация имеет решающее значение для стабилизации взвесей, паст, пен, концентрированных эмульсий.

Ассоциативные, мицеллярные коллоиды

Их называют также полуколлоидами.

Коллоидно дисперсные частицы этого типа возникают при достаточной концентрации дифильных молекул низкомолекулярных веществ путем их ассоциации в агрегаты молекул — мицеллы — сферической или пластинчатой формы:

Молекулярный, истинный раствор ⇄ Мицеллярный коллоидный раствор (золь)

Мицеллы представляют собой скопления правильно расположенных молекул, удерживаемых преимущественно дисперсионными силами.

Образование мицелл характерно для водных растворов моющих веществ (например, мыл — щелочных солей высших жирных кислот) и некоторых органических красителей с большими молекулами.

В других средах, например в этиловом спирте, эти вещества растворяются с образованием молекулярных растворов.

Молекулярные коллоиды

Молекулярные коллоиды это обратимые или лиофильные (от греч. «филио»— люблю) коллоидами.

К ним относятся природные и синтетические высокомолекулярные вещества с молекулярной массой от десяти тысяч до нескольких миллионов.

Молекулы этих веществ имеют размеры коллоидных частиц, поэтому такие молекулы называют макромолекулами.

Разбавленные растворы высокомолекулярных соединений — это истинные, гомогенные растворы, которые при предельном разведении подчиняются общим законам разбавленных растворов.

Растворы высокомолекулярных соединений могут быть приготовлены также с высоким содержанием по массе — до десяти и более процентов.

Однако мольная концентрация таких растворов мала из-за большой молекулярной массы растворённого вещества.

Так 16%-ный раствор вещества с молекулярной массой 100000 представляет собой лишь примерно 0,0011 М раствор.

Получение молекулярных коллоидов

Для получения растворов молекулярных коллоидов достаточно привести сухое вещество в контакт с подходящим растворителем.

Неполярные макромолекулы растворяются в углеводородах (например, каучуки — в бензоле), а полярные макромолекулы — в полярных растворителях (например, некоторые белки — в воде и водных растворах солей).

Вещества этого типа назвали обратимыми коллоидами потому, что после выпаривания их растворов и добавления новой порции растворителя сухой остаток вновь переходит в раствор.

Лиофильные коллоиды

Название лиофильные коллоиды возникло из предположения (как оказалось — ошибочного), что сильное взаимодействие со средой обусловливает их отличие от лиофобных коллоидов.

Растворение макромолекулярных коллоидов проходит через стадию набухания, являющуюся характерной качественной особенностью веществ этого типа.

При набухании молекулы растворителя проникают в твердый полимер и раздвигают макромолекулы.

Последние из-за своего большого размера медленно диффундируют в раствор, что внешне проявляется в увеличении объема полимера.

Набухание может быть неограниченным, когда конечным его результатом является переход полимера в раствор, и ограниченным, если набухание не доходит до растворения полимера.

Ограниченно набухают обычно полимеры с особой, «трехмерной» структурой, отличающейся тем, что атомы всего вещества соединены валентными связями.

Химическая модификация полимеров путем «сшивания» их макромолекул с целью уменьшения набухания полимера является важной стадией в производстве многих материалов (дубление сыромятной кожи, вулканизация каучука при превращении его в резину).

Растворы высокомолекулярных соединений имеют значительную вязкость, которая быстро возрастает с увеличением, концентрации растворов.

Повышение концентрации макромолекулярных растворов, добавки веществ, понижающих растворимость полимера, и часто понижение температуры приводят к застудневанию, т е. превращению сильно вязкого, но текучего раствора в сохраняющий форму твердообразный студень.

Растворы полимеров с сильно вытянутыми макромолекулами застудневают при небольшой концентрации раствора.

Так, желатин и агар-агар образуют студни и гели в 0,2—1,0% растворах. Высушенные Студни способны вновь набухать (существенное отличие от гелей).

Застудневание является важной стадией получения волокнистых материалов из растворов полимеров.

Свойства растворов высокомолекулярных соединений с повышением их концентрации все больше и больше отличаются от свойств растворов низкомолекулярных соединений.

Это происходит в результате взаимодействия друг с другом отдельных макромолекул, приводящего к образованию надмолекулярных структур, оказывающих большое влияние на качества изделий (волокон, пластмасс) из полимеров.

Высокомолекулярные соединения, как и любые другие вещества, при подходящих условиях могут быть получены в высокодисперсном — коллоидном состоянии.

Такие дисперсии полимеров в нерастворяющих их жидкостях, большей частью в воде, называют латексами.

Частицы дисперсной фазы латексов имеют близкую к сферической форму и размеры порядка 10—100 нм.

История названия

Термин «коллоиды», что означает «клееподобные» (от греч. «колла» — клей, «еидос» — вид), возник в 1861 г., когда шотландский химик Томас Грэм для разделения веществ применил диализ.

Метод диализа основан на неодинаковой способности компонентов растворов к диффузии через тонкие пленки — мембраны (из целлофана, пергамента, нитроцеллюлозы, ацетилцеллюлозы).

Этот метод широко применяют для очистки коллоидных растворов и растворов высокомолекулярных соединений.

Вещества, не проникающие через мембраны при диализе, Грэм назвал коллоидами, а вещества, способные к диализу, — кристаллоидами, так как при выпаривании их растворов образовывались кристаллические осадки.

Деление веществ на кристаллоиды и коллоиды оказалось ошибочным. П. П. Веймарн, доцент Петербургского горного института, получил ряд типичных «кристаллоидов» в коллоидном состоянии.

Тем самым доказав (1906 г.), что любое вещество при подходящих условиях может быть получено- в коллоидном состоянии.

В 30—40-х годах XX века была выяснена химическая природа первичных частиц обратимых (лиофильных) коллоидов, оказавшихся макромолекулами.

В связи с этим от коллоидной химии отделилась новая химическая-дисциплина — физическая химия высокомолекулярных соединений.

Пример как отличить коллоидный раствор от истинного

Отличить коллоидные растворы от истинного можно на следующем опыте. Если взять банку без дна, затянуть отверстие пергаментом, налить в нее раствор поваренной соли и опустить в сосуд с водой, то очень скоро вода в сосуде станет соленой.

Если же вместо раствора поваренной соли налить раствор белка, то в сосуде с водой белка не обнаружится .

Следовательно, коллоидный раствор белка не проникает через полупроницаемую перегородку. Этим свойством пользуются для очистки коллоидного раствора от примеси растворимых солей.

Описанный процесс называется диализом и осуществляется в диализа-торах.

■ 146. Как отделить коллоидный раствор от истинного?
147. Что такое явление Тиндаля и почему с его помощью можно отличить коллоидный раствор от истинных растворов и взвесей? (См. Ответ)

Коллоидные частицы, или, как их называют мицеллы, представляют собой либо отдельные крупные молекулы (например, молекулы белка, крахмала, либо группу молекул (например, мицеллы мыла или гидроокисей алюминия, железа).

Следует отметить, что большинство веществ может образовывать как коллоидные, так и истинные растворы в зависимости от растворителя. Например, мыло в воде дает коллоидный раствор, а в спирте истинный.

Мы уже говорили о том, что из суспензий дисперсная фаза может с течением времени выделиться, так как частицы ее достаточно крупные; эмульсии также более или менее легко расслаиваются.

Что касается коллоидных растворов, то они довольно устойчивы и могут храниться годами, но постепенно «стареют» и этим отличаются от истинных растворов, которые могут храниться бесконечно долго.

Устойчивость коллоидных частиц объясняется тем, что последние обладают свойством адсорбции.

Адсорбция

Адсорбция это процесс концентрации молекул иди ионов из окружающей среды на поверхности частиц вещества, находящегося в этой среде, а само вещество называется адсорбентом.

Поскольку в растворе всегда имеются ионы, коллоидные частицы адсорбируют их из раствора, причем коллоидные частицы обладают избирательным свойством.

Они адсорбируют либо положительные, либо отрицательные ионы. Вокруг заряженных коллоидных частиц группируются ионы с противоположным зарядом — противо-ионы, образующие слой вокруг коллоидной частицы.

В свою очередь вокруг противоионов образуется еще одна
оболочка уже из молекул воды. Вся эта сложная система (рис. 3) и носит название мицеллы.

В связи с тем, что коллоидные частицы заряжаются одноименно, это мешает им сталкиваться и укрупняться, чем и объясняется устойчивость коллоидных растворов. Однако изредка это может происходить.Тогда наблюдается постепенное «старение» коллоидных растворов.

Для доказательства того, что коллоидные частицы имеют заряд, нужно пропустить через раствор постоянный электрический ток.

В этом случае коллоидные частицы будут передвигаться к одному из электродов. Это явление называется электрофорезом. В настоящее время электрофорез находит широкое применение при клинических лабораторных исследованиях белковых фракций.

■ 148. Как образуется мицелла?
149. Почему коллоидные частицы всегда заряжены?
150. Что такое адсорбция?
151. Что такое «старение» коллоидных растворов?
152. Что такое электрофорез и где он применяется? (См. Ответ)

Коагуляция коллоидных растворов

При нагревании коллоидного раствора, как обычно, происходит увеличение скорости движения коллоидных частиц и ионов. Кроме того, уменьшается адсорбция, так как происходит обратное явление— десорбция.

Вследствие увеличения скорости движения коллоидных частиц и уменьшения их зарядности (от десорбции) увеличивается возможность столкновения коллоидных частиц, их слипания друг с другом и выпадения в осадок.

Это процесс укрупнения частиц называется коагуляцией.

Для того чтобы вызвать коагуляцию, проще всего снять заряд с коллоидной частицы, что достигается прибавлением какого-либо электролита к коллоидному раствору.

Хотя при этом в раствор вводится одинаковое количество и одноименных зарядов, в непосредственно прилегающей к коллоидной частице ионной сфере увеличивается концентрация противоположно заряженных ионов, которые и нейтрализуют заряд коллоидной частицы.

Коллоидные частицы разряжаются, сталкиваются, соединяются в более крупные частицы и коагулируют.

Что такое золь

Коллоидное вещество, находящееся в коллоидном растворе, называется золем, а вещество, подвергшееся коагуляции, гелем.

Таким образом, процесс перехода золя в гель называется коагуляцией, а обратный переход геля в золь называется пептизацией.

Процесс пептизации сопровождается набуханием коллоида, что играет очень большую роль в биологических процессах.

Как происходит процесс коагуляции

Коагуляция коллоидов вызывается и различными органическими веществами — спиртом, карболовой кислотой, формалином и т. д. Объясняется она сменой растворителя.

Такие вещества, которые вызывают коагуляцию коллоидов, называются, коагулянтами.

Коагулянтом может являться даже другой коллоидный раствор, если заряды их коллоидных частиц противоположны.

Пример коагулянтов

Например, таким коагулянтом, как гидроокись алюминия Аl(ОН)3, широко пользуются для очистки питьевой воды от коллоидов.

В природной воде всегда содержится большое количество коллоидов, которые прекрасно проходят сквозь фильтры и от которых нужно освободиться.

Для этого в воду добавляют сульфат алюминия Al₂(SО₄)₃ или квасцы KAl(SО₄)₂, которые гидролизуются водой, образуя гидроокись алюминия в виде коллоидного раствора с положительным зарядом.

Этот коллоидный раствор и осаждает находящиеся в воде отрицательно заряженные коллоидные частицы.

■ 153. Запишите в тетрадь определения десорбции, коагуляции, пептизации, золя, геля, коагулянта.
154. Перечислите причины, которые могут вызвать коагуляцию раствора. (См. Ответ)

Получение коллоидных растворов

Получить коллоидные растворы можно двумя путями. Первый путь — это путь укрупнения более мелких частиц, так называемый конденсационный путь.

Например, чтобы получить рубиновое стекло, нужно приготовить коллоидный раствор золота в стеклянной массе.

Для этого в расплавленное стекло добавляют соли золота, которые разлагаются с выделением атомов чистого металла.

Атомы золота начинают группироваться в более крупные частицы, а когда они достигнут нужных размеров, стекло охлаждают и укрупнение частиц прекращается.

Дисперсионный метод получения

Второй путь — дисперсионный. При этом происходит дробление крупных частиц на более мелкие. Это осуществляется с помощью коллоидных мельниц или ультразвука.

С коллоидами мы встречаемся повсеместно: любая растительная или животная клетка содержит белок в виде коллоидного раствора.

Во многих отраслях промышленности (мыловаренная, маргариновая, фармацевтическая, производство искусственного волокна) специально изготовляются коллоиды.

Для многих отраслей коллоиды служат сырьем, например для резиновой, кондитерской, бумажной, текстильной промышленности.

■ 155. Укажите способы получения коллоидных растворов. (См. Ответ)

Понятие о коллоидно — дисперсных системах

На примере коллоидного раствора кремниевой кислоты рассмотрим , что такое коллоиды , их наиболее важные свойства.

Название коллоида ( клееподобные тела ) предложил в 1886 г. английский химик Т. Грэм для веществ , не способных в растворённом состоянии диффундировать через перепонки из пергаментной бумаги , коллодия и другие .

Такое свойство имеет и водный раствор обычного столярного клея . Но скоро было установлено , что коллоиды проявляют при определённых условиях свойства кристаллоидов , т.е. веществ , легко диффундирующих через перепонки и образуют истинные растворы.

Любое вещество можно перевести в коллоидное состояние . Поэтому более правильно говорить о кристаллоидном и коллоидном состоянии веществ , имея в виду способность вещества существовать при определённых условиях в обоих состояниях.

Более правильно говорить ультрамикрогетерогенная система , подчёркивая этим большую степень раздробления , или дисперсность , коллоидных частиц ( ультрамикро- ) и одновременно их неоднородность ( гетерогенная ).

По этим признакам коллоидные системы отличаются от гомогенных и грубодисперсных систем.

Дисперсная система

Дисперсными ( от лат. Дисперсно — рассеиваю ) это системы , в которых одно или несколько веществ распределено в виде тонко раздробленных частиц определённого размера в другом однородном веществе .

Составные части дисперсной системы , отделенные поверхностями раздела , называются фазами .
Дисперсная фаза — это совокупность частиц , распределенных в среде .

Дисперсионная среда — однородное вещество , в котором распределена дисперсная фаза.

Например , туман — это дисперсная система , в которой дисперсной фазой является жидкость , а дисперсионной средой — воздух ( газ ) ; коллоидный водный раствор кремниевой кислоты — дисперсная система , в которой дисперсной фазой является кремниевая кислота H₃SiO₃ , а дисперсионной средой — вода .

Дисперсные системы в значительной мере отличаются одна от другой по различным свойствам в зависимости от раздробленности частиц дисперсной фазы . Истинные растворы от коллоидных , а коллоидные от суспензий и эмульсий отличаются размерами частиц дисперсной фазы .

Таблица дисперсной системы

Дисперсная система	Радиус частиц дисперсной фазы
Истинные растворы	<1 нм ( нанометра , 10 в минус 9 ст. м.)
Коллоидные растворы	1 : 100 нм
Суспензии и эмульсии	> 100 нм

Для каждого типа дисперсной системы размер частиц дисперсной фазы лежат в довольно широком интервале.

Коллоидные растворы , иначе коллоидно — дисперсные системы , имеют ряд типичных признаков :

Признаки коллоидных растворов

Коллоидные частицы в растворе не способны к диффузии через некоторые пористые перегородки.

При прохождении через коллоидные растворы световых лучей наблюдается рассеивание света коллоидными частицами.

Это явление называется эффектом Тиндаля , поскольку при рассеивании света образуется светящийся конус (рис. 2).

Истинные растворы конус Тиндаля не образует , они являются ( оптически пустыми ) . На эффекте Тиндаля основано и наблюдение коллоидных частиц в растворах при помощи ультрамикроскопа . Под ультрамикроскопом освещённые коллоидные частицы наблюдаются в виде ( звёздочек ).

Адсорбция

Коллоидные частицы адсорбируют своей поверхностью ионы из раствора . Это определяет довольно сложную и своеобразную структуру коллоидных частиц и одновременно наличие у них электрического заряда.

Состав и строение коллоидных частиц выражают в виде условных формул . Так как , для коллоидных частиц кремниевой кислоты и гидроксида железа ( III ) они имеют вид :

Как видим , коллоидная частица состоит из ядра и адсорбционного слоя , содержащего адсорбированные ионы . Все это вместе составляет гранулу и коллоидную частицу.

Вокруг гранул в свободном объеме жидкости находятся противоионы. Гранулы вместе со слоем жидкости , содержащей противоионы , называют мицеллой.

Вне электрического поля мицелла всегда электронейтральна . Под влиянием электрического поля гранула выделяется из мицеллы , перемещается к электроду с противоположным зарядом и разряжается на нем .

К положительно заряженным гранулам принадлежат к примеру гидроксиды металлов , а к отрицательным — сульфиды металлов , металлы в виде коллоидных растворов , кремниевая кислота и так далее .

Коагуляция

Коллоидные частицы в растворе способны к коагуляции ( увеличению размеров коллоидных частиц в результате образования агрегатов ) . Укрупнённые частицы осаждаются , и коллоид из коллоидно — дисперсного состояния ( золя ) переходит в твёрдое состояние ( гель ) .

Коллоидно — дисперсные системы чрезвычайно распространены в природе . Все ткани животных и растительных организмов — коллоидные образования.

Продукты питания , кожа , бумага , многие строительные материалы , каучук и прочее — также коллоидные вещества.

Часто задаваемые вопросы и ответы?

Виды и свойства коллоидных систем?

Свойства коллоидных систем. Основными свойствами, отличающими коллоидные системы от растворов и грубодисперсных систем, являются оптические, молекулярно-кинетические, электрокинетические, сорбционные и структурно-механические.

Оптические свойства исследуют, изучая взаимодействие света с веществом.

Что относится к коллоидным растворам?

Золь (также лиозоль, коллоидный раствор, англ. sol от лат. solutio — раствор) — высокодисперсная коллоидная система (коллоидный раствор) с жидкой (лиозоль) или газообразной (аэрозоль) дисперсионной средой.

В объёме которой распределена другая (дисперсная) фаза в виде капелек жидкости, пузырьков газа или мелких твёрдых частиц, размер которых лежит в пределе от 1 до 100 нм (10⁻⁹—10⁻⁷м).

Что такое коллоиды?

Коллоиды (греч. kolla клей + eidos вид; син. коллоидные системы) — дисперсные системы с относительно крупными по сравнению с молекулами газов и обычных жидкостей частицами с радиусом 10^-9— 10^-7 М, или 0,001 — 0,1 мкм.

Коллоиды могут представлять собой коллоидные р-ры, называемые золями (см.), или студнеобразные (структурированные) системы — гели (см.) и студни.

Какие вещества образуют коллоидные растворы?

Коллоидные растворы, или золи. Это большинство жидкостей живой клетки (цитоплазма, ядерный сок — кариоплазма, содержимое органоидов и вакуолей) и живого организма в целом (кровь, лимфа, тканевая жидкость, пищеварительные соки, гуморальные жидкости и т. д.).

Такие системы образуют клеи, крахмал, белки, некоторые полимеры.

В каком интервале изменяются размеры коллоидных частиц?

Размер коллоидных частиц от 1 до 100 нм (10⁻⁷–10⁻⁵ см) в поперечнике, т. е. это ультрамикрогетерогенные системы.

Важнейшей отличительной особенностью коллоидного состояния вещества является большая площадь поверхности раздела фаз.

Статья на тему Коллоидные растворы