Устойчивость и коагуляция коллоидных систем
Общие сведения
Коллоидные системы представляют собой сложные гетерогенные дисперсные системы, состоящие из дисперсной среды и распределенных в ней частиц дисперсной фазы (мицелл). Важнейшей физико-химической характеристикой таких систем является их кинетическая устойчивость. Кинетическая устойчивость заключается в способности коллоидного раствора сохранять одинаковую концентрацию частиц по всему объему системы на протяжении длительного времени без видимого расслоения или выпадения осадка. Типичным примером природной кинетически устойчивой коллоидной системы является молоко.
Устойчивость коллоидных растворов обусловлена двумя фундаментальными факторами. Первым фактором выступает наличие у мицелл одноименного электрического заряда. Благодаря одинаковому заряду частицы дисперсной фазы испытывают электростатическое отталкивание, что препятствует их сближению и слипанию. Чем выше абсолютная величина заряда частиц, тем более устойчивой является система. Вторым фактором является способность частиц дисперсной фазы гидратироваться. Полярные молекулы воды притягиваются к поверхности мицеллы, формируя защитную гидратную оболочку. Наличие этой оболочки существенно снижает поверхностную энергию частиц и дополнительно блокирует их стремление к укрупнению при столкновениях.
Классификация
Коллоидные системы классифицируются по характеру взаимодействия дисперсной фазы с дисперсной средой (водой) на гидрофильные и гидрофобные. Гидрофильные коллоидные растворы, как правило, образованы веществами органического происхождения. Они способны активно присоединять молекулы воды, формируя мощные гидратные оболочки, что делает такие системы в жидком состоянии (золи) в высокой степени устойчивыми и по своим свойствам приближает их к истинным растворам. Гидрофобные системы, образованные преимущественно неорганическими веществами, слабо взаимодействуют с водой, образуют тонкие гидратные оболочки и характеризуются значительно меньшей устойчивостью.
По агрегатному состоянию и структурной организации коллоидные системы классифицируются на золи, гели и твердые коллоиды. Золь представляет собой жидкий коллоидный раствор со свободно перемещающимися изолированными мицеллами. При длительном хранении, охлаждении или повышении концентрации гидрофильные золи способны переходить в состояние геля (студня). Гель представляет собой структурированную систему, в которой мицеллы не разрушаются, а связываются друг с другом, образуя пространственный каркас (ячейки), внутри которого иммобилизована вода. Характерными примерами гелей являются желатин и пищевые студни. При полном удалении воды (высушивании) гель переходит в форму твердого коллоида. Переходы между этими состояниями могут быть обратимыми: нагревание геля ослабляет связи между мицеллами и возвращает систему в состояние жидкого золя, а последующее охлаждение вновь приводит к гелеобразованию.
Способы получения
Способы получения специфических коллоидных состояний базируются на изменении термодинамических параметров и химического состава среды. Получение гелей осуществляется посредством процесса набухания высокомолекулярных соединений (например, сухого желатина) в водной среде или путем термического воздействия, когда охлаждение концентрированного золя инициирует формирование пространственной сетки мицелл.
В промышленной практике целенаправленное получение коллоидных частиц используется для процессов очистки. В частности, коллоидные растворы гидроксидов металлов получают методом гидролиза солей. При введении в водную среду сульфата железа или сульфата алюминия протекают гидролитические реакции, продуктом которых становятся нерастворимые гидроксиды (например, гидроксид железа три). Данные соединения самопроизвольно формируют в воде мицеллы огромных размеров, окруженные плотной гидратной оболочкой и несущие выраженный положительный заряд. Эти искусственно полученные коллоиды затем выступают в роли коагулянтов для связывания органических загрязнителей.
Кроме того, многие коллоидные системы образуются как побочные продукты технологических процессов. Примером служит получение аэрозолей (дыма) при сжигании низкосортного органического топлива на тепловых электростанциях. Твердые микрочастицы сажи и золы распределяются в газовой среде, приобретая слабые разноименные электрические заряды и образуя высокоустойчивую дисперсную систему, требующую последующего разрушения в экологических целях.
Свойства
Главным химическим свойством коллоидных систем является их принципиальная склонность к разрушению при изменении внешних условий. Процесс разрушения системы начинается с потери кинетической устойчивости, что достигается либо снятием электрического заряда с мицелл, либо разрушением их защитной гидратной оболочки. Лишение частиц этих барьеров приводит к тому, что при броуновском движении они начинают беспрепятственно сталкиваться друг с другом. Процесс слипания лишенных защиты коллоидных частиц в более крупные агрегаты называется коагуляцией. Дальнейшее укрупнение агрегатов под действием гравитационных сил приводит к их выпадению в осадок — процессу седиментации.
Коагуляцию можно инициировать несколькими методами. Пропускание постоянного электрического тока через золь приводит к направленному движению заряженных частиц к электродам, где они теряют свой заряд и моментально слипаются. Добавление в систему растворов сильных электролитов вызывает разрушение гидратных оболочек: ионы добавленного электролита обладают сильным сродством к воде и оттягивают молекулы растворителя на себя, «оголяя» коллоидные частицы и провоцируя их слияние. Также характерным свойством коллоидов является способность к взаимной коагуляции, которая протекает при смешивании двух коллоидных растворов, частицы которых несут противоположные электрические заряды. Электростатическое притяжение таких частиц вызывает их быстрое укрупнение и осаждение.
Применение
Закономерности устойчивости и коагуляции коллоидных систем имеют фундаментальное значение в технологиях водоподготовки и очистки промышленных выбросов. Сточные воды химических предприятий часто содержат высокотоксичные органические примеси (например, пиридин), образующие кинетически устойчивые золи с отрицательно заряженными мицеллами. Использование такой воды в технологических циклах недопустимо из-за риска образования гелей в трубопроводах и аппаратах. Для очистки воды применяется метод взаимной коагуляции: в резервуары вводятся химические коагулянты (сульфаты железа или алюминия), образующие положительно заряженные коллоидные частицы гидроксидов. При взаимодействии двух систем частицы нейтрализуют заряды друг друга, коагулируют и выпадают в виде крупных хлопьев, которые затем легко удаляются механическим отстаиванием или фильтрованием.
В области защиты атмосферного воздуха принципы коллоидной химии применяются для очистки промышленных газов и дыма. Поскольку частицы аэрозоля несут слабый заряд и взвешены в газовой среде, химическая коагуляция электролитами невозможна. В этих случаях применяется метод электрофореза в специализированных газовых камерах (электрофильтрах). В центре камеры располагается катод, являющийся источником мощного потока электронов, который ионизирует газ. Проходящие через камеру частицы дыма захватывают электроны, приобретая сильный отрицательный заряд, после чего под действием электрического поля направленно перемещаются к аноду (стенкам камеры), где оседают и скапливаются на дне устройства. Данный метод требует значительных затрат электрической энергии, однако является одним из наиболее эффективных способов улавливания золы и сажи на крупных энергетических объектах.
См. также
Фазовые равновесия Физические воздействия на химические реакции