Коллоидный раствор — свойства и классификация¶

Коллоидный раствор — гетерогенная дисперсная система, в которой размер частиц дисперсной фазы находится в диапазоне от 1 нм до 100 нм (в ряде классификаций — до 1 мкм). Частицы такого размера не оседают под действием силы тяжести и придают системе оптическую мутность (опалесценцию). Термин «коллоид» происходит от греческого kolla — клей и eidos — вид; ввёл его в 1861 году шотландский химик Томас Грэм, изучавший диффузию растворов.

¶Строение коллоидных частиц

Коллоидная частица (мицелла) состоит из ядра и сольватной оболочки. Ядро может быть молекулярным, агрегатным или ассоциативным. На границе раздела фаз адсорбируются ионы, образуя электрический двойной слой, который обеспечивает устойчивость системы: одноимённо заряженные частицы отталкиваются и не слипаются.

По знаку заряда ядра различают:

• Гидрофобные коллоиды — частицы не имеют сродства к воде, устойчивость обеспечивается только зарядом (например, золото, сера, гидрооксиды железа и алюминия).
• Гидрофильные коллоиды — частицы гидратированы, устойчивость обусловлена и зарядом, и сольватной оболочкой (крахмал, желатин, мыла).
• Амфифильные коллоиды — молекулы содержат и гидрофобную, и гидрофильную части (мыла, фосфолипиды).

¶Классификация

По агрегатному состоянию фаз коллоидные системы делятся на:

По дисперсности различают молекулярно-ионные (истинные) растворы (частицы < 1 нм), коллоидные (1–100 нм) и грубодисперсные системы (частицы > 100 нм, суспензии и эмульсии).

¶Свойства

Оптические. Коллоидные частицы рассеивают свет, вызывая эффект Тиндаля — видимый светящийся конус в луче света, проходящем через систему. Это отличает коллоидные растворы от истинных, в которых луч не виден.

Кинетические. Частицы совершают броуновское движение, обусловленное неравномерным столкновением с молекулами среды. Броуновское движение препятствует оседанию частиц и обеспечивает кинетическую устойчивость системы.

Электрические. В электрическом поле коллоидные частицы мигрируют к электроду противоположного знака — электрофорез. При этом в самой среде возникает противо течение — электроосмос.

Поверхностные. На поверхности частиц адсорбируются вещества из среды, что приводит к адсорбционному насыщению и изменению свойств системы.

¶Коагуляция и коалесценция

Коагуляция — процесс слипания и оседания коллоидных частиц, приводящий к разделению системы на фазы. Вызывается добавлением электролитов: ионы противоположного знака нейтрализуют заряд частиц. Закон Шульце — Гарди устанавливает, что коагулирующая способность иона тем выше, чем больше его заряд. Так, для negatively заряженной золи коагулирующую способность катионов можно выразить отношением Li⁺ : Na⁺ : K⁺ ≈ 1 : 50 : 100, а для Al³⁺ она на порядки выше.

Коалесценция — слипание капель эмульсии или пузырьков пены с образованием более крупных капель, после чего фазы разделяются.

¶Получение коллоидных систем

Существуют два основных метода:

1. Конденсация (сверху вниз) — из мелких частиц (молекул, ионов) образуются коллоидные. Реализуется химическими реакциями (восстановление золота из H[AuCl₄] даёт красную золотую золю), изменением растворителя, гидролизом.
2. Дисперсия (снизу вверх) — из крупных частиц получают коллоидные механическим измельчением, ультразвуком, конденсацией пара.

Для стабилизации коллоидных систем вводят стабилизаторы — вещества, повышающие устойчивость (белки, мыла, полимеры).

¶Применение

Коллоидные системы широко распространены в природе и технике:

• Биология и медицина — кровь, лимфа, ткани организма являются коллоидными системами; многие лекарственные формы (суспензии, эмульсии, липосомы) основаны на коллоидных принципах.
• Пищевая промышленность — молоко (эмульсия жира в воде с казеиновыми мицеллами), маргарин, майонез, шоколад.
• Строительные материалы — цементное тесто, строительные растворы, бетон на начальных стадиях твердения.
• Химическая промышленность — производство красок, лаков, резины, бумаги, моющих средств.
• Аналитическая химия — коагуляция используется при очистке воды, в хроматографии.

¶Коллоиды в природе

Почвенные коллоиды (глины, гумусовые вещества) обладают поглотительной способностью, что определяет плодородие почв. Морская вода содержит коллоидные частицы, участвующие в круговороте веществ. В атмосфере аэрозоли играют роль конденсационных ядер при образовании облаков.

Источники:

• Глинка Н. Л. Общая химия. — М.: КолосС.
• Гущин В. А. Коллоидная химия. — М.: Высшая школа.
• Фрумкин А. Н. Избранные труды. Коллоидная химия. — М.: Наука.
• Деркач А. А. Коллоидная химия. — М.: Высшая школа.
• Тер-Оганесянц С. Г. Коллоидная химия. — М.: Химия.