Коагуляция гидрофобных (лиофобных) коллоидов

⇐ Назад

Чтобы вызвать коагуляцию гидрофобных коллоидов, к ним необходимо прибавить незначительное количество разбавленного раствора электролита. Это является отличительным признаком лиофобных коллоидов от лиофильных, для которых, как уже было сказано, необходимо прибавление концентрированного раствора электролита

Прибавление электролита снижает величину электрокинетического потенциала. Та величина ζ - потенциала, при которой наступает коагуляция, называется критической, а та минимальная концентрация электролита, которая вызвала коагуляцию, называется порогом коагуляции. Величина, обратная порогу коагуляцииэлектролита, вызвавшего коагуляцию, характеризует коагулирующую силу ионов этого электролита.

Было установлено, что коагуляцию гидрофобных (лиофобных) коллоидов вызывают ионы, противоположно заряженнные по отношению к заряду коллоидных частиц, и коагулирующая сила ионов тем больше, чем выше валентность этих ионов. Это правило получило название "правило значности и валентности" или правило Шульце-Гарди.

Действие иона-коагулятора на коллоидную систему зависит не только от знака заряда, но также от валентности и химической природы этого иона.

Различные ионы с одинаковой валентностью и одним и тем же знаком заряда оказывают различное по силе коагулирующее действие на одну и ту же коллоидную систему. Разница в действии этих ионов зависит от различной способности этих ионов адсорбироваться коллоидными частицами. Так, например, катионы натрия и серебра имеют одну и ту же валентность и один и тот же знак заряда, но ион серебра действует на коллоидные системы значительно сильнее иона натрия, так как он быстрее и полнее адсорбируется коллоидными частицами. Тоже относится и к анионам. Так, например, если сравнивать коагулирующее действие аниона салициловой кислоты и аниона хлора, то анион салициловой кислоты всегда значительно сильнее и быстрее адсорбируется, например, белковыми коллоидными частицами. В связи с этим, и коагулирующее действие его будет сильнее, чем у аниона хлора.

Коагулирующая сила иона в зависимости от валентности, увеличивается в таком отношении: если принять коагулирующую силу одновалентных ионов за единицу, то коагулирующая сила двухвалентных ионов будет в десятки, а трехвалентных - в сотни раз больше ( 1 : 20 : 200 ).

Этому правилу не подчиняются ионы Н⁺ и ОН^-, коагулирующая сила которых равна или даже превышает коагулирующую силу двухвалентных ионов.

Возрастание коагулирующей силы с повышением валентности ионов объясняется двумя причинами: во-первых, более резким снижением ζ- потенциала многовалентными ионами и, во-вторых, более высокой адсорбционной способностью этих ионов, играющих роль противоионов в мицелле. Ионы, расположенные в порядке возрастания их коагулирующей силы, образуют лиотропный ряд:

Li⁺ < Na⁺ < K⁺ < Rb⁺ < Cs⁺ < Mg⁺⁺ < Ca⁺⁺ < Sr⁺⁺ < Ba⁺⁺

Механизм коагуляции электролитами состоит в следующем. Коллоидные мицеллы имеют определенный заряд, который характеризуется величиной электрокинетического потенциала. Для устойчивых золей он находится в пределах 30-70 мВ. После добавления электролита величина этого потенциала начинает уменьшаться и даже может дойти до нуля. Это понижение потенциала объясняется действием ионов добавленного электролита, противоположно заряженных коллоидной частицы, которые адсорбируются поверхностью частицы, тем самым уменьшая ее заряд.

Для нейтрализации зарядов частиц требуется определенное время (скрытая и явная коагуляция) и определенное количество электролита (порог коагуляции). Однако, для коагуляции коллоидной системы не нужно вызывать полную нейтрализацию зарядов частиц. Коагуляция наступает значительно раньше, что можно объяснить следующим образом: коллоидные частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, которое затрудняет их сближение. Соединение частиц между собой может наступить только в тех случаях, когда сила притяжения (сила межмолекулярного взаимодействия) будет больше, чем сила отталкивания (сила электростатического взаимодействия). Силы электростатического отталкивания естественно уменьшаются с уменьшением заряда коллоидных частиц.

Соединение частиц между собой наступает только при определенном расстоянии между ними. Вычислено, что минимальное расстояние между частицами, при котором происходит соединение, приблизительно, в 2-3 раза больше радиуса самих частиц.

Электрокинетический потенциал, при котором силы притяжения и силы отталкивания между коллоидными частицами равны, называется критическим потенциалом, величина которого колеблется в пределах 20-30 мВ. В этот момент и может начаться процесс коагуляции.

Многочисленными исследованиями было установлено, что растворы ВМС, прибавленные к гидрофобным золям, сообщают им повышенную устойчивость к электролитам. Подобное явление получило название защитного действия, а сами вещества, повышающие устойчивость гидрофобных золей - защитных. Так, например, прибавление даже небольшого количества раствора желатина в золь мастики или серы повышает агрегативную устойчивость этих золей при действии электролита.

Степень защитного действия растворов ВМС зависит как от природы растворенного полимера, так и от природы защищаемого гидрофобного золя. В качестве количественной меры защитного действия растворов ВМС применяют золотое, рубиновое и железное число. Например, под железным числом подразумевают минимальное число миллиграммов защищающего полимера, способного защитить 10 мл гидрозоля железа от коагулирующего действия 1 мл 0,005 н раствора сульфата натрия.

Пептизация коллоидов.

Процесс пептизации является процессом, обратным коагуляции - это процесс растворения коллоидного осадка (геля) и образование вновь коллоидного раствора (золя).

Процессу пептизации подвергаются не все коллоидные осадки, а только те, которые содержат в себе большое количество растворителя и коллоидные частицы которых еще сохраняют некоторые индивидуальные свойства. У лиофильных коллоидов устранение фактора, вызвавшего коагуляцию, вызывает переход образовавшегося геля вновь в состояние золя. Так, добавление воды в коагель, который был образован от добавления этилового спирта в гидрозоль желатина, вновь переводит этот гель в состояние золя. Такие коллоиды называются обратимыми.

Коагель, образованный в результате коагуляции лиофобного золя, разбавлением раствора, вызвавшего коагуляцию, перевести в состояние золя невозможно. Такие коллоиды называются необратимыми.

И все-таки гидрофобные коллоиды способны к пептизации. При пептизации лиофобных коллоидов основным процессом является восстановление зарядов на коллоидной частицах, утраченных в процессе коагуляции. Осуществить процесс пептизации может тот ион, который способен адсорбироваться на поверхности частицы и сообщить ей заряд. При пептизации происходит химическое взаимодействие между прибавляемым пептизатором (электролитом) и пептизируемым коллоидом. В качестве примера пептизации гидрофобного золя можно привести пептизацию коагулята гидроокиси железа добавлением очень малых количеств хлорного железа. При этом происходит адсорбция ионов железа поверхностью частиц геля. Другим примером пептизации является очищающее действие мыльных растворов.

Коагуляция лиофильных (гидрофильных) коллоидов.

К классу лиофильных коллоидов относятся растворы высокомолекулярных соединений. Растворы ВМС аналогично истинным растворам обладают абсолютной агрегативной устойчивостью. Высокая устойчивость растворов ВМС определяется наличием на поверхности частиц двух оболочек - электрической и сольватной (гидратной). Поэтому для коагуляции растворов ВМС необходимо не только нейтрализовать заряд коллоидной частицы, но и разрушить жидкостную оболочку. Выделение ВМС из растворов по своей природе отличается от коагуляции типичных гидрофобных золей. Так, если для гидрофобных золей достаточно незначительных добавок электролитов, чтобы вызвать их коагуляцию, то для ВМС этого недостаточно. Для выделения дисперсной фазы полимеров необходимы высокие, вплотьдо насыщенных, концентрации электролитов. Явление выделения в осадок растворенного ВМС под действием большой концентрации электролита получило название высаливание.

Всякое вещество, способное сольватироваться растворителем ВМС и понижать его растворимость, пригодно для высаливания. Так, например, спирт и ацетон способны отлично высаливать желатину из ее водных растворов. Аналогично происходит осаждение спиртом белка из водного раствора или осаждение ацетоном каучука из раствора бензола.

Коагуляция лиофильных коллоидов достигается прибавлением к золю десольватирующих веществ. Такими десольватирующими веществами являются спирт, ацетон, пересыщенные растворы электролитов, т.е. такие вещества, которые, не изменяя самих частиц, отнимают воду у этих частиц. При коагуляции гидрофильных коллоидов под действием пересыщенных растворов электролитов имеет важнейшее значение гидратация самих ионов: чем менее гидратирован сам ион, тем выше его коагулирующая сила. При высаливании (коагуляции ВМС) решающую роль играет не валентность иона, а его способность к гидратации и к адсорбции на коллоидно-дисперсных частицах.

Как отмечалось выше, коагуляция лиофильных коллоидов носит обратимый характер.

Вопросы для самоконтроля:

1. В каком месте коллоидной мицеллы возникают полный и электрокинетический потенциалы?

2. Явление электрофореза и электроосмоса.

3. Что такое коагуляция коллоидных систем?

4. Правило Шульце-Гарди.

5. Чем можно вызвать коагуляцию гидрофобных коллоидов?

6. Как по коагуляции можно отличить гидрофобный коллоид от растворов ВМС?

7. Механизм коагуляции гидрофобных коллоидов.

8. Механизм высаливания растворов ВМС.

Экспериментальная часть:

Задание 1. Коагуляция гидрофобных коллоидов. Определение порога коагуляции и вычисление коагулирующей силы.

Коагуляцию гидрофобных золей осуществляют действием следующих растворов: КС1, K₂SO₄, СаС1₂ (все растворы 1 М).

Изучая коагулирующее действие указанных растворов, необходимо определить пороги коагуляции коллоидов этими электролитами. Чем меньше порог коагуляции, тем больше коагулирующая сила иона, вызвавшего коагуляцию данного коллоида (по правилу значности и валентности).

В пробирки, установленные в штативе (кроме двух), наливают по 1 мл испытуемого золя (по заданию преподавателя). Готовят контрольный раствор: в первую пробирку с 1 мл испытуемого золя добавляют 1мл дистиллированной воды. Пипеткой берут из колбы с 1 М раствором КС1 1 мл и добавляют в следую пробирку с гидрозолем. Сравнивая содержимое этой пробирки с контрольным раствором, убеждаются в том, что хлористый калий такой концентрации вызывает коагуляцию коллоида. Отмечают в таблице 23 наличие коагуляции знаком «+» и приступают к разбавлению раствора КС1.

Таблица 23

Результаты определения порога коагуляции гидрофобных золй.

№ п/п	концентрация электролита С, ммоль/л	номер испытуемого золя
КС1	K₂SO₄	СаС1₂
и т.д.

Возьмите две оставшиеся чистыми пробирки и опустите каждую из них по пипетке на 1 мл, предварительно помыв. В одну из этих пробирок налейте произвольное количество дистиллированной воды (она потребуется для разбавления электролита), во вторую - 1 мл 1 М КС1 и добавьте из пробирки с дистиллированной водой 1 мл. Размешайте содержимое пробирки 2 продуванием воздуха через пипетку и из образовавшихся 2 мл раствора КС1 отберите этой же пипеткой 1 мл раствора и перенесите его в пробирку с золем. Пипетку в золь не опускать, а сливать электролит по стенке пробирки! Осторожно размешайте содержимое пробирки и, если раствор помутнел (сравнить с контрольным раствором), отметьте в табл. наличие коагуляции знаком «+», в случае отсутствия ее - знаком «-». Дальнейшее разбавление электролита проводят аналогично. Так, разбавляя электролит и добавляя его по 1 мл в последующие пробирки с золем, найдите такую концентрацию электролита, при которой коагуляция уже не наблюдается. Концентрацию разбавленных растворов электролитов удобно выражать и записывать в табл. (графа С) в виде дроби в соответствующей степени, например:1) ; 2) ; З) и т.д.

Как уже говорилось ранее, та минимальная концентрация электролита, при которой наблюдается коагуляция золя, называется порогом коагуляции данного электролита. Ее величину находят для каждого электролита и записывают в таблицу 24 (порог коагуляции для СаС1₂ и K₂SO₄ определяют так же, как и для КС1). По величине порогов коагуляции устанавливают ионы-коагуляторы. Затем вычисляют коагулирующую силу иона-коагулятора, условно принимая коагулирующую силу одновалентного иона равной единице. Коагулирующую силу двухвалентного иона (S) вычисляют по формуле: S = .

Пример: если С₁= , а С₂= , то S= =2⁵=32.

Таблица 24

Результаты расчета коагулирующей силы испытуемого золя.

электролиты	испытуемый золь
ионы-коагуляторы	порог коагуляции	коагулирующая сила
КС1
СаС1₂
K₂SO₄

Полученные данные показывают, что коагулирующая сила двухвалентного иона в десятки раз (в нашем случае в 32 раза) больше коагулирующей силы одновалентного иона.

На основании полученных данных определите знак заряда коллоидных частиц исследуемого золя и сделайте письменный вывод.

Задание 2. Коагуляция гидрофильных коллоидов действием дегидратирующих веществ.

⇐ Назад