Диспергационные методы получения лиофобных дисперсных систем

Для того, чтобы получить коллоидный раствор или золь, необходимо выполнить два условия: 1) создать в жидкости твердые или жидкие нерастворимые частицы коллоидной степени дисперсности; 2) обеспечить устойчивость этих частиц, предохранив их от слипания друг с другом (от коагуляции), т. е. стабилизировать систему. Стабилизация коллоидных систем может производиться путем введения в систему нового компонента – стабилизатора, который адсорбируется на поверхности коллоидных частиц и придает частицам заряд и/или образует защитную оболочку.

Свободнодисперсные системы (порошки, суспензии, эмульсии, золи) можно получить двумя способами: диспергированием и конденсацией.

Диспергирование основано на получении из сплошного и крупного по размерам тела 3 более мелких частиц дисперсной фазы 2.

Конденсация, напротив, связана с укрупнением частиц 1, в том числе и частиц молекулярных размеров, до частиц определенного класса дисперсных систем 2.

Мы даже не подозреваем, что во многих процессах происходит возникновение и разрушение дисперсных систем.

Диспергирование может быть самопроизвольным и несамопроизвольным.

Самопроизвольное диспергирование характерно для лиофильных систем.

Несамопроизвольное диспергирование характерно для лиофобных систем. Здесь процесс диспергирования осуществляется за счет внешней энергии.

Несамопроизвольное диспергирование бывает:

- механическое

- физическое (диспергирование ультразвуком, электрическими методами)

- физико-химическое (пептизация).

Механическое диспергирование в зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы:

- измельчение, истирание, раздавливание и т. д.;

- распыление;

- барботаж.

Измельчение проводят в мельницах различной конструкции, например в шаровых (а) или коллоидных (б) мельницах.

В шаровых мельницах получают частицы размером 6·10⁴ нм при сухом помоле и менее 10³ нм при мокром; в коллоидных – 100 нм и менее.

Измельчением получают системы типа т/г, т/ж, распылением – ж/г, ж/ж, барботажем – г/ж.

Разрушение материалов в процессе диспергирования может быть облегчено при использовании эффекта Ребиндера – адсорбционного понижения прочности твердых тел. Этот эффект заключается в уменьшении поверхностной энергии с помощью поверхностно-активных веществ.

Диспергирование ультразвуком высокой частоты эффективно лишь в том случае, если диспергируемое вещество обладает малой прочностью. При действии на суспензию ультразвука возникают механические колебания (порядка нескольких тысяч в 1 с), которые разрывают частицы на более мелкие. Таким путем получают органозоли хрупких металлов, гидрозоли серы, графита, гидроксидов металлов, различных полимеров и т. п.

При диспергировании в электрических аппаратах избыток электрических зарядов сообщается распыляемой жидкости, и в результате отталкивания одноименных зарядов происходит дробление жидкости на капли.

К физико-химическому диспергированию относится метод пептизации. Пептизацией называют переход осадков под действием пептизаторов в состояние коллоидного раствора. Пептизировать можно только “свежие” (свежеприготовленные) осадки, в которых частицы коллоидного размера соединены в более крупные агрегаты через прослойки ДС. По мере хранения осадков происходят явления рекристаллизации и старения, приводящие к сращиванию частиц друг с другом, что препятствует пептизации.

Слева - аморфные сферические частицы свежего золя гидроокиси алюминия

Справа - кристаллические частицы золя того же вещества по истечении 2-3 месяцев после приготовления золя

Различают пептизацию:

- адсорбционную;

- диссолюционную;

- промывание осадка растворителем

Получение золя бромида серебра адсорбционной пептизацией.

Приготовим осадок бромида серебра AgBr:

AgNO₃ + KBr → AgBr↓ + KNO₃

свежий осадок

Возьмем избыток AgNO₃ (который играет роль пептизатора) => образуется золь, структурная единица дисперсной фазы которого называется мицеллой. Как происходит образование мицеллы??? Ионы Ag+ (потенциалопределяющие ионы) адсорбируются на поверхности частиц осадка AgBr, заряжая их положительно, к положительно заряженной поверхности образовавшегося ядра мицеллы притягиваются ионы противоположного знака – противоионы (ионы NO₃^-). Часть этих ионов, составляющая адсорбционный слой, прочно удерживается у поверхности ядра за счет электростатических и адсорбционных сил. Ядро вместе с адсорбционным слоем составляет коллоидную частицу. Остальные противоионы связаны с ядром только электростатическими силами. Эти противоионы образуют диффузный слой. Наличие заряда у коллоидных частиц приводит к их отталкиванию и обеспечивает устойчивость золя.

Диссолюционная пептизация отличается от адсорбционной только отсутствием в готовом виде электролита-пептизатора. Рассмотрим на примере получения золя гидроксида железа.

FeCl₃ + NH₄OH → Fe(OH)₃↓ + NH₄Cl – получили свежий осадок, который помещаем на фильтр и осторожно добавляем HCl:

Fe(OH)₃ + HCl → FeOCl + 2H₂O

Образовавшийся FeOCl является электролитом – пептизатором. Далее происходят такие же процессы, как и при адсорбционной пептизации с образованием мицелл:

{[mFe(OH)₃]·nFeO⁺·(n-x)Cl^-}^x+·xCl^-.

Метод промывания осадка растворителем используется, если осадок получен при значительном избытке одного из реагентов. Большая концентрация ионов в растворе вызывает сжатие двойного электрического слоя. Ионы диффузного слоя проникают в адсорбционный, в результате заряд коллоидной частицы становится равным 0 и происходит агрегация частиц:

{[mFe(OH)₃]·nFe³⁺·3nCl^-}⁰.

После промывания осадка растворителем мицеллы будут иметь вид:

{[mFe(OH)₃]·nFe³⁺·3(n-x)Cl^-}^3x+·3xCl^-.