Колоїдні системи надзвичайно важливі в житті будь-якої людини. Це пов'язано не тільки з тим, що практично всі біологічні рідини в живому організмі утворюють колоїди. Але і багато природні явища (туман, зміг), грунт, мінерали, продукти харчування, лікарські засоби теж є колоїдними системами. Одиницею таких утворень, що відображають їх склад та специфічні властивості, прийнято вважати макромолекулу, або міцел. Будова останньої залежить від ряду факторів, але це завжди багатошарова частинка. Сучасну молекулярно-кінетичною теорією колоїдні розчини розглядаються в якості окремого випадку істинних розчинів, з більш великими частинками розчиненої речовини.

Способи одержання колоїдних розчинів

Будова міцели, що утворюється при виникненні колоїдної системи, частково залежить і від механізму цього процесу. Методи одержання колоїдів ділять на дві принципово різні групи.


Диспергационные методи пов'язані з подрібненням досить великих часток. Залежно від механізму процесу розрізняють такі способи.

Розмел. Може здійснюватися сухим або мокрим способом. У першому випадку тверда речовина спочатку подрібнюють, а вже потім додають рідину. У другому випадку речовина змішують з рідиною, і тільки після цього перетворюють в однорідну суміш. Розмел проводять у спеціальних млинах.

Набухання. Подрібнення досягається завдяки тому, що частинки розчинника проникають всередину дисперсної фази, що супроводжується раздвиганием її частинок аж до відриву.

Диспергування ультразвуком. Матеріал, що піддається подрібненню, поміщають в рідину і діють на нього ультразвуком.

Диспергування електричним струмом. Затребуване при отриманні золів металів. Проводиться шляхом поміщення в рідину електродів з диспергируемого металу з наступною подачею на них високої напруги. В результаті утворюється вольтова дуга, в якій метал розпорошується, а потім конденсується в розчин.

Ці способи підходять для отримання як ліофільних, так і ліофобних колоїдних частинок. Будова міцели здійснюється одночасно з руйнуванням вихідної структури твердої речовини.

Конденсаційні методи

Друга група методів заснована на укрупнення частинок, називається конденсаційними. Цей процес може ґрунтуватися на фізичних або хімічних явищах. До методів фізичної конденсації відносять наступні.

Заміна розчинника. Зводиться вона до переведення речовини з одного розчинника, в якому воно розчиняється дуже добре, в іншій, розчинність у якому значно нижчі. В результаті цього дрібні частинки об'єднаються в більш великі агрегати і виникне колоїдний розчин.

Конденсація з парів. В якості прикладу можна назвати тумани, частки яких здатні осідати на холодних поверхнях і поступово збільшуватися.

До методів хімічної конденсації відносять деякі хімічні реакції, що супроводжуються випаданням опадів комплексної структури:

Іонний обмін: NaCl + AgNO 3 = AgCl? + NaNO 3 .

Окисно-відновні процеси: 2H 2 S + O 2 = 2S? + 2H 2 O.

Гідроліз: Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 ? + 3H 2 S.

Умови проведення хімічної конденсації

Будова міцел, що утворюються в ході цих хімічних реакцій, залежить від надлишку або нестачі беруть участь в них речовин. Також для появи колоїдних розчинів необхідно дотримувати ряд умов, що запобігають випадання в осад важкорозчинного з'єднання:

вміст речовин в змішуються розчинах повинна бути низькою;

швидкість їх змішування повинна бути невисокою;

один з розчинів повинен бути узято в надлишку.

Будова міцели

Основною частиною міцели є ядро. Воно утворене великим числом атомів, іонів і молекул нерозчинного з'єднання. Зазвичай ядро характеризується кристалічною будовою. Поверхня ядра має запас вільної енергії, що дозволяє вибірково адсорбувати іони з навколишнього середовища. Процес цей підпорядковується правилу Пєскова, яке свідчить: на поверхні твердої речовини переважно адсорбуються ті іони, які здатні добудовувати його кристалічну решітку. Це можливо в тому випадку, якщо ці іони родинні або подібні за природою та форми (розмірів). У ході адсорбції на ядрі міцели утворюється шар позитивно або негативно заряджених іонів, званих потенциалопределяющими. Завдяки електростатичним силам отриманий заряджений агрегат притягує з розчину протиіони (іони з протилежним зарядом). Таким чином, колоїдна частинка має багатошарова будова. Мицелла набуває діелектричний шар, побудований з двох типів протилежно заряджених іонів.

Гидрозоль BaSO4

В якості прикладу зручно розглянути будову міцели сульфату барію в колоїдному розчині, приготовленому в надлишку хлориду барію. Цьому процесу відповідає рівняння реакції: BaCl 2(p) + Na 2 SO 4(p) = BaSO 4( т ) + 2NaCl (p) . Малорозчинний у воді сульфат барію утворює мікрокристалічний агрегат, побудований з m-ного числа молекул BaSO 4 . Поверхнею цього агрегату адсорбується n-ное кількість іонів Ва 2+ . З шаром потенциалопределяющих іонів пов'язано 2(n - x) іонів Cl - . А інша ж частина протиіонів (2x) розташована в дифузному шарі. Тобто гранула даної міцели буде позитивно зарядженою. Якщо ж в надлишку взято сульфат натрію, то потенциалопределяющими іонами будуть іони SO 4 2 - , а протиіонами – Na + . У цьому випадку заряд гранули буде негативним. Цей приклад наочно демонструє, що знак заряду гранули міцели безпосередньо залежить від умов її отримання.

Запис міцели

Попередній приклад показав, що хімічна будова міцел і формула, що його відображає, визначається тим речовиною, яке взято у надлишку. Розглянемо способи запису назви окремих частин колоїдної частинки на прикладі гідрозолі сульфіду міді. Для його приготування в надлишкова кількість розчину хлориду міді повільно доливають розчин сульфіду натрію: CuCl 2 + Na 2 S = CuS? + 2NaCl. Будова міцели CuS, отриманої в надлишку CuCl 2 , записується наступним чином: {[mCuS]·nCu 2+ ·xCl - } +(2n-x) ·(2n-x)Cl - .

Структурні частини колоїдної частинки

У квадратних дужках записують формулу важкорозчинного з'єднання, що є основою усієї частки. Її прийнято називати агрегатом. Зазвичай число молекул, що складають агрегат, записують латинською буквою m.

Потенциалопределяющие іони містяться в надлишковій кількості в розчині. Вони розташовуються на поверхні агрегату, а у формулі їх записують відразу за квадратними дужками. Число цих іонів позначають символом n. Назва цих іонів говорить про те, що їх заряд визначає заряд гранули міцели. Гранула утворена ядром і частиною протиіонів, які перебувають в адсорбційному шарі. Величина заряду гранули дорівнює сумі зарядів потенциалопределяющих і адсорбованих протиіонів: +(2n – x). Частина протиіонів знаходиться в дифузному шарі і компенсує заряд гранули. Якби в надлишку взяли Na 2 S, то для утворилася колоїдної міцели схема будови мала б вигляд: {[m(CuS)]•nS 2– •xNa + } –(2n – x) •(2n – x)Na + .

Міцели поверхнево-активних речовин

У тому випадку якщо концентрація поверхнево-активних речовин (ПАВ) у воді занадто висока, можуть почати формуватися агрегати з їх молекул (або іонів). Ці укрупнені частинки мають форму сфери і називаються міцели Гартлі - Ребиндера. Варто зазначити, що такою здатністю володіють далеко не всі ПАР, а тільки ті, у яких співвідношення гідрофобної та гідрофільної частин оптимально. Це співвідношення називається гідрофільно-ліпофільним балансом. Також чималу роль відіграє здатність їх полярних груп захищати вуглеводневу ядро від води.
Агрегати молекул ПАР утворюються за певними законами:

на відміну від низькомолекулярних речовин, агрегати яких можуть містити різну кількість молекул m, існування міцел ПАР можливо зі строго визначеною кількістю молекул;

якщо для неорганічних речовин старт міцелоутворення обумовлений межею розчинності, то для органічних поверхнево-активних речовин він визначається досягненням критичних концентрацій міцелоутворення;

спочатку в розчині збільшується число міцел, а потім відбувається збільшення їх розмірів.

Вплив концентрації на форму міцели

На будову міцел ПАР впливає їх концентрація в розчині. При досягненні деяких її значень, колоїдні частинки починають один з іншому взаємодіяти. Це призводить до зміни їх форми наступним чином:

сфера перетворюється в еліпсоїд, а потім в циліндр;

висока концентрація циліндрів веде до формування гексагональної фази;

у деяких випадках виникає ламелярная фаза і твердий кристал (частинки мила).

Види міцел

За особливостями організації внутрішньої структури виділяють три типи колоїдних систем: суспензоиды, міцелярні колоїди, молекулярні колоїди. Суспензоидами можуть бути незворотні колоїди, а також ліофобні колоїди. Ця структура характерна для розчинів металів, а також їх сполук (різних оксидів та солей). Будова дисперсної фази, утвореної суспензоидами, не відрізняється від структури компактної речовини. Вона має молекулярну або іонну кристалічну решітку. Відміну від суспензій полягає в більш високій дисперсності. Незворотність проявляється у здатності їх розчинів після випарювання утворювати сухий осад, який неможливо перетворити в золь простим розчиненням. Лиофобными їх називають з-за слабкої взаємодії між дисперсною фазою і дисперсійної середовищем. Мицеллярными колоїдами є розчини, колоїдні частинки яких виникають при слипании дифильных молекул, що містять полярні групи атомів і неполярні радикали. Прикладом є мила і ПАР. Молекули в таких мицеллах утримуються дисперсійними силами. Форма цих колоїдів може бути не тільки сферичну, але і пластинчастої. Молекулярні колоїди цілком стійкі без стабілізаторів. Їх структурними одиницями є окремі макромолекули. Форма частинки колоїду може змінюватись в залежності від властивостей молекули і внутрішньомолекулярних взаємодій. Так лінійна молекула може утворювати стрижень або клубок.