Реферат с презентацией на тему: "Коллоидные системы"

Коллоидные системы.

Коллоидные системы  (от греч. kolla - клей и eidos – вид)  aнгл. colloid systems; нем. Kolloidsysteme; фр. systemes colloidaux; исп., ит.  sistemas coloidales, sistemas coloideas), коллоидно-дисперсные системы, коллоиды, - ультрамикрогетерогенные  системы, представляющие собой совокупность множества мелких частиц дисперсной фазы, распределённых в объёме непрерывной дисперсионной среды. Величина частиц дисперсной фазы  от 1000 нм – 100 нм до 1 нм.  B отличие от частиц грубодисперсных систем (суспензий, эмульсий, пен, различных сыпучих материалов, размер которых обычно превышает 1000 нм), коллоидные частицы в легкоподвижной среде участвуют в интенсивном броуновском движении и противостоят седиментации в поле сил земного притяжения, то есть, обладают высокой кинетической устойчивостью.

Коллоидные системы (коллоиды, др.-греч. κόλλα — клей и εἶδος — вид; «клеевидные», золи) — дисперсные системы, промежуточные между истинными растворами и грубодисперсными системами — взвесями. Размеры коллоидных частиц варьируются в пределах от 1 нм до 100 нм. В свободнодисперсных коллоидных системах (дымы, золи) частицы не выпадают в осадок.

Или это:

Система, в которой дискретные частицы, капли или пузырьки дисперсной фазы, имеющие размер от 1 до 100 нм, распределены в другой фазе, обычно непрерывной, отличающейся от первой по составу или агрегатному состоянию и именуемой дисперсионной средой.

Основные свойства:

1. Коллоидные частицы не препятствуют прохождению света.
2. В прозрачных коллоидах наблюдается рассеивание светового луча (эффект Тиндаля).
3. Дисперсные частицы не выпадают в осадок – Броуновское движение поддерживает их во взвешенном состоянии.

Основные виды:

1. Гидрозоли – двухфазные микрогетерогенные дисперсные системы, характеризующиеся предельно высокой дисперсностью, в которых дисперсионной средой является вода.
2. Органозоли – дисперсионной средой являются неводные (органические) растворители.

Образование коллоидных систем:

1. Путем конденсации (при выделении коллоидно-дисперсной фазы из перенасыщенного пара, раствора или расплава).  
2. Путем  диспергирования.

          Наиболее важны и многообразны коллоидные системы c жидкой дисперсионной средой. Иx делят на лиофильные (лат. «филео» - «люблю») и лиофобные (лат. «фобос» - «страх»).

Лиофильные:  частицы дисперсной фазы интенсивно взаимодействуют co средой, поверхностное натяжение на границе фаз очень мало, они термодинамически устойчивы (равновесны). K лиофильным  коллоидным системам относятся мицеллярные растворы поверхностно-активных веществ, растворы некоторых природных или синтетических высокомолекулярных соединений, органических пигментов и красителей,  эмульсии,  (таковы растворы белков, крахмала, пектинов, камедей, эфиров целлюлозы и разнообразных смол, как природных так и синтетических), a также водные дисперсии некоторых глинистых минералов.

Лиофобные: частицы слабо взаимодействуют c дисперсионной средой, межфазное натяжение довольно велико, такие системы обладают значительным избытком свободной энергии и термодинамически неустойчивы (неравновесны). Термодинамическая  неустойчивость лиофобных коллоидных систем  проявляется в самопроизвольном укрупнении частиц дисперсной фазы вследствие коагуляции, коалесценции (слияния) и процессов «переконденсации» или собирательной рекристаллизации. Типичные лиофобные коллоидные системы – золи металлов, оксидов и гидроксидов, сульфидов, золи драгоценных металлов, золи металлоидов (серы, селена, теллура), золи сульфидов мышьяка, сурьмы, кадмия, ртути, золи гидроксидов железа, алюминия, дисперсии полимеров в воде (например, полистирола, фторолона), синтетические латексы и др. Эти системы характеризуются  агрегативной неустойчивостью и требуют стабилизации.

          Коллоидные системы необычайно лабильны, т.е. неустойчивы. Для многих из них достаточно прибавления ничтожного количества электролита, чтобы вызвать выпадение осадка. Причина столь легкого изменения состояния коллоидных систем связана с непостоянством степени их дисперсности. Присутствие в жидкой дисперсионной среде адсорбционно-активных веществ – стабилизаторов – обеспечивает агрегативную устойчивость, т.e. длительное постоянство их дисперсного состава. Устойчивость таких систем связана с наличием слоя стабилизатора на поверхности коллоидных частиц. Таким образом, необходимым условием создания устойчивых коллоидных систем является присутствие третьего компонента – стабилизатора. Стабилизаторами коллоидных систем могут быть электролиты или некоторые другие вещества, не имеющие электролитной природы, например высокомолекулярные соединения (ВМС) или поверхностно-активные вещества (ПАВ).

          Механизм стабилизации электролитами и неэлектролитами существенно различен. Влияние электролитов на устойчивость коллоидных систем носит сложный характер. В одних случаях ничтожные добавки электролита способны привести к нарушению устойчивости системы. В других - введение электролита способствует увеличению стабильности. Образование адсорбционных слоев таких стабилизаторов, как ПАВ, приобретает особенно большое значение при наличии двухмерных структур, обладающих повышенными структурно-механическими свойствами. Во многих случаях стабилизация достигается при покрытии монослоем всего 40-60 % поверхности коллоидных частиц, когда защитный слой имеет прерывистый характер (в форме островков). Максимальная устойчивость достигается, естественно, при образовании полностью насыщенного мономолекулярного слоя. Структурно-механические свойства адсорбционных слоев в значительной мере определяют поведение коллоидных систем. Эти слои могут быть образованы или изменены небольшими количествами каких-либо растворенных веществ, поэтому создается возможность регулирования ряда свойств коллоидных систем, что широко используется в различных практических приложениях.

Коллоидные растворы проявляют специфические свойства: коагуляции и адсорбции.

Коагуляция.

          Коагуляция (от лат. coagulatio — свертывание, сгущение), также старение – объединение мелких частиц дисперсных систем в более крупные под влиянием сил сцепления с образованием коагуляционных структур. Коагуляция — физико-химический процесс слипания коллоидных частиц, выпадение осадка происходит в результате лишения коллоидных частиц адсорбционной оболочки, нейтрализации заряда или химических превращений.

          Коагуляция (иначе агрегация,  флокуляция)   (англ. coagulation) — слипание коллоидных частиц друг с другом и образование из них более сложных агрегатов. Слияние капель жидкости или газовых пузырьков называется коалесценцией.

          Коагуляция представляет собой процесс укрупнения частиц, а седиментация является конечным результатом этого процесса, однако термин «коагуляция» часто используют для обозначения данного явления в целом.

          Коагуляция ведёт к выпадению из коллоидного раствора хлопьевидного осадка или к застудневанию. Коагуляция – естественный, самопроизвольный процесс расслаивания коллоидного раствора на твёрдую фазу и дисперсионную среду.

Причины коагуляции:

1. Столкновение коллоидных частиц в результате броуновского движения. (Столкновения частиц, происходящие ввиду броуновского движения, далеко не всегда приводят к их слиянию.)
2. Нагревание: при нагревании уменьшается адсорбционная способность коллоидных частиц, поэтому крупные частицы, ставшие нейтральными, притягиваются друг к другу, образуя осадок;
3. Замораживание: при замораживании образуются кристаллики воды, в результате в оставшейся части системы происходит концентрирование золя, и частицы могут приходить друг с другом в контакт и слипаться.
4. Действие электрического поля: под действием электрического тока крупные заряженные коллоиды притягиваются к соответствующему (противоположно заряженному) электроду и там разряжаются, образовавшиеся нейтральные частицы притягиваются друг к другу и дают осадок. Явление разряда мицелл под действием электрического тока называется электрофорезом;
5. Добавлении коагулянтов – веществ, ускоряющих коагуляцию, в частности, электролитов (электрокоагуляция). Прибавление сильного электролита приводит к нейтрализации коллоидных частиц.  Двойной электрический слой, окружающий дисперсные частицы, отталкивает их друг от друга. Электролиты разрушают и деформируют этот слой, ускоряя коагуляцию и коалесценцию. Эффективность процесса зависит от вида электролита и его валентности.
6. Механическое  воздействие на систему.

Скорость старения (коагуляции) зависит:

1. от напряжения на границе раздела фаз,
2. радиуса частиц,
3. коэффициента диффузии,
4. температуры,
5. растворимости макрофазы.

          Монодисперсные системы стареют крайне медленно.  При слиянии твёрдые частицы сохраняют свою прежнюю форму. Коагуляция наиболее характерна для дисперсий твердых веществ – золей и суспензий. Достигнув определенного размера, коллоидные частицы становятся уже неспособными удерживаться во взвешенном состоянии и выделяются из той среды, в которой они были распределены, происходит седиментация коллоида.

Адсорбция.

Адсорбция – самопроизвольный процесс увеличения концентрации одного вещества (адсорбата) на поверхности другого (адсорбента). Адсорбция происходит на любых межфазовых поверхностях, адсорбироваться могут любые вещества.
         Развитие промышленного адсорбционного метода началось с очистки углем растворов от примесей в 1785 г. Адсорбционная техника в разные периоды базировалась на применении различных адсорбентов. До 1914 г. использовали углеродные адсорбенты (их получали из различных видов органического сырья: торфа, бурого и каменного угля, антрацита, дерева, костей). До 40-х годов XX века в основном применяли силикагель SiO2  для осушки и очистки, разделения спиртов, аминокислот, витаминов, антибиотиков и др. После 50-х годов XX века и в настоящее время применяются синтетические цеолиты (Me2O×Al2O3×SiO2), где Me - это ионы K+ или Na+ (из них делают молекулярные сита). Диаметр пор 4-7Å, (1Å(анкстрем) = 10-10 м). Молекулы Н2О поглощают, а большие молекулы - пропускают.
         Сейчас адсорбционные процессы базируются на синтетических адсорбентах. В то же время поверхность Земли, дно океана содержат огромный потенциал природных адсорбентов. Дело осталось за малым – придать этим адсорбентам товарный вид.
Применение адсорбции:
         Адсорбция широко применяется в различных отраслях народного хозяйства.

1. В медицинской практике при пищевых отравлениях в качестве адсорбентов используют молоко и активированный уголь.
2. В сельском хозяйстве в качестве “банков” удобрений используют цеолиты. Они выделяют ионы К+, NH-4, а поглощают и удерживают Са2+, Mg2+.
3. В химической технологии адсорбцию используют для очистки нефтепродуктов от малых содержаний воды, серы, селена, мышьяка, фосфора.
4. В производстве полимеров адсорбенты используют в качестве активных наполнителей, придающих изделию повышенную прочность. Так, изделия, изготовленные из саженаполненной резины, в 10 раз прочнее, чем изделия, изготовленные из резины, наполненной нейтральными наполнителями. Очистка промышленных газовых выбросов в атмосферу, выхлопных газов, кондиционирование воздуха осуществляются с помощью адсорбентов.
5. Процессы адсорбции лежат в основе разделения трудноразделимых соединений. Этот метод назван хроматографией, он предложен в 1903 г. русским учёным М.С. Цветом. Хроматография широко используется при разделении и очистке лекарственных веществ, витаминов, пигментов, алкалоидов. С помощью этого метода были разделены искусственно приготовленные трансурановые элементы: Es(№99), Fm(№100), Md(101).
6. В горнодобывающей отрасли адсорбенты используют для улавливания ценных элементов из больших объёмов жидкости, из которых выделить эти вещества другими методами нерентабельно.
7. В текстильной и кожевенной промышленности техника адсорбции применяется при крашении волокон, шерсти, кожи.
8. Адсорбция является необходимым условием для катализа.

           Коллоидные системы, состоящие из частиц диспергированного вещества, способных свободно перемещаться в жидкой дисперсионной среде совместно с адсорбированными на их поверхности молекулами или ионами третьего компонента (стабилизатора), называют лиозолями, а сами частицы, обладающие сложным строением - мицеллами.

Золи.

Золь иначе лиозоль; коллоидный раствор (англ. sol от лат. Solutio – раствор) – высокодисперсная коллоидная система (коллоидный раствор) с жидкой (лиозоль) или газообразной (аэрозоль) дисперсионной средой, в объеме которой распределена другая (дисперсная) фаза в виде капелек жидкости, пузырьков газа или мелких твердых частиц, размер которых лежит в пределе от 1 до 100 нм (10−9 – 10−7м).

В зависимости от дисперсионной среды золи бывают:

1. твердыми,
2. аэрозолями (газообразная дисперсионная среда)
3. лиозолями (жидкая дисперсионная среда).  В зависимости от природы дисперсионной  среды лиозоли называют:

1. гидрозолями (вода),
2. органозолями (органическая среда), в частности:

1. алкозолями (спирты),
2. этерозолями (эфиры) и др.

          3оли занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами (суспензиями, эмульсиями). Золи диффундируют медленнее, чем неорганические соли, обладают эффектом светорассеяния (Эффект Тиндаля).

В противоположность гелям, в золях частицы дисперсной фазы не связаны в пространственную структуру, а свободно участвуют в броуновском движении.

          Частицы дисперсной фазы лиозоля вместе с окружающей их сольватной оболочкой из молекул (ионов) дисперсионной среды называют мицеллами. К лиозолям относятся мицеллярные растворы различных типов, водные растворы биополимеров, органо- и гидрозоли металлов, синтетические латексы. Примером аэрозоля на основе жидкости является туман — взвесь капель воды в воздухе; находящийся в воздухе дым или пыль — пример твердотельного аэрозоля.

Свойства:

1. большая удельная поверхность;
2. адсорбция и плёнкообразование на поверхностях раздела;
3. агрегация, как следствие взаимодействия частиц;
4. частицы на поверхности обладают большей энергией, чем частицы внутри фазы.

Получение и применение:

1. Получают золи при помощи диспергаторов и гомогенизаторов (хотя существует точка зрения, что довольно часто это один и тот же агрегат, который разные источники называют по-разному).
2. Применяют в химии, фармацевтике, военном деле, т.к. вышеперечисленные свойства позволяют резко улучшить качественные и количественные показатели химических реакций.

Гели.

          В результате молекулярного сцепления частиц дисперсной фазы из золей при их коагуляции образуются гели. При этом не происходит разделения фаз; другими словами, переход золей в гель не является фазовым превращением. При образовании геля вся дисперсионная среда (например, вода в гидрозоле) прочно связывается поверхностью частиц дисперсной фазы  в ячейках  пространственной структуры геля. Гели способны обратимо восстанавливать свою пространственную структуру во времени, но после высушивания наступает разрушение их структуры и они теряют эту способность.

          Ге́ли (ед.ч. гель, от лат. gelo — «застываю») — структурированные дисперсные системы, состоящие из высокомолекулярных и низкомолекулярных веществ. Наличие трёхмерного полимерного каркаса (сетки) сообщает гелям механические свойства твёрдых тел (отсутствие текучести, способность сохранять форму, прочность и способность к деформации (пластичность и упругость).

           Гели (или студни) представляют собой студенистые осадки, образующиеся при коагуляции золей. К ним относят большое количество полимерных гелей, столь хорошо известные вам кондитерские, косметические и медицинские гели (желатин, холодец, мармелад, торт “Птичье молоко”) и, конечно же, бесконечное множество природных гелей: минералы (опал), тела медуз, хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и нервная ткани и т.д. Историю развития на Земле можно одновременно считать историей эволюции коллоидного состояния вещества.

            Гели состоят, по крайней мере, из двух компонентов, один из которых образует непрерывную трёхмерную макромолекулярную сетку, выступающую в роли каркаса, пустоты в которой заполнены низкомолекулярным растворителем — дисперсионной средой. Вещества, способные образовывать макромолекулярную структуру гелей, называются гелеобразователями.  К ним относятся как неорганические (диоксид кремния, оксид алюминия), так и органические вещества и их смеси (поливиниловый спирт, полиакриламид, желатина, агар-агар, пектиновые вещества и др.).

          В качестве низкомолекулярной дисперсионной среды — наполнителя геля — выступают вода, низшие моно- и олигоспирты,  углеводороды (общее название «лиогели»).

1. Гели с водной дисперсионной средой называются гидрогелями,
2. Гели со спиртовой дисперсионной средой называются алкогелями,
3. Гели с углеводородной дисперсионной средой называются  органогелями.

Гели образуются при коагуляции и последующей коалесценции золей, понижении температуры, концентрировании мицеллярных растворов мыл или выделении новой дисперсной фазы из пересыщенных растворов.

          Удалением из лиогелей жидкой среды можно получить тонкопористые тела (аэрогели или ксерогели), в которых дисперсная фаза превращается в прочные адгезионные или фазовые (когезионные) пористые структуры. Таковы алюмогель и силикагель, получаемые высушиванием гидрогелей гидроксида алюминия и кремниевых кислот.

          Гели термодинамически неустойчивы: со временем структура гелей нарушается (отслаивается) – из них выделяется вода. Это явление называют синерезисом. Вследствие синерезиса дисперсная система самопроизвольно разрушается с выделением жидкой концентрированной фазы в результате самопроизвольного уплотнения структурной сетки. При удалении низкомолекулярного растворителя (высушивании) гели, обычно, необратимо разрушаются.

Применение гелей.

1. Гели широко используются для производства разнообразных косметических, лекарственных препаратов и продукции бытовой химии (для ухода за волосами, для бритья, для наращивания ногтей и т. п.), а также для лабораторных исследований методом электрофореза и др.
2. Гелями могут заполняться анатомические имплантаты, применяемые в пластической хирургии.
3. Твердые гели (алюмогель, силикагель) широко применяются как адсорбенты.

          В современном русском языке для описания структурированных дисперсных систем, состоящих из высокомолекулярных и низкомолекулярных компонентов, параллельно используются слова «гель» и «желе» (от лат. gelo через англ. gel и фр. gelée), а также «студень» (русск.). И хотя, по существу, различий между ними нет, в химии термин «гели» применяется для характеристики необратимо разрушающихся структурированных дисперсных систем (дисперсная фаза состоит, как правило, из неорганических макромолекул). Студнями именуют системы, характеризующиеся обратимостью процесса коагуляции.

Также сложились следующие области применения терминов:

1. «гель» — химия, химическая технология, косметические и бытовые средства;
2. «желе» — в кулинарии сладкие фруктовые или ягодные студенистые блюда;
3. «студень» — в кулинарии мясное или рыбное блюдо из охлажденного мясного (или рыбного) бульона с кусочками мяса (или рыбы), значительно реже — в химической технологии и физиологии (устар.).