Конденсаційні методи. Диспергаційні методи

Конденсаційні методи. Диспергаційні методи

Колоїдні розчини можуть бути отримані диспергаційними або конденсаційними методами.  Диспергаційні методи - це способи отримання ліофобних золів шляхом подрібнення великих шматків до агрегатів колоїдних розмірів.  Конденсаційні методи - це способи отримання колоїдних розчинів шляхом об'єднання (конденсації) молекул і іонів в агрегати колоїдних розмірів. Конденсаційні методи класифікують: за природою сил, що викликають конденсацію, на фізичну конденсацію і хімічну конденсацію. Отримані, тим або іншим способом колоїдні розчини, зазвичай очищають від низькомолекулярних домішок. Видалення цих домішок здійснюється методами діалізу, (електродіаліз), ультрафільтрації.

Диспергаційні методи одержання дисперсних систем Суть цих методів зводиться до подрібнення крупніших частинок до колоїдного ступеня дисперсності. При диспергуванні речовини витрачається робота на створення нової поверхні, що супроводжується збільшенням вільної поверхневої енергії.  Залежно від виду витраченої енергії, ці методи поділяють на: механічні, електричні та акустичні. Механічне диспергування полягає у подрібненні, розтиранні речовини у спеціальних промислових і лабораторних пристроях – млинках. Найпоширенішими є кульові і планетарні млинки (грубе диспергування до частинок розміром 10–4–10–5 м), а також вібромлинки і колоїдні млинки, в яких речовина подрібнюється до колоїдного стану. Краще диспергування твердих речовин здійснюється при змочуванні їх рідинами з додаванням поверхнево-активних речовин, високомолекулярних сполук, електролітів. Останні виступають не тільки як стабілізатори, а й забезпечують розклинювальний ефект (ефект Ребіндера), який полегшує диспергування.

Електричні методи диспергування ґрунтуються на тому, що крізь рідке дисперсійне середовище, наприклад воду, пропускають електричний струм між електродами, які виготовлені з металу, колоїдний розчин якого хочуть одержати. Ці методи поєднують процеси диспергування, і конденсації: за температури вольтової дуги (метод Бредіга), або в іскровому високочастотному розряді (метод Свердберга) матеріал електродів диспергується і випаровується, а потім пара конденсується в охолодженому дисперсійному середовищі з утворенням колоїдного розчину. Акустичні методи диспергування ґрунтуються на використанні спрямованого ультразвукового поля, тобто коливань великої частоти (105–106 Гц), які утворюються за допомогою спеціальних приладів. Диспергування відбувається внаслідок кавітаційного руйнування, тобто швидкого чергування стиснень і розріджень, і великого імпульсного тиску (порядку тисяч атмосфер). Так одержують високодисперсні емульсії і суспензії, придатні для внутрішньовенного введення. Крім того, під дією ультразвуку відбувається стерилізація колоїдних розчинів, суспензій, емульсій, тому що кавітація викликає руйнування мікроорганізмів.

Фізико-хімічне диспергування (пептизація). Пептизацію тільки умовно можна віднести до диспергаційних методів одержання колоїдних розчинів, оскільки в цьому методі відсутній процес подрібнення частинок великого розміру до колоїдного ступеня дисперсності.  Процес пептизацїі полягає в дезагрегації частинок свіжодобутого осаду під дією пептизатора – стабілізатора, яким є електроліт, який надає системі агрегативної стійкості.  Так одержують золі зі свіжодобутих осадів гідроксидів Цинку, Феруму, Алюмінію. Розрізняють три способи пептизації: адсорбційну (безпосередню), дисолюційну (хімічну або посередню), а також промивання осаду розчинником (дисперсійним середовищем). Адсорбційна пептизація відбувається тоді, коли до промитого дистильованою водою осаду додають електроліт, який містить йон, що може вибірково адсорбуватись на агрегаті, утворюючи міцелу. Наприклад, золь ферум (ПІ) гідроксиду можна одержати за реакцією: Fe. Cl3 + 3 NH4 OH = Fe(OH)3 (т) + 3 NH4 Clодержують червоно-бурий осад Fe(OH)3. Осад фільтрують, декілька разів промивають дистильованою водою, вимиваючи йони електролітів. При додаванні невеликої кількості пептизатора – солі Fe. Cl3 – осад дезагрегується, утворюючи червоно-бурий золь Fe(OH)3. Будова міцели золю така:{[(m Fe(OH)3) n. Fe3+]3n+ 3(n–x)Cl–}3x+ 3x. Cl–

За дисолюційної пептизації на частинках осаду адсорбуються не йони використаного електроліту, а продукти його взаємодії з поверхневими молекулами осаду. За такої пептизації дуже важливо, щоб кількість реагенту, який розчиняє осад, була малою, інакше може розчинитись весь осад. Пептизація може також спостерігатись при додаванні до осаду неелектролітів (наприклад, багатоатомних спиртів), карбонових кислот. Молекули неелектролітів адсорбуються на частинках осаду і захищають їх від злипання. Пептизації промиванням розчинником (дисперсійним середовищем) зазнають осади, які були одержані за умови значного надлишку одного із реагентів. У цьому випадку подвійний електричний шар на частинках осаду дуже стиснутий і електростатичні сили відштовхування між частинками осаду не виявляються. Щоб відновити останні і створити нормальну структуру подвійного електричного шару, необхідно зменшити концентрацію електроліту шляхом промивання осаду розчинником або дисперсійним середовищем. За цих умов надлишок електроліту вимивається і утворюється стійкий золь.

Конденсаційні методи одержання колоїдних систем Конденсаційні методи одержання колоїдних систем поділяють на: фізичні та хімічні. Методи фізичної конденсації ґрунтуються тільки на фізичних явищах без перебігу хімічних реакцій (конденсація пари, заміна розчинника тощо). 1. Конденсація пари. Наочним прикладом одержання золів шляхом конденсації пари є утворення аерозолів – туману, диму. Із зниженням температури тиск пари стає дещо більшим за рівноважний тиск над рідиною (або твердим тілом), в результаті чого у газовій фазі утворюються краплинки рідини (туман) або тверді частинки (дим). Ліозолі одержують під час одночасної конденсації пари речовин, що утворюють дисперсну фазу і дисперсійне середовище. 2. Метод заміни розчинника ґрунтується на заміні дисперсійного середовища, що відбувається при додаванні невеликої кількості істинного розчину речовини до розчинника, в якому ця речовина нерозчинна або малорозчинна (обидва розчинники повинні необмежено змішуватися). Це призводить до утворення високодисперсної системи. Як приклад можна навести одержання гідрозолів сірки, каніфолі, ефірних олій, смол, які легко розчиняються в етанолі, але практично нерозчинні у воді. Тому, якщо невеликий об'єм молекулярного розчину сірки в етанолі (істинний розчин) влити у воду, то одержаний водно-спиртовий розчин стане пересиченим, що призведе до агрегації молекул сірки з утворенням злегка каламутного золю.

3. Методи хімічної конденсації. В основі цих методів лежать хімічні реакції, що супроводжуються утворенням малорозчинних речовин. З цією метою головним чином використовують реакції подвійного обміну, відновлення, окиснення та гідролізу. Високодисперсні системи одержують при додаванні до розбавленого розчину одного реактиву невеликої кількості концентрованого розчину іншого реактиву. Останній відіграє роль стабілізатора колоїдної системи. Нова дисперсна фаза, що складається з агрегатів нерозчинної речовини, спочатку часто має аморфну будову, а з часом набуває кристалічної структури. Отже, щоб одержати золь, необхідно виконати три умови:дисперсна фаза має бути нерозчинною у дисперсійному середовищі;у системі має бути стабілізатор, який надає їй стійкості;частинки дисперсної фази мають колоїдний ступінь дисперсності (d = 10–7–10–9 м). При одержанні золів методом хімічної конденсації стабілізатором є одна з реагуючих речовин, що взята в надлишку, або ним може бути електроліт, що утворюється внаслідок перебігу паралельної реакції. Реакції подвійного обміну дають змогу одержати золі малорозчинних сполук: сульфатів, карбонатів, сульфідів, фосфатів багатьох металів, галогенідів аргентуму, силікатної кислоти тощо.

Золь берлінської блакиті одержують в результаті реакції між розчинами солі Ферум (Ш) Fe3+ і калій гексаціаноферату(П) (жовтої кров'яної солі): Fe. Cl3 + K4[Fe(CN)6] → KFe[Fe(CN)6] (т) + 3 KCl, або4 Fe. Cl3 + 3 K4[Fe(CN)6] → Fe4[Fe(CN)6]3 (т) + 12 KCl При надлишоку Fe. Cl3 на агрегаті адсорбуються потенціалвизначальні йони Fe3+ (правило Панета – Фаянса) і гранули мають позитивний заряд. Будова міцели:{[(m. KFe[Fe(CN)6]) n. Fe3+]3n+ 3(n-x)Cl–}3x+ 3x. Cl–, або{[(m. Fe4[Fe(CN)6]3) n. Fe3+]3n+ 3(n-x)Cl–}3x+ 3x. Cl–. Реакцією гідролізу одержують золі гідроксидів Феруму (Ш), Алюмінію, Хрому (Ш), Купруму, Цинку тощо. З цією метою розчин солі відповідного металу доливають до киплячої води. Наприклад, у гарячій воді гідроліз Fe. Cl3 відбувається до кінця: Fe. Cl3 + 3 HOH → Fe(OH)3 (т) + 3 HCl. Проте утворення осаду не спостерігається. Під час перебігу паралельної реакції: Fe(OH)3 + HCl → Fe. OCl + 2 H2 Oутворюється електроліт Fe. OCl, який виконує функцію стабілізатора. Будова міцели:{[(m. Fe(OH)3) n. Fe. O+]n+ (n-x)Cl–}x+ x. Cl–. Одночасно утворюється золь ферум (Ш) гідроксиду, міцела якого має таку будову (стабілізатор – надлишок Fe. Cl3):{[(m. Fe(OH)3) n. Fe3+]3n+ 3(n-x)Cl–}3x+ 3x. Cl–. Порівнюючи конденсаційні та диспергаційні методи одержання дисперсних систем, можна зробити висновок, що для одержання систем із необхідним ступенем дисперсності (d = 10–7 – 10–9 м) придатні в основному методи конденсації, які практично не потребують енергетичних витрат. Однак більшого практичного застосування набули методи диспергування.