Лекция 4. Тақырыбы: Коллоидтық күй

1.1.Коллоидтық күйдің термодинамикасы.

1.2. Дисперстік дәрежесі бойынша коллоидты жүйелерді классификациялау.

1.3. Байланыстырғыш заттарды бірігуі мен қатаюының коллоидты-химиялық теориясы.

Кез келген екі компонентті жүйеде компоненттердің біреуі екіншісінде бөлшектеніп, біркелкі таралған күйде болса, онда оны дисперсионды жүйе деп атайды. Дисперсионды жүйе дисперсионды ортадан және дисперсті фазадан тұрады. Дисперсті фаза дисперсионды ортада біркелкі таралады. Дисперсті жүйеларді дисперсті фаза бөлшектерінің шамасына қарай ірі дисперсті жүйелар, колллоидты жүйелар және нағыз ерітінділер деп үшке бөледі.

Нағыз ерітінділерде дисперсионды орта ролін еріткіш, ал дисперсті фаза ролін заттың молекулары немесе иондары атқарады. Ондағы бөлшектердің мөлшері 10^-10м. Нағыз ерітінділерге тән қасиеттер: мөлдір, сүзгі қағаздан және жартылай өткізгіштерден оңай өтетін, гомогенді (бір фазалы) жүйе, кинетикалық тұрақты, Фарадей – Тиндаль эффектісін көрсетпейді. Осмостық қысымы едәур жоғары; өздігінен және оңай алынады, жақсы диффузияланады, ескірмейді. Мысалы, қант, тұз, қышқыл және негіз ерітінділері.

Ірі дисперсті жүйелер – суспензиялар (жүзінділер) мен эмульсияларда дисперсті фаза бөлшектерінің мөлшері 10^-7м артық болады. Суспензияда дисперсионды орта сұйық, ал дисперсті фаза қатты болады. Эмульсияда дисперсионды орта да, фаза да сұйық болады. Мысалы, саздың судағы жүзіндісі, сүт және т.б. Ірі дисперсті жүйелар кинетикалық тұрақсыз. Ондағы дисперсті фаза бөлшектері ауырлық күшінің әсерінен тұнбаға оңай шөгеді, мөлдір емес, әртекті, лайлы. Осмостық қысым туғызбайды. Фарадей – Тиндаль эффектісі байқалмайды. Дисперсті фаза бөлшектері сүзгі қағаздан және жартылай өткізгіштен өтпейді. Демек, сүзіп тазалауға болады.

Коллоидты жүйелерде дисперсті фаза бөлшектерінің мөлшері 10^-9-10^-7м. Оларға тән қасиеттер: мөлдір, сүзгі қағаздан оңай өтеді, ал жартылай өткізгіштен өтпейді; микрогетерогенді, яғни көп фазалы жүйе, Фарадей-Тиндаль эффектісі байқалады. Термодинамикалық тұрақсыз жүйе. Уақыт артқан сайын ескіреді, яғни дисперсті фаза бөлшектері өзара бірігіп, іріленеді. Коллоидты ерітінділер түзілу үшін энергия жұмсалады. Осмостық қысым туғызады. Дисперсті фаза бөлшектері бірнеше ондаған молекулалардан тұрады, сондықтан да жеке молекулаға қарағанда едәуір ірі. Олардың дисперсионды ортамен жанасу беті өте үлкен. Коллоидты бөлшектер ауырлық күшінің әсерінен тұнбаға шөкпейді. Егер ірі дисперсті жүйелардағы дисперсті фаза бөлшектерін қаруланбаған көзбен көруге болатын болса, коллоидты ерітіндідегі бөлшектерді арнаулы микроскоптармен ғана көруге болады.

Коллоидты жүйеде дисперсті фаза бөлшектері қатты күйде, ал орта сұйық күйде болса, бұл типтегі ерітінділерді зольдер деп атайды. Егер коллоидты жүйедегі дисперсті орта да, дисперсті фаза да сұйық заттың бөлшектерінен құралған болса, онда оларды эмульсиялар деп атайды. Мысалы, алтын, күмісғ күміс иодиді, темір гидроксиді зольдері, судағы бензол, май эмульсиялары және т.б.

Коллоидты ерітінділердің қасиеттерін нағыз ерітінділер және ірі дисперсті жүйелердің қасиеттерімен салыстыратын болсақ, олардың аралық орын алатынын көреміз. Коллоидты ерітінділердің халық шаруашылығындағы маңызы өте үлкен. Олар тамақ өнеркәсібінде, тері илеуде, кино өндірісінде, бояу мен дәрі-дәрмек өндіруде және т.б. үлкен рол атқарады. Коллоидты ерітінділерді алудағы негізгі екі жолы бар:

1) Ірі бөлшектерді ұнтақтау немесе дисперстеу әдісі

2) Атомдарды немесе молекулаларды агрегациялау, яғни өзара біріктіріп, ірілендіру жолы. Бұл әдісті конденсациялау деп атайды.

Дисперстеу әдісі: механикалық, электрлік дисперстеу, ультра дыбыспен дисперстеу және пентизация әдістері болып төртке бөлінеді.

Механикалық ұнтақтау дисперсті фаза ролін атқаратын затты ұзақ уақыт езгілеп, ұнтақтап дисперсионды ортамен араластыруға негізделген. Зольдің тұрақтылығын арттыру үшін жүйеға стабилизатор қосады. Металдың золін электр жолымен алу үшін сол металдан екі электрод жасап дисперсті ортаға батырады да, еріткіштегі екі ұшын жақындастырып, ток көзін үлкен кернеу туғызады (І=5-10 A, U=100B). Нәтижесінде электродтардан металл атомдары ерітіндіге көшіп золь алынады. Осы жолмен практикада алтынның, платинаның, күмістің зольдерін алады. Коллоидты жүйеларды алу үшін соңғы кезде ультра дыбыспен әсер ету әдісі қолданыл бастады. Секундына тербеліс жиілігі 2000 артық ультра дыбыспен кристалдық торы оншалық берік емес заттарды өңдеу арқылы олардың золін алуға болады. Мысалы, күкірттің, графиттің, сынап пен қорғасынның және т.б. заттардың зольдерін осы жолмен алуға болады. Кейбір жаңадан алынған көлемді шөгінділерге арнаулы заттар – пептизаторлар қосу арқылы оларды коллоидты жүйеға айналдыруға болады.

Пептизаторлар коллоидты бөлшектер бетіне абсорбцияланып, олардың зольге айналуына себеп болады. Зольдерді алудың бұл әдісін пептизация деп атайды. Осы жолмен көлемді болып келген темір гидроксидін тұз қышқылымен өңдеп, оның золін алуға болады.

Конденсация әдісімен коллоидты жүйеларды алудың мынадай жолдары бар: дисперсионды ортаны алмастыру әдісі: конденсациялау және химиялық әдіс.

Дисперсионды ортаны алмастыру әдісінде заттың нағыз ерітіндісіне дисперсионды ортамен жақсы аласатын, бірақ дисперсті фаза ерімейтін сұйықтық қосады, нәтижесінде еріген зат өте ұсақ дисперсті фаза түрінде бөліне бастайды, яғни нағыз ерітіндіге еріген заттың бөлшектері өзара бірігіп конденсацияланып коллоидты күйге көшеді. Осы жолмен күкірттің судағы, канифольдің спирттегі ерітінділерін алуға болады.

Тікелей конденсациялау әдісі еріген зат пен еріткіш буларының салқын дене бетінде конденсацияланып дисперстеуіне негізделген. Бұл жолмен әртүрлі металдардың, мысалы, алтын, күміс, мыс, платинаның және т.б. судағы, спирттегі, глицериндегі және бензолдағы зольдерін алуға болады.

Мұндағы m – мицелла агрегатындағы AgI молекулаларының саны; n – потенциамл анықтаушы иондардың саны; (n-x) – ядро маңындағы яғни адсорбциялық қабаттағы қарсы иондар саны. х- диффузиялық қабаттағы қарсы иондар саны. n>(n-x) болғандықтан коллоидты бөлшекті жазып көрсетуге болады. Мысалы, темір гидроксидінің коллоидты бөлшегі. Стаблизатор ролін FeOCI атқарады.

Ерітіндіден агрегатқа (ядроға) оның құрамындағы бөлшектерге табиғаты ұқсас келетін иондар адсорбцияланады.

Адсорбциялық қабаттағы иондар ядродағы қарсы зарядты-иондарды толық нейтралдамайды. (nn-x)

Коллоидты бөлшектің, яғни грануланың зарядының таңбасы ядро бетіндегі иондардың зарядының таңбасымен анықталады. Себебі адсорбциялық қабаттағы иондар саны ядро бетіндегі иондардың санынан әлде қайда кем (nn-x).

Диффузиялық қабаттағы қарсы иондар грануланың артық зарядын нейтралдайды. Жалпы алғанда мицелла электронейтрал бөлшек.