Характеристики коллоидного состояния

Толщина межфазной поверхности составляет около 0,5–2 нм, поэтому коллоидная частица должна иметь размер, по крайней мере, в два раза превышающий толщину поверхностного слоя. Следовательно, нижний предел размера коллоидной частицы составляет 1 нм, верхний предел условно составляет 100 нм. Коллоидные частицы могут быть трехмерными, если все измерения имеют порядок коллоидного измельчения, двухмерными (пластинчатыми), если два измерения — этого порядка, или одномерными (нитевидными), если одно измерение имеет коллоидное измельчение.

Дисперсная система

Это система, содержащая диспергирующую среду и диспергированное вещество. Ее можно классифицировать на несколько типов:

1. когда диспергированное вещество представляет собой совокупность частиц одинакового размера — монодисперсная,
2. когда частицы диспергированного вещества имеют различные размеры — полидисперсная,
3. частицы диспергированного вещества имеют одинаковую форму (например, палочки, шарики, пластинки) — единообразная,
4. частицы диспергированного вещества имеют разные формы — многообразная.

Коллоидные системы

Диспергированная (дисперсионная) фаза присутствует в небольшом количестве по сравнению с количеством другой фазы, которая представляет собой непрерывную дисперсионную среду. Непрерывная фаза (например, растворитель) называется дисперсионной средой. Диспергированную фазу образует второй компонент. Коллоидные частицы находятся посредине между системами с молекулярным измельчением (например, растворы) и механическим измельчением (суспензии, взвеси). И диспергированная фаза, и диспергирующая фаза могут существовать в любом из агрегатных состояний. Одним из основных условий стабилизации большинства коллоидных систем является электрический заряд частиц диспергированной фазы. На поверхности каждой частицы имеется так называемый электрический слой, т. е:

• стационарный слой, образованный сильно адсорбированными ионами и диполями, непосредственно на поверхности коллоидной частицы,
• диффузионный слой, в котором ионы и диполи распределены определенным образом, но находятся на определенном расстоянии от поверхности молекул, менее прочно связаны с ней и могут менять свое положение.

Такое расположение ионов и диполей приводит к возникновению разности потенциалов на границе фаз: коллоидная частица и дисперсионная среда.  Нейтрализация электрических зарядов коллоидов часто приводит к разрушению коллоидного состояния путем отделения диспергированной фазы в виде более крупных скоплений, что называется коагуляцией.

Приготовление коллоидов

Многие вещества можно перевести в состояние коллоидного измельчения, применяя подходящую дисперсионную среду, температуру и технику работы. Его можно получить путем дисперсии (измельчения) макроскопических систем либо конденсации атомов, ионов или молекул в агрегаты (сконцентрированные частицы) определенных размеров. Основные методы делятся на дисперсионные и конденсационные.

1. Дисперсионные методы: механическое измельчение (помол), электрическое диспергирование, ультразвуковое распыление, термическое распыление, коллоидное растворение, процесс пептизации. Измельчение — это работа против сил сплочения.

Выбор метода зависит от агрегатного состояния диспергирующей среды и диспергированного вещества. Для макромолекулярных веществ достаточно растворить вещество в подходящем растворителе (например, полистирол в бензоле). Если дисперсионная среда представляет собой органическую жидкость, то измельчение необходимо выполнять с добавлением высших органических кислот.

2. В процессах конденсации из атомов, ионов или частиц образуются агрегаты больших размеров. Конденсация в растворах связана с протеканием химических реакций либо с определенным физическим явлением, и в основном это методы, включающие снижение растворимости, восстановление, окисление, обменные реакции, полимеризацию, гидролиз. В химических реакциях частицы образуются металлическими, ионными или ковалентными связями, а в физических процессах — межмолекулярными силами.

Примером может служить реакция восстановления растворов солей благородных металлов, при которой получаются гидрозоли этих металлов. В качестве восстановителей могут выступать перекись водорода, муравьиный альдегид, гидразин и соли железа. Методом реакции химического восстановления были получены гидрозоли золота, серебра, платины. Выделенные атомы металла объединяются, образуя кластеры (скопления) атомов коллоидных размеров.

Классификация коллоидов

1. По способу перехода в коллоидное состояние:
   1. ассоциативные — переходящие в коллоидное состояние спонтанным образом;
   2. дисперсионные — образованные путем принудительного измельчения диспергированного вещества.
2. По агрегатному состоянию:
   1. аэрозоли — диспергирующей средой является газ, например, туман, пыль;
   2. золи, коллоидные растворы — диспергирующей средой является жидкость, например, пена, молоко;
   3. пирозоли — диспергирующей средой является твердое вещество, например, пемза, люминофорный жемчуг.
3. По морфологии:
   1. изометрические, где все три измерения (длина, ширина, высота) равны, например, сферы, кубы;
   2. анизометрические, где размеры отличаются, например, палочки, пластинки.
4. По сродству коллоидных частиц к растворителю:
   1. лиофильные — имеют высокое сродство к растворителю, высокую стабильность;
   2. лиофобные — имеют низкое сродство к растворителю.

Примеры коллоидов

Эмульсии — коллоидные системы, в которых диспергирующая среда и диспергированное вещество находятся в жидком состоянии. Жидкости не смешиваются друг с другом, но одна из них диспергирована в другой в виде мелких капель. Как правило, одну фазу составляет вода, а другой является так называемая масляная фаза. В зависимости от структуры и объемных соотношений фаз эмульсии можно классифицировать на систему типа «вода-в-масле» (в/м), где диспергирующей фазой является масло, а диспергированной — вода, и аналогично — «масло-в-воде» (м/в).

Аэрозоли получают путем диспергирования твердого вещества (дымы) или жидкости (туманы) в газе. Дым — это результат измельчения твердых частиц в газе, а также результат химической реакции, например, NH₃ + HCl -> NH₄Cl. Туманы являются результатом конденсации жидкостей в пересыщенных парах. Примеры размеров молекул 10–1000 Å (ангстрем), например, табачный дым 2–10 Å, капли в облаках 40–100 Å.

Пены получают путем диспергирования газообразного вещества в жидкости. Частицы газа разделены тонкими слоями жидкости, которые образуют «каркас» пены. Стабильность зависит от усиления мембран, отделяющих частицы газа тонкими прослойками поверхностно-активных веществ. Образование пен, размер частиц диспергированного газа и их стабильность имеют существенное значение в процессе обогащения руд — флотации. Поверхностно-активные вещества, добавленные в водную суспензию тонкоизмельченной руды, образуют с нагнетаемым воздухом мелкие частицы пены, которые избирательно взаимодействуя с рудой, отделяют ее от пустой породы.