Коллоидные системы

• Коллоидные частицы не препятствуют прохождению света.
• В прозрачных коллоидах наблюдается рассеивание светового луча (эффект Тиндаля)^[4].
• Дисперсные частицы не выпадают в осадок — броуновское движение поддерживает их во взвешенном состоянии, но, в отличие от броуновского движения частиц, дисперсные частицы в коллоидных растворах не могут встретиться, что обусловлено одинаковым зарядом частиц.

Коллоиды по природе дисперсных частиц подразделяются на органические и неорганические, по интенсивности взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды — на лиофильные и лиофобные.

По агрегатному состоянию дисперсионной среды различают следующие коллоидные системы: газообразные (аэрозоли), жидкие (лиозоли) и твёрдые (крио- и солидозоли)^[5].

• Золь — ультрамикрогетерогенная дисперсная система, коллоидный раствор, где частицы распределены в газовой или жидкой среде.
  • Аэрозоль — золь, в котором мелкие твёрдые или жидкие частицы взвешены в газовой среде, обычно в воздухе.
    • Дым — аэрозоль, где твёрдые частицы, не выпадающие в осадок, являются взвесью в газе.
    • Туман — аэрозоль, где жидкие частицы являются взвесью в газе.
  • Лиозоль — золь с жидкостью в качестве дисперсионной среды.
• Пена — взвесь газа в жидкости или твёрдом теле.
• Эмульсия — взвесь жидких частиц в жидкости.
• Гель — взвесь из двух компонентов, один из которых образует трёхмерный каркас, пустоты в котором заполнены низкомолекулярным растворителем (обладает некоторыми свойствами твёрдого тела).
• Суспензия — взвесь твёрдых частиц в жидкости.

Из коллоидных систем наибольшее значение для химического анализа имеют гидрозоли — двухфазные микрогетерогенные дисперсные системы, характеризующиеся предельно высокой дисперсностью, в которых дисперсионной средой является вода — наиболее часто применяемый в аналитической практике растворитель. Встречаются также органозоли, в которых дисперсионной средой являются неводные (органические) растворители. 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 и 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.

В процессе титрования галогенид-ионов растворами солей серебра получаются галогениды серебра, весьма склонные к образованию коллоидных растворов. В присутствии избытка ионов Наl⁻, то есть до точки эквивалентности при титровании галогенидов ионами серебра или после точки эквивалентности при титровании ионов серебра галогенидами, вследствие адсорбции ионов Hal⁻ взвешенные частицы AgHal приобретают отрицательный заряд:

mAgHal + nНаl⁻ → [AgHal]_m · nНаl⁻

В присутствии избытка ионов Ag^± (то есть до точки эквивалентности при титровании ионов серебра галогенидами или после точки эквивалентности при титровании галогенидов ионами серебра) взвешенные частицы приобретают положительный заряд:

mAgHal + nAg⁺ → [AgHal]_m · nAg⁺

Таким образом, заряд взвешенной частицы [AgHal]_m · nHal⁻ или [AgHal]_m · nAg⁺ определяется зарядом ионов, адсорбированных на поверхности ядра мицеллы [AgHal]_m, и зависит от наличия в системе избытка Hal⁻ или Ag⁺, обусловливающих отрицательный или положительный заряд взвешенной частицы золя.

Помимо адсорбционного слоя, находящегося на поверхности ядра мицеллы и обусловливающего определённый электрический заряд, в состав мицеллы входит также часть ионов противоположного знака, образующих второй (внешний) слой ионов.

Например, в процессе титрования иодида калия раствором нитрата серебра

Ag⁺ + NO₃⁻ + К⁺ + I⁻ → AgI + K⁺ + NO₃⁻

образуются мицеллы следующего строения:

• мицеллы, образуемые AgI при избытке нитрата серебра:

{[AgI]_m · nAg⁺ · (n − x)NO₃⁻}^x+ · xNO₃⁻

• мицеллы, образуемые AgI при избытке иодида калия:

{[AgI]_m · nI⁻ · (n − x)K⁺}^x− · xK⁺

Коллоидные частицы, несущие одноимённые электрические заряды, отталкиваются друг от друга. Силы взаимного отталкивания мешают частичкам сблизиться настолько, чтобы произошло взаимное притяжение. В то же время заряженные частички обладают высокой адсорбционной способностью, они притягивают к себе частицы, несущие обратные по знаку электрические заряды, и образуют с ними малорастворимые соединения. В первую очередь на поверхности заряженных коллоидных частиц адсорбируются те ионы, которые дают наименее растворимые осадки с ионами, входящими в состав этих частиц. Кроме того, адсорбируются те ионы, концентрация которых наибольшая. Например, при осаждении AgI могут соосаждаться вместе с ним Вr⁻, Cl⁻, SCN⁻ и другие ионы. При титровании галогенидов, не содержащих посторонних примесей, осадком адсорбируются имеющиеся в растворе ионы Наl⁻, сообщая частичкам AgHal отрицательные заряды. И в том, и в другом случаях результаты титрования искажаются. Поэтому требуется строго соблюдать условия осаждения, рекомендуемые в методиках определения тех или иных веществ.

Существует несколько методов анализа коллоидных систем, среди них есть химические и физико-химические методы: анализ с помощью адсорбционных индикаторов; методы на основе измерения рассеяния проходящего света (нефелометрия и турбидиметрия); методы на основе измерения скорости седиментации (седиментационный анализ), а также скорости броуновского движения в коллоидных системах (анализ траекторий наночастиц), динамическое и статическое светорассеяние.