Коллоидты жүйелер кез келген адамның өмірінде өте маңызды. Бұл тірі ағзадағы барлық дерлік биологиялық сұйықтықтардың коллоидтар түзетіндігімен ғана байланысты емес. Бірақ көптеген табиғи құбылыстар (тұман, түтін), топырақ, минералдар, азық-түлік, дәрі-дәрмек те коллоидтық жүйелер.
Құрамы мен ерекше қасиеттерін көрсететін мұндай түзілістердің бірлігі макромолекула немесе мицелла болып саналады. Соңғысының құрылымы бірқатар факторларға байланысты, бірақ ол әрқашан көп қабатты бөлшек болып табылады. Қазіргі молекулалық-кинетикалық теория коллоидты ерітінділерді еріген заттың үлкенірек бөлшектері бар шынайы ерітінділердің ерекше жағдайы ретінде қарастырады.
Колоидтық ерітінділерді алу әдістері
Коллоидтық жүйе пайда болған кезде пайда болатын мицелланың құрылымы ішінара осы процестің механизміне байланысты. Коллоидтарды алу әдістері түбегейлі екі түрлі топқа бөлінеді.
Дисперсия әдістері айтарлықтай үлкен бөлшектерді ұнтақтаумен байланысты. Бұл процестің механизміне байланысты келесі әдістер бөлінеді.
- Таңдау. Құрғақ немесе жасауға боладыдымқыл жол. Бірінші жағдайда қатты зат алдымен ұсақталады, содан кейін ғана сұйықтық қосылады. Екінші жағдайда, зат сұйықтықпен араласады, содан кейін ғана ол біртекті қоспаға айналады. Ұнтақтау арнайы диірмендерде жүзеге асырылады.
- Ісіну. Ұнтақтау еріткіш бөлшектерінің дисперстік фазаға енуіне байланысты қол жеткізіледі, бұл оның бөлшектерінің бөлінуіне дейін кеңеюімен бірге жүреді.
- Ультрадыбыспен дисперсия. Ұнтақталған материал сұйықтыққа салынып, ультрадыбыстық әсерге ұшырайды.
- Электр соғу дисперсиясы. Металл ерітінділерін өндіруде сұранысқа ие. Ол дисперсті металдан жасалған электродтарды сұйықтыққа орналастыру, кейін оларға жоғары кернеу беру арқылы жүзеге асырылады. Нәтижесінде металды шашыратып, содан кейін ерітіндіге конденсацияланатын вольт доғасы пайда болады.
Бұл әдістер лиофильді және лиофобты коллоидты бөлшектер үшін қолайлы. Мицелла құрылымы қатты дененің бастапқы құрылымының бұзылуымен бір мезгілде жүзеге асырылады.
Конденсация әдістері
Бөлшектерді үлкейтуге негізделген әдістердің екінші тобы конденсация деп аталады. Бұл процесс физикалық немесе химиялық құбылыстарға негізделуі мүмкін. Физикалық конденсация әдістеріне мыналар жатады.
- Еріткішті ауыстыру. Ол затты өте жақсы еритін бір еріткіштен ерігіштігі әлдеқайда төмен екінші еріткішке ауыстыруға келіп тіреледі. Нәтижесінде ұсақ бөлшектерүлкенірек агрегаттарға біріктіріліп, коллоидты ерітінді пайда болады.
- Бу конденсациясы. Мысал - бөлшектері суық беттерге қонып, бірте-бірте үлкейе алатын тұман.
Химиялық конденсация әдістері күрделі құрылымды тұнбамен бірге жүретін кейбір химиялық реакцияларды қамтиды:
- Ион алмасу: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Тотығу-тотықсыздану процестері: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2О.
- Гидролиз: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Химиялық конденсация шарттары
Осы химиялық реакциялар кезінде түзілетін мицеллалардың құрылымы оларға қатысатын заттардың артық немесе жетіспеуіне байланысты. Сондай-ақ, коллоидты ерітінділердің пайда болуы үшін аз еритін қосылыстың тұнбаға түсуіне жол бермейтін бірқатар шарттарды сақтау қажет:
- аралас ерітінділердегі заттардың мөлшері аз болуы керек;
- олардың араластыру жылдамдығы төмен болуы керек;
- ерітінділердің бірін артық қабылдау керек.
Мицелл құрылымы
Мицелланың негізгі бөлігі - өзегі. Ол ерімейтін қосылыстың атомдарының, иондарының және молекулаларының көп мөлшерінен түзіледі. Әдетте ядро кристалдық құрылыммен сипатталады. Ядроның бетінде бос энергия қоры бар, ол қоршаған ортадан иондарды таңдамалы түрде адсорбциялауға мүмкіндік береді. Бұл процессПесков ережесіне бағынады, онда былай делінген: қатты дененің бетінде өзінің кристалдық торын толтыруға қабілетті иондар негізінен адсорбцияланады. Бұл иондар табиғаты мен пішіні (өлшемі) бойынша бір-біріне жақын немесе ұқсас болса мүмкін болады.
Адсорбция кезінде мицелла өзегінде потенциалды анықтаушы иондар деп аталатын оң немесе теріс зарядты иондар қабаты түзіледі. Электростатикалық күштердің әсерінен пайда болған зарядталған агрегат ерітіндіден қарсы иондарды (қарсы зарядты иондарды) тартады. Осылайша, коллоидты бөлшек көп қабатты құрылымға ие. Мицеллалар қарама-қарсы зарядталған иондардың екі түрінен құрылған диэлектрлік қабатқа ие болады.
Гидрозол BaSO4
Мысал ретінде барий хлоридінің артық мөлшерінде дайындалған коллоидты ерітіндідегі барий сульфат мицелласының құрылымын қарастырған ыңғайлы. Бұл процесс реакция теңдеуіне сәйкес келеді:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Суда аз ериді, барий сульфаты BaSO молекулаларының m-ші санынан құрастырылған микрокристалды агрегат түзеді4. Бұл агрегаттың беті Ba2+ иондарының n-ші мөлшерін адсорбциялайды. 2(n - x) Cl- иондары потенциалды анықтаушы иондар қабатына қосылған. Ал қалған қарсы иондар (2х) диффузиялық қабатта орналасады. Яғни, бұл мицелланың түйіршігі оң зарядталады.
Егер натрий сульфаты артық қабылданса, ондапотенциалды анықтаушы иондар SO42- иондары, ал қарсы иондар Na+ болады.. Бұл жағдайда түйіршік заряды теріс болады.
Бұл мысал мицелла түйіршіктерінің зарядының белгісі оны дайындау шарттарына тікелей байланысты екенін анық көрсетеді.
Мицеллаларды жазу
Алдыңғы мысал мицелланың химиялық құрылымы мен оны көрсететін формуланың артық қабылданған затпен анықталатынын көрсетті. Мыс сульфидінің гидрозолының мысалында коллоидты бөлшектің жеке бөліктерінің атауларын жазу жолдарын қарастырайық. Оны дайындау үшін натрий сульфидінің ерітіндісі мыс хлориді ерітіндісінің артық мөлшеріне баяу құйылады:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
CuCl2 артық алынған CuS мицелласының құрылымы келесідей жазылады:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Колоидтық бөлшектің құрылымдық бөліктері
Шаршы жақшаға бүкіл бөлшектің негізі болып табылатын, аз еритін қосылыстың формуласын жазыңыз. Оны әдетте агрегат деп атайды. Әдетте агрегатты құрайтын молекулалар саны латынның m әрпімен жазылады.
Әлеуетті анықтаушы иондар ерітіндіде артық мөлшерде болады. Олар агрегаттың бетінде орналасады және формулада төртбұрышты жақшадан кейін бірден жазылады. Бұл иондардың саны n символымен белгіленеді. Бұл иондардың атауы олардың заряды мицелла түйіршіктерінің зарядын анықтайтынын көрсетеді.
Түйіршік өзек пен бөліктен тұрадыадсорбциялық қабаттағы қарсы иондар. Түйіршік зарядының мәні потенциалды анықтаушы және адсорбцияланған қарсы иондардың зарядтарының қосындысына тең: +(2n – x). Қарсы иондардың қалған бөлігі диффузиялық қабатта болады және түйіршік зарядының орнын толтырады.
Егер Na2S артық алынса, түзілген коллоидты мицелла үшін құрылым схемасы келесідей болады:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
БАЗ мицеллалары
Судағы беттік-белсенді заттардың (беттік белсенді заттардың) концентрациясы тым жоғары болған жағдайда олардың молекулаларының (немесе иондарының) агрегаттары түзе бастауы мүмкін. Бұл үлкейген бөлшектер шар тәрізді және Гартли-Ребиндер мицеллалары деп аталады. Айта кету керек, барлық беттік белсенді заттар мұндай қабілетке ие емес, тек гидрофобты және гидрофильді бөліктердің арақатынасы оңтайлы болып табылатындар ғана. Бұл қатынас гидрофильді-липофильді тепе-теңдік деп аталады. Олардың полярлық топтарының көмірсутек өзегін судан қорғау қабілеті де маңызды рөл атқарады.
БАЗ молекулаларының агрегаттары белгілі бір заңдылықтар бойынша түзіледі:
- Агрегаттары әртүрлі m молекулалар санын қамтуы мүмкін төмен молекулалы заттардан айырмашылығы, беттік-белсенді зат мицеллаларының болуы молекулалардың қатаң анықталған санымен мүмкін болады;
- егер бейорганикалық заттар үшін мицелденудің басталуы ерігіштік шегімен анықталса, органикалық беттік-белсенді заттар үшін мицелденудің критикалық концентрацияларына жету арқылы анықталады;
- біріншіден, ерітіндідегі мицеллалардың саны артады, содан кейін олардың мөлшері артады.
Концентрацияның мицелла пішініне әсері
БАЗ мицеллаларының құрылымына олардың ерітіндідегі концентрациясы әсер етеді. Оның кейбір мәндеріне жеткенде коллоидтық бөлшектер бір-бірімен әрекеттесе бастайды. Бұл олардың пішінінің келесідей өзгеруіне әкеледі:
- шар эллипсоидқа, содан кейін цилиндрге айналады;
- цилиндрлердің жоғары концентрациясы алтыбұрышты фазаның түзілуіне әкеледі;
- кейбір жағдайларда пластинкалы фаза және қатты кристал (сабын бөлшектері) пайда болады.
Мицеллалар түрлері
Ішкі құрылысының ұйымдастырылу ерекшеліктеріне қарай коллоидтық жүйенің үш түрін ажыратады: суспенсоидтар, мицеллярлы коллоидтар, молекулалық коллоидтар.
Супенсоидтар қайтымсыз коллоидтар, сондай-ақ лиофобты коллоидтар болуы мүмкін. Бұл құрылым металдардың ерітінділеріне, сондай-ақ олардың қосылыстарына (әртүрлі оксидтер мен тұздар) тән. Суспенсоидтар түзетін дисперсті фазаның құрылымы ықшам заттың құрылымынан ерекшеленбейді. Оның молекулалық немесе иондық кристалдық торы бар. Суспензиялардан айырмашылығы - дисперсиясы жоғары. Қайтымсыздық олардың ерітінділерінің буланудан кейін жай еру арқылы зольге айналмайтын құрғақ тұнба түзу қабілетінде көрінеді. Дисперсті фаза мен дисперстік орта арасындағы әлсіз әрекеттесу болғандықтан олар лиофобты деп аталады.
Мицеллярлы коллоидтар – коллоидты бөлшектері түзілетін ерітінділератомдардың полярлық топтары және полярлы емес радикалдары бар дифильді молекулаларды жабыстырғанда. Мысал ретінде сабын мен беттік белсенді заттарды келтіруге болады. Мұндай мицеллалардағы молекулалар дисперсиялық күштермен ұсталады. Бұл коллоидтардың пішіні тек сфералық емес, сонымен қатар пластинкалы болуы мүмкін.
Молекулалық коллоидтар тұрақтандырғышсыз айтарлықтай тұрақты. Олардың құрылымдық бірліктері жеке макромолекулалар болып табылады. Коллоидты бөлшектің пішіні молекуланың қасиеттеріне және молекулаішілік әрекеттесулеріне байланысты әртүрлі болуы мүмкін. Сонымен сызықтық молекула таяқша немесе катушка құра алады.
