Гранула и мицелла

Процесс химического образования частиц дисперсной фазы очень сложен, но упрощенно его можно описать следующим образом. Для этого рассмотрим последовательность роста и изменения частиц золя на примере хлорида серебра AgCl. Этот золь получается при медленном ириливании водного раствора хлорида натрия NaCl к водному раствору нитрата серебра AgN0₃, взятому в избытке. Если ввести сразу большую порцию раствора NaCI, то мгновенно выпадет осадок хлорида серебра и золь нс получится. Реакция протекает по уравнению.

При постепенном проливании раствора NaCl к раствору AgN0₃ в первый момент из ионов Ag‘ и CI образуется агрегат (AgCl)_n, в котором ионы расположены в том же порядке, что и в кристаллической решетке AgCl.

Далее агрегат (AgCl), начинает адсорбировать на своей поверхности преимущественно те ионы, которые входят в его состав (или изоморфны кристаллической решетке ядра) и находятся в растворе в избытке. Этим условиям в данном случае отвечают ионы серебра. В результате адсорбции ионов Ag⁺ агрегат из хлорида серебра со слоем ионов серебра приобретает положительный заряд.

Ионы, адсорбирующиеся на поверхности агрегата и придающие частице заряд, называют потенциалопределяющими. Наличие одноименных зарядов на агрегатах препятствует их объединению и росту кристаллов AgCl. Таким образом, агрегаты AgCl с адсорбированными на них ионами приобретают состояние агрегативной устойчивости.

Агрегат (AgCl), вместе с потенциалопределяющими ионами Ag⁺ составляет ядро частицы. К заряженному ядру притягиваются ионы противоположного заряда — противоионы. В данном случае такими ионами будут ионы, содержащиеся в растворе (но не входящие в состав агрегата) — нитрат-ионы NO_;r Противоионы, непосредственно примыкающие к ядру, образуют адсорбционный слой противоионов.

За слоем противоионов следует диффузный слой, состоящий из тех же противоионов. Количество противоионов диффузного слоя постепенно понижается по мере удаления от ядра. Противоионы диффузного слоя ориентируют вокруг себя полярные молекулы растворителя, создавая дополнительную гидратную (сольватную) оболочку.

Ядро вместе с противоионами адсорбционного слоя составляет коллоидную частицу, или гранулу. Гранула с противоионами диффузного слоя образует мицеллу. Следует иметь в виду, что знак заряда гранулы соответствует знаку заряда потенциалопределяющих ионов. Мицелла в отличие от гранулы элекгронейтральна.

Ионы адсорбционного слоя сравнительно прочно связаны с агрегатом, а противоионы диффузного слоя находятся под действием двух факторов: электростатического притяжения ионами противоположного заряда, которое удерживает их вблизи ядра, и броуновского движения, стремящегося удалить их (из мицеллы) и распределить в дисперсионной среде.

Формулу мицеллы гидрозоля хлорида серебра записывают гак:

В фигурные скобки заключена гранула. Ионы, указанные за фигурными скобками, составляют внешнюю часть мицеллы. Строение мицеллы хлорида серебра представлено на рис. 8.7. Подобный механизм мицеллобразования относится к лиофобным коллоидам.

Рис. 8.7. Строение мицеллы хлорида серебра.

Строение мицеллы и заряд гранулы зависят от способа получения коллоидного раствора. Если медленно приливать разбавленный раствор нитрата серебра к раствору хлорида натрия, взятому в избытке, то на поверхности агрегата w (AgCl) будут адсорбироваться хлорид-ионы, имеющиеся в растворе в избытке, с образованием слоя потенциалопределяющих ионов, а в качестве противоионов адсорбционного и диффузного слоев будут выступать ионы натрия. Состав мицеллы полученного гидрозоля записывается формулой.

Основу мицеллы составляет нерастворимое ядро, микрокристалл или агрегат из микрокристаллов. Многозарядные ионы ведут себя сложнее.

Рассмотрим другие наиболее важные для обсуждения природных процессов примеры образования дисперсной фазы. Прильем к раствору хлорида железа FeCl₃ по каплям раствор гидроксида натрия NaOH до помутнения раствора или появления хлопьев малорастворимого тригидроксида железа FeCOHV:

В слой потенциалопределяющих ионов могут входить нс только ионы Fe³⁺, а также и образующиеся при гидролизе ионы Fe (OH)²⁺, Fe (OH)2 и др. Примерно такое же строение имеет мицелла А1(ОН)₃.

При медленном ириливании раствора хлорида железа к раствору гидроксида натрия образование мицеллы протекает намного сложнее, но можно предположить, что гидроксид-ионы являются потенциалоиределяющими, а ионы натрия входят в состав адсорбционного и диффузного слоев.

Формула мицеллы кремниевой кислоты, образующейся при ириливании к раствору силиката натрия (избыток) кислоты, может быть выражена так:

Мицелла — это частица дисперсной фазы золя. Ядро состоит из нерастворимого в данном растворе вещества и может включать как один микрокристалл, так и несколько или иметь аморфную структуру. В поверхностный слой кроме ионов раствора входят также молекулы окружающей жидкости и молекулы и ионы других веществ (например, стабилизаторов). В адсорбционный слой кроме ионов одного знака входят также частично ионы другого знака (противоионы). Состав мицеллы зависит от многих факторов: концентраций веществ раствора, ионной силы раствора, природы посторонних веществ, скорости образования ядра и частицы, интенсивности перемешивания, температуры, освещения и др.

Диффузный слой окружает гранулу в виде ионного облака, плотность которого понижается по мере удаления от ядра. Диффузный слой препятствует сближению и объединению частиц. Толщина диффузного слоя зависит не только от концентрации в растворе ионов, входящих в диффузный слой, но и от общей концентрации ионов в растворе и от ионной силы раствора.

Толщина адсорбционного слоя составляет 10 10 ⁸ см, а диффузного слоя — порядка 10^_/i см. Под воздействием внешних факторов возможно изменение толщины диффузного слоя и содержания ионов в нем, на чем основано регулирование свойств дисперсных систем. Определение заряда гранулы и его величины имеет большое значение для объяснения и предсказания поведения дисперсных систем.

Состав мицелл зависит от вида и концентрации находящихся в растворе ионов и молекул, скорости образования частицы, перемешивания и других факторов. Мицеллы с многозарядными ионами ведут себя еще сложнее.