Методы приготовления коллоидных растворов

Для приготовления коллоидных растворов используют два метода: диспергационный, заключающийся в дроблении массивных частиц твердой фазы до соответствующей степени дисперсности, и конденсационный, заключающийся в том, что процесс образования золей проводят из растворов или газовой фазы так, чтобы образовывались частицы коллоидной степени дисперсности. Используется также так называемый метод пептизации, который заключается в переводе в коллоидный раствор рыхлых осадков, состоящих из частиц коллоидной степени дисперсности. Растворы ВМС не требуют специальных методов приготовления.

По диспергационному методу твердые частицы дробят механическим и электрическим способом. Механическое дробление некоторых материалов в лабораторных условиях до коллоидной степени дисперсности производят с помощью хорошо отполированных агатовых или стальных ступок. В процессе растирания раздробленные частички слипаются снова. Поэтому, чтобы добиться надлежащего эффекта, вводят дополнительно жидкое стабилизирующее вещество, которое смачивает поверхность частицы, препятствуя их агрегации. Для измельчения вещества до сравнительно невысокой степени дисперсности (100—300 нм) используют шаровые мельницы. В цилиндрический герметически, замкнутый сосуд помещают соответствующее твердое тело, жидкость и стабилизирующее вещество. Туда же помещают металлические (стальные) шары. При вращении цилиндра (ось цилиндра находится под небольшимуглом к горизонтали) шары непрерывно перекатываются и измельчают твердое вещество.

В промышленности и в современных лабораториях для тонкого дробления частиц до коллоидных размеров используют коллоидные мельницы. Твердое вещество после предварительного дробления смешивают с жидкостью (дисперсионной средой) и стабилизирующей добавкой и подают через отверстие в мельницу. При быстром вращении жидкость со взвешенными частицами твердой фазы приобретает большую скорость. Во время вращения лопасти мельницы проходят очень близко от неподвижных выступов. Частицы твердой фазы, ударяясь с большой силой о выступы, дробятся. Высокодисперсный продукт отделяется через тонкие отверстия.

Электрический метод является одновременно диспергационным и конденсационным. Его используют для приготовления коллоидных растворов благородных металлов: золота, платины, серебра и др. К двум электродам из благородного металла (например, золота), которые погружены в жидкость (например, в воду), подводят электрическое напряжение. Электроды вначале замыкают под водой и затем медленно отводят один от другого. Под водой образуется электрическая дуга, развивается высокая температура, металл испаряется и в виде атомов попадает в воду. При этом происходит конденсация; в результате огромного перепада температур образуются чрезвычайно мелкие кристаллы металла коллоидной степени дисперсности.

Конденсационный метод подразделяется на способ физической конденсации, когда твердая фаза образуется в результате конденсации из газообразной фазы, и способ химической конденсации, когда твердая фаза образуется в результате химической реакции. В обоих случаях конденсационный процесс должен происходить в таких условиях, чтобы образовывались мелкие частицы.

Один из возможных механизмов заключается в том, что вначале образуется кристаллический зародыш, затем линейные размеры кристалла увеличиваются. Для образования кристаллов малых размеров скорость образования кристаллических зародышей должна быть высокой, а скорость линейного роста кристаллов — малой. Скорость образования кристаллических зародышей тем больше, чем больше степень пересыщения раствора или переохлаждения конденсирующейся газообразной фазы. Скорость линейного роста кристаллов тем больше, чем больше концентрация вещества, которое кристаллизуется, и чем выше температура. Отсюда следует, что для образования кристаллов коллоидной степени дисперсности необходима большая степень пересыщения растворов. Для практически нерастворимых веществ этого достигнуть нетрудно.

В качестве примера конденсационного метода рассмотрим получение коллоидного раствора иодида серебра. Приготовляют разбавленные (0,001 н.) растворы АgNОз и КI и смешивают их. В результате химической реакции образуется практически нерастворимое соединение АgI. При этих условиях достигается значительная (в несколько порядков) степень пересыщения при малой концентрации кристаллизирующегося вещества. В результате образуются мельчайшие кристаллы АgI коллоидной степени дисперсности. В зависимости от того, излишек какого исходного раствора будет взят при смешении, в образовавшемся коллоидном растворе АI окажется избыток ионов Аg⁺ или I^-. В первом случае частицы адсорбируют ионыАg⁺ и соответственно приобретают положительный заряд; во втором случае они приобретают отрицательный заряд. Таким образом можно управлять процессом заряжения коллоидных частиц.

Другой пример конденсационного метода, конденсации из газообразной фазы — получение золя натрия в бензоле. Конденсация проводится в вакууме. Нижняя часть сосуда нагревается до 400 °С. При этом металлический натрий и бензол полностью испаряются. Верхняя часть сосуда охлаждается жидким азотом. Вследствие высокого градиента температур происходит быстрая конденсация — образуются мельчайшие кристаллики бензола и натрия. После прекращения охлаждения бензол превращается в жидкость и вместе с кристалликами натрия стекает в нижнюю часть сосуда. Образуется коллоидный раствор натрия в бензоле.

Механизм формирования мельчайших кристаллов непосредственно при образовании твердой фазы не является единственным. Так, А. В. Думанский предполагал возможность первоначального возникновения аморфных частиц, которые постепенно упорядочиваются, превращаясь в кристаллы. При элект-ронографическом исследовании образования оксидных пленок на металлах действительно было обнаружено, что во многих случаях образующиеся оксидные пленки аморфны и лишь с течением времени приобретают кристаллическое строение. Во многих случаях образование коллоидных растворов проходит через аморфную стадию. Наблюдения с помощью электронного микроскопа показывают, что вначале образуются частицы сравнительно больших размеров (100—800 нм). Было показано, что эти частицы действительно аморфны. Через некоторое время на электронограммах появляются кольца из точечных рефлексов, которые свидетельствуют об упорядочении взаимного расположения атомов или молекул — формирования кристаллических агрегатов внутри аморфной частицы. При этом возникают внутренние механические напряжения: в результате в частице возникают трещины и в конечном итоге частица дробится на кристаллики коллоидной степени дисперсности.

Возникновение аморфных частиц в первой стадии образования твердой фазы при кристаллизации связано с тем, что ее образование вызвано случайной встречей молекул, атомов или ионов, К этому следует добавить, что образование твердой фазы происходит при значительных пересыщениях, в условиях, далеких от термодинамического равновесия. Образовавшиеся при этом частицы стремятся к уменьшению энергии Гиббса, что реализуется при переходе от аморфного состояния в кристаллическое. Скорость процесса упорядочения молекул или атомов в аморфной частице и образования кристаллической решетки в значительной мере зависит от природы вещества. Так, кристаллизация золота происходит через несколько секунд после образования аморфной частицы, оксида титана — через 1—2 часа, гидроксида алюминия — через сутки, кремниевой кислоты — через два года. Существенное влияние оказывает также температура. При температуре 80—90°С кристаллизация оксида алюминия и оксида титана завершается в течение нескольких секунд, что не удается зафиксировать картину, характерную для аморфного состояния.