И его зависимость от состава дисперсионной среды и поглощенных оснований

Коллоидные частицы окружены прочно связанными с ними водны­ми пленками или, как говорят, коллоидные частицы гидратированы.

Присоединение молекул воды к коллоидной частице связано с проявлением поляризационных сил. С приближением к заряженной­ коллоидной частице электронная оболочка молекул воды де­формируется (раздвигается центр тяжести положительного и отри­цательного зарядов) и, хотя молекула воды остается нейтральной, она приобретает форму диполя.

Образовавшиеся диполи, попадая в сферу электрического поля заряженной частицы, приобретают строгую ориентировку, обраща­ясь к ней концами, несущими заряд, противоположный заряду час­тицы, причем притягивается, таким образом, не только первый слой молекул, но и второй и третий. Вокруг частицы образуется прочно связанная с нею водная пленка. Мощность этой пленки может быть различна и зависит от природы коллоида и величины заряда части­цы (рис. 9.2).

Коллоиды, способные сильно гидратироваться (т. е. удерживаю­щие мощные водные пленки), называются гидрофильными. Коллои­ды, слабо гидратирующиеся, называются гидрофобными. Свойство гидрофильности или гидрофобности коллоидов помимо их хими­ческой природы зависит от состава поглощенных ионов.

Коллоиды могут находиться в состоянии золя, т. е. взвесей, или в виде студнеобразного осадка — геля.

Рис. 9.2. Ориентированные диполи воды вокруг гидратированной частицы

Переход коллоида из состояния золя в состояние геля называет­ся коагуляцией (или свертыванием), а обратный переход из геля в золь — пептизацией.

Переход коллоидов из одного состояния в другое обусловлен главным образом изменением электрического потенциала коллоид­ных частиц и зависит от степени их гидратации. При повышении потенциала (увеличении заряда частиц) происходит пептизация кол­лоида — переход его в золь. Одноименно заряженные коллоидные частицы, отталкиваясь друг от друга, могут неопределенно долгое время находиться в растворе, не укрупняясь и не образуя осадка.

При падении потенциала и потере заряда (частичной или пол­ной) состояние коллоидов в форме золя делается неустойчивым. При движении частицы сталкиваются друг с другом, склеиваются, увеличиваются в размерах -и, образуя хлопья, выпадают в осадок, увлекая вместе с собой окружающие их водные пленки. Получается рыхлый, насыщенный водой студнеобразный осадок или гель, по высыхании превращающийся в аморфный тонкий порошок.

Рассмотрим, какие причины вызывают изменение потенциала коллоидных частиц. Напомним, что понятие о знаке и величине заряда коллоидов относится не к мицелле в целом, а лишь к части­це, т. е. к части мицеллы без диффузного слоя. Следовательно, чем больше будет отдиссоциировано ионов в диффузный слой и чем дальше эти ионы отойдут от ядра частицы (чем толще будет диф­фузный слой), тем больший потенциал приобретает частица.

Электрокинетический потенциал коллоидов измеряется величи­нами порядка нескольких милливольт и, как показали измерения, значительно изменяется в зависимости от состава ионов, находя­щихся в оболочке коллоидных частиц (так называемых поглощен­ных ионов).

Приведем данные определений электрокинетического потен­циала (мВ) для коллоидной глины, насыщенной различными ка­тионами:

Li — глина — 74,9; Са — глина — 30,5;

Na — глина — 69,0; Ва — глина — 22,5.

К — глина — 68,0;

Следовательно, при насыщении коллоида однозарядными кати­онами электрокинетический потенциал значительно выше, чем при насыщении двухзарядными: глина, насыщенная барием, имеет по­тенциал в 3,3 раза меньший, чем та же глина, насыщенная литием. Чем больше заряд иона, тем с большим трудом и на меньшее рас­стояние происходит его отдиссоциация от коллоидной частицы. При насыщении коллоидов трехзарядными ионами степень диссоциа­ции и потенциал частицы еще более падают.

Таким образом, при насыщении однозарядными катионами кол­лоиды преимущественно находятся в состоянии золя, а при замене однозарядных катионов двух- и трехзарядными переходят в гель. Все катионы, как показал К. К. Гедройц, по энергии их поглощения (трудности вытеснения) и коагулирующей способности можно рас­положить в определенный ряд, названный им лиотропным, в кото­ром ионы располагаются в таком порядке:

Li⁺ < Na⁺ < NH₄⁺< К⁺ < Mg²⁺ < Н⁺ < Са²⁺ < Ва²⁺ < А1³⁺ < Fe³⁺

Энергия поглощения ионов и их коагулирующая способность увеличиваются с увеличением зарядности, а в пределах группы ионов с одинаковой зарядностью — с увеличением атомного веса. Так, атомный вес Li — 7, Na - 23, К — 39, Mg — 24, Са — 40, Ва — 137, А1 - 27, Fe - 56.

Исключение представляет одновалентный ион водорода, кото­рый стоит среди двухзарядных Mg и Са, обладая наименьшей среди ионов атомной массой, равной единице. Объяснить это исключе­ние можно следующим образом.

Кроме зарядности и атомного веса, энергия поглощения и коа­гулирующая способность ионов зависят также от степени гидрата­ции или сольватации ионов. Каждый ион, подобно самой коллоид­ной мицелле, окружен диполями воды. Если эта водная пленка ве­лика, энергия поглощения иона и его коагулирующая способность падают, так как сильногидратированный ион не может достаточно близко подойти к частице: величина диффузного слоя увеличивает­ся и потенциал растет. Различия в степени гидратации ионов весь­ма значительны, что видно по изменению величины их радиусов (табл. 9.2).

Если степень гидратации иона Са²⁺ принять за 100, то по отно­сительной степени гидратации ионы остальных элементов располо­жатся в следующий ряд:

Mg²⁺ - 101, К⁺ - 178, Na⁺ - 452, Li⁺ - 552.

Ион водорода, как известно, характеризуется очень малой сте­пенью гидратации, что и обусловливает его энергичное поглощение ^и хорошие коагулирующие свойства.

Таким образом, изменяя состав поглощенных катионов путем соответствующего регулирования состава и концентрации солей в Дисперсионной среде, можно переводить коллоиды из состояния золя в состояние геля и обратно.

Таблица 9.2