ЗОЛІ

ЗОЛІ (нім. Sol — колоїдний розчин) — ультрамікрогетерогенні (колоїдні) дисперсні системи (див. Дисперсні системи) з твердим, рідким та газовим дисперсійним середовищем. Системи з газовим дисперсійним середовищем рідина/газ, тверда частинка/газ називають аерозолями (див. Аерозолі).

Системи з рідким дисперсійним середовищем тверда частинка/рідина називають ліозолями: з водним — гідрозолями, з органічним — органозолями; останні розрізняють за хімічним складом середовища: бензозолі, алкозолі, етерозолі та ін. Розплави, що містять колоїдно-дисперсну фазу, називають пірозолями. При їх охолодженні внаслідок осклованості або кристалізації дисперсійного середовища виникають тверді З. До них належать, напр. деякі мінерали, в т.ч. коштовні і напівкоштовні камені, кольорове скло, сплави. За взаємодією між дисперсною фазою і дисперсійним середовищем ліозолі поділяють на ліофільні (оборотні) і ліофобні (необоротні). Для ліофільних З. характерна сильна міжмолекулярна взаємодія дисперсної фази з дисперсійним середовищем. Сухий залишок ліофільних З. здатний до спонтанного диспергування в дисперсійному середовищі. До таких систем належать, напр. дисперсії деяких глин і ПАР (див. Поверхнево-активні речовини). Дисперсна фаза ліофобних З. слабко взаємодіє з дисперсійним середовищем. Такі системи довільним диспергуванням не утворюються. До них належать гідрозолі металів, галогенідів срібла, сульфідів арсену та ін. Ліозоль складається з міцел та інтерміцелярної рідини. Міцела — структурна колоїдна одиниця; інтерміцелярна рідина — дисперсійне середовище, що розділяє міцели. Міцела ліофобних З. — кристали дисперсної фази з оточуючим їх подвійним шаром (див. Електрокінетичні явища). Тверда фаза, яка міститься всередині міцели, називається агрегатом (рисунок), агрегат з потенціалвизначальними іонами — ядром міцели. Ядро разом з адсорбційним шаром утворює колоїдну частинку або гранулу, яка оточена дифузним шаром.

Zoli_1.eps

Рисунок. Схема будови міцели гідрозолю AgI

Склад міцели виражають певною формулою. Напр. склад міцели гідрозолю йодиду срібла, утвореного при взаємодії нітрату срібла в розчині з надлишком йодиду калію, виражається формулою:

Zoli_2.eps

де m — число молекул йодиду срібла; n — число потенціалвизначальних іонів йоду; (n–x) — число іонів калію в адсорбційному шарі; x — число іонів калію в дифузному шарі. Потенціалвизначальними іонами, за правилом Панета — Фаянса, є іони йоду, бо вони добудовують кристалічну решітку AgI, і тому саме вони, а не іони калію, утворюють потенціалвизначальний шар. Заряд гранули x- зумовлений надлишком іонів йоду у кількості x порівняно з числом іонів калію. Міцела електронейтральна, тому у дифузному шарі міститься x іонів калію.

У ліофільних дисперсних системах міцела становить компактне сферичне (міцела Гартлі) або пластинчасте (міцела Мак-Бена), утворення що має ядро з гідрофобних радикалів і зовнішній шар із полярних гідрофільних груп. Якщо останні дисоціюють на іони, то утворюється поверхневий електролітний шар. В органозолях з вуглеводневим середовищем орієнтація молекул протилежна: в ядрі зосереджені гідрофільні групи, зовні — гідрофобні радикали.

Ліозолі одержують конденсаційними і диспергаційними методами. Конденсаційні методи (фізична і хімічна конденсація) об’єднують процеси, при перебігу яких виникає нова фаза в гомогенному середовищі. Диспергаційні методи (механічні, електричні, акустичні) зумовлюють подрібнення частинок грубої зависі або суспензії до колоїдного стану. Одержані тим чи іншим методом ліозолі очищають від надлишку електролітів та інших низькомолекулярних домішок, які значно знижують їх стійкість, за допомогою діалізу або ультрафільтрації (див. Діаліз). Властивості ліозолів зумовлюються природою речовини дисперсної фази; природою рідкого дисперсійного середовища; масовою або частинковою концентрацією (загальною масою частинок або числом частинок, що містяться в одиниці об’єму З.); середнім розміром частинок. Частинки дисперсної фази в ліозолях перебувають у стані інтенсивного броунівського руху, кількісною характеристикою якого є середній зсув частинки –Δ за час t. Його величина може бути виміряна або точно обчислена на основі статистичних законів. Так, для сферичної частинки:

–Δ2 = kTt/3πηr або –Δ = √kTt/3πηr, (1),

де k — константа Больцмана; Т — абсолютна температура; t — час спостереження; –Δ — в’язкість середовища; r — радіус частинки.

Під впливом броунівського руху в об’ємі системи відбувається довільний процес вирівнювання концентрації частинок — дифузія. А. Ейнштейн вивів рівняння, яке зв’язує коефіцієнт дифузії D з температурою T, в’язкістю дисперсійного середовища h і радіусом частинок r дисперсної фази. Ця залежність для сферичних частинок така:

D = kT/6πηr. (2)

Для частинок несферичної форми замість 6πηr беруть більш складні вирази, при цьому для несферичних частинок величина D менша, ніж для сферичних частинок рівної маси. Зв’язок між середнім зсувом частинок і коефіцієнтом дифузії встановлює рівняння Ейнштейна — Смолуховського

–Δ2 = 2Dt. (3)

Рівняння (2) використовують для розрахунку розміру частинок, якщо експериментально можна визначити коефіцієнт дифузії; при неможливості визначення D використовують рівняння (3). Осмотичний тиск ліозолів можна знайти за законом Вант-Гоффа:

π = mзRT/m0VNA = νRT/VNA = νKT, (4)

де тз — загальна маса дисперсної фази; т0 — маса частинки; V — об’єм системи; v — частинкова концентрація.

Осмотичний тиск ліозолів порівняно зі справжніми розчинами не є сталим і має малу величину. Мале значення зумовлене низькою частинковою концентрацією розчинів, а його несталість пов’язана зі спонтанною зміною розмірів частинок унаслідок їх агрегації або дезагрегації. Ліозолі мають характерні оптичні властивості. При проходженні світла через розчин воно розсіюється за всіма напрямками, огинаючи частинки, які зустрічаються на його шляху (явище дифракції). Вперше це явище у вигляді конуса, який світиться, спостерігав Тиндаль. Це явище одержало назву ефекту Тиндаля (конус Тиндаля). Він також спостерігав характерне світіння колоїдних розчинів на темному фоні при боковому освітленні. Це світіння було названо опалесценцією. Теорія світлорозсіювання (опалесценції) Релея для систем з діелектричними частинками сферичної форми, радіус яких значно менший за довжину хвилі падаючого світла, дає таке рівняння:

Zoli_5.eps,

де Ір — інтенсивність розсіяного світла; Іо — інтенсивність падаючого світла; п1 і п0 — показники заломлення відповідно до дисперсної фази і дисперсійного середовища; V — об’єм частинки; n — частинкова концентрація; l — довжина світлової хвилі.

Рівняння Релея лежить в основі оптичних методів визначення розмірів (об’єму, радіуса) частинок (див. Дисперсійний аналіз) і концентрації дисперсної фази ліозолів: ультрамікроскопії, нефелометрії і турбідиметрії (див. Нефелометрія, Турбідиметрія).

Електричні властивості ліозолів зумовлені наявністю на межі поділу фаз подвійного електричного шару (див. Електрокінетичні явища). Вони суттєво впливають на стійкість З. Ліофобні З., для яких характерні високорозвинена поверхня і слабка взаємодія дисперсної фази і дисперсійного середовища, є термодинамічно нерівноважними і агрегативно нестійкими дисперсними системами. В них частинки дисперсної фази схильні до збільшення, що досягається внаслідок ізотермічної перегонки (розчинення дрібних і зростання значних — ефект Томсона — Кельвіна), або за рахунок злипання частинок дисперсної фази — коагуляції, яку, зокрема, може викликати додавання електролітів (див. Коагуляція). Залежно від природи системи і концентрації дисперсної фази цей процес закінчується осіданням частинок (утворенням осаду) або структуроутворенням — переходом у гелі (див. Гелі). Стійкість ліофобних З. можна значно підвищити додаванням до них високомолекулярних речовин, це явище називається колоїдним захистом. Механізм захисної дії полягає в утворенні адсорбційного шару з ВМС. Захисний шар забезпечує сольватацію частинки, сольватні шари створюють великий розклинювальний тиск і перешкоджають злипанню частинок. Захисна дія підсилюється при утворенні в дисперсійному середовищі досить міцної об’ємної структури. Ліофільні З., частинки дисперсної фази яких сильно сольватовані, є агрегаційно стійкими і термодинамічно рівноважними системами. Практичне використання ліозолів у фармації та медицині пов’язане з такими їх властивостями, як висока поверхнева активність, здатність покращувати змочування шкіри та різних матеріалів, емульгувальна дія, солюбілізація, здатність до утворення гелів. Багато гідрозолів або сухих речовин, що при розчиненні утворюють гідрозолі, є ЛП (Аl(ОН)3, коларгол та ін.). Про застосування аерозолів див. Аерозолі.

Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. — М., 1976; Фізична і колоїдна хімія / В.І. Кабачний, Л.К. Осіпенко, Л.Д. Грицан та ін. — Х. 1999.