Les systèmes colloïdaux sont extrêmement importants dans la vie de toute personne. Cela n'est pas seulement dû au fait que presque tous les fluides biologiques d'un organisme vivant forment des colloïdes. Mais de nombreux phénomènes naturels (brouillard, smog), le sol, les minéraux, la nourriture, les médicaments sont aussi des systèmes colloïdaux.
L'unité de ces formations, reflétant leur composition et leurs propriétés spécifiques, est considérée comme une macromolécule, ou micelle. La structure de ce dernier dépend de plusieurs facteurs, mais il s'agit toujours d'une particule multicouche. La théorie moderne de la cinétique moléculaire considère les solutions colloïdales comme un cas particulier de vraies solutions, avec de plus grosses particules de soluté.
Méthodes d'obtention de solutions colloïdales
La structure d'une micelle formée lors de l'apparition d'un système colloïdal dépend en partie du mécanisme de ce processus. Les méthodes d'obtention de colloïdes sont divisées en deux groupes fondamentalement différents.
Les méthodes de dispersion sont associées au broyage de particules assez grosses. Selon le mécanisme de ce processus, les méthodes suivantes sont distinguées.
- Affinage. Peut se faire à sec ouvoie humide. Dans le premier cas, le solide est d'abord broyé, puis seulement le liquide est ajouté. Dans le second cas, la substance est mélangée à un liquide, et seulement après cela, elle est transformée en un mélange homogène. Le broyage est effectué dans des moulins spéciaux.
- Gonflement. Le broyage est obtenu grâce au fait que les particules de solvant pénètrent dans la phase dispersée, ce qui s'accompagne de l'expansion de ses particules jusqu'à la séparation.
- Dispersion par ultrasons. Le matériau à broyer est placé dans un liquide et soniqué.
- Dispersion des chocs électriques. Demandé dans la production de sols métalliques. Elle est réalisée en plaçant des électrodes constituées d'un métal dispersible dans un liquide, puis en leur appliquant une haute tension. En conséquence, un arc voltaïque se forme dans lequel le métal est pulvérisé puis se condense en une solution.
Ces méthodes conviennent aux particules colloïdales lyophiles et lyophobes. La structure micellaire est réalisée simultanément avec la destruction de la structure d'origine du solide.
Méthodes de condensation
Le deuxième groupe de méthodes basées sur l'agrandissement des particules est appelé condensation. Ce processus peut être basé sur des phénomènes physiques ou chimiques. Les méthodes de condensation physique incluent les suivantes.
- Remplacement du solvant. Cela revient au transfert d'une substance d'un solvant, dans lequel elle se dissout très bien, à une autre, dans laquelle la solubilité est beaucoup plus faible. En conséquence, de petites particulesse combinera en agrégats plus gros et une solution colloïdale apparaîtra.
- Condensation de vapeur. Un exemple est le brouillard, dont les particules sont capables de se déposer sur des surfaces froides et de grossir progressivement.
Les méthodes de condensation chimique comprennent certaines réactions chimiques accompagnées de la précipitation d'une structure complexe:
- Échange d'ions: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Processus redox: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hydrolyse: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Conditions pour la condensation chimique
La structure des micelles formées lors de ces réactions chimiques dépend de l'excès ou de la carence des substances impliquées. De plus, pour l'apparition de solutions colloïdales, il est nécessaire d'observer un certain nombre de conditions qui empêchent la précipitation d'un composé peu soluble:
- la teneur en substances des solutions mélangées doit être faible;
- leur vitesse de mélange doit être faible;
- l'une des solutions doit être prise en excès.
Structure micellaire
La partie principale d'une micelle est le noyau. Il est formé d'un grand nombre d'atomes, d'ions et de molécules d'un composé insoluble. Habituellement, le noyau est caractérisé par une structure cristalline. La surface du noyau possède une réserve d'énergie libre, qui permet d'adsorber sélectivement les ions de l'environnement. Ce processusobéit à la règle de Peskov, qui dit: à la surface d'un solide, sont principalement adsorbés les ions capables de compléter son propre réseau cristallin. Cela est possible si ces ions sont apparentés ou similaires par leur nature et leur forme (taille).
Lors de l'adsorption, une couche d'ions chargés positivement ou négativement, appelés ions déterminant le potentiel, se forme sur le noyau de la micelle. En raison des forces électrostatiques, l'agrégat chargé résultant attire les contre-ions (ions de charge opposée) de la solution. Ainsi, une particule colloïdale a une structure multicouche. La micelle acquiert une couche diélectrique constituée de deux types d'ions de charges opposées.
Hydrosol BaSO4
A titre d'exemple, il convient de considérer la structure d'une micelle de sulfate de baryum dans une solution colloïdale préparée dans un excès de chlorure de baryum. Ce processus correspond à l'équation de réaction:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Légèrement soluble dans l'eau, le sulfate de baryum forme un agrégat microcristallin construit à partir du nombre m-ième de molécules de BaSO4. La surface de cet agrégat adsorbe la nième quantité d'ions Ba2+. 2(n - x) Les ions Cl- sont connectés à la couche d'ions déterminant le potentiel. Et le reste des contre-ions (2x) est situé dans la couche diffuse. Autrement dit, le granule de cette micelle sera chargé positivement.
Si le sulfate de sodium est pris en excès, alorsles ions déterminant le potentiel seront les ions SO42-, et les contre-ions seront Na+. Dans ce cas, la charge du granulé sera négative.
Cet exemple montre clairement que le signe de la charge d'un granule micellaire dépend directement des conditions de sa préparation.
Enregistrement des micelles
L'exemple précédent a montré que la structure chimique des micelles et la formule qui la reflète sont déterminées par la substance prise en excès. Considérons les façons d'écrire les noms des parties individuelles d'une particule colloïdale en utilisant l'exemple de l'hydrosol de sulfure de cuivre. Pour le préparer, une solution de sulfure de sodium est lentement versée dans un excès de solution de chlorure de cuivre:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
La structure d'une micelle CuS obtenue en excès de CuCl2 s'écrit comme suit:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Parties structurelles d'une particule colloïdale
Écrivez entre crochets la formule d'un composé peu soluble, qui est à la base de la particule entière. Il est communément appelé un agrégat. Habituellement, le nombre de molécules qui composent l'agrégat est écrit avec la lettre latine m.
Les ions déterminant le potentiel sont contenus en excès dans la solution. Ils sont situés à la surface de l'agrégat et, dans la formule, ils sont écrits immédiatement après les crochets. Le nombre de ces ions est désigné par le symbole n. Le nom de ces ions indique que leur charge détermine la charge du granule micellaire.
Un granulé est formé d'un noyau et d'une partiecontre-ions dans la couche d'adsorption. La valeur de la charge du granule est égale à la somme des charges des contre-ions déterminant le potentiel et adsorbés: +(2n – x). La partie restante des contre-ions se trouve dans la couche diffuse et compense la charge du granule.
Si Na2S a été pris en excès, alors pour la micelle colloïdale formée, le schéma de structure ressemblerait à:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Micelles de tensioactifs
Dans le cas où la concentration de substances tensioactives (tensioactifs) dans l'eau est trop élevée, des agrégats de leurs molécules (ou ions) peuvent commencer à se former. Ces particules agrandies ont la forme d'une sphère et sont appelées micelles Gartley-Rebinder. Il convient de noter que tous les tensioactifs n'ont pas cette capacité, mais seulement ceux dans lesquels le rapport des parties hydrophobes et hydrophiles est optimal. Ce rapport est appelé la balance hydrophile-lipophile. La capacité de leurs groupes polaires à protéger le noyau d'hydrocarbure de l'eau joue également un rôle important.
Les agrégats de molécules de tensioactifs se forment selon certaines lois:
- contrairement aux substances de faible poids moléculaire, dont les agrégats peuvent comprendre un nombre différent de molécules m, l'existence de micelles de tensioactifs est possible avec un nombre strictement défini de molécules;
- si, pour les substances inorganiques, le début de la micellisation est déterminé par la limite de solubilité, alors pour les tensioactifs organiques, il est déterminé par l'atteinte de concentrations critiques de micellisation;
- d'abord, le nombre de micelles dans la solution augmente, puis leur taille augmente.
Effet de la concentration sur la forme des micelles
La structure des micelles de surfactant est affectée par leur concentration en solution. En atteignant certaines de ses valeurs, les particules colloïdales commencent à interagir les unes avec les autres. Cela fait changer leur forme comme suit:
- la sphère se transforme en ellipsoïde puis en cylindre;
- une forte concentration de cylindres conduit à la formation d'une phase hexagonale;
- dans certains cas, une phase lamellaire et un cristal solide (particules de savon) apparaissent.
Types de micelles
Trois types de systèmes colloïdaux se distinguent selon les particularités de l'organisation de la structure interne: les suspensoïdes, les colloïdes micellaires, les colloïdes moléculaires.
Les suspensoïdes peuvent être des colloïdes irréversibles, ainsi que des colloïdes lyophobes. Cette structure est typique des solutions de métaux, ainsi que de leurs composés (divers oxydes et sels). La structure de la phase dispersée formée par les suspensoïdes ne diffère pas de la structure d'une substance compacte. Il possède un réseau cristallin moléculaire ou ionique. La différence avec les suspensions est une dispersion plus élevée. L'irréversibilité se manifeste par la capacité de leurs solutions après évaporation à former un précipité sec, qui ne peut être transformé en sol par simple dissolution. Ils sont dits lyophobes en raison de la faible interaction entre la phase dispersée et le milieu de dispersion.
Les colloïdes micellaires sont des solutions dont les particules colloïdales se formentlors du collage de molécules diphiliques contenant des groupes polaires d'atomes et des radicaux non polaires. Des exemples sont les savons et les tensioactifs. Les molécules de ces micelles sont maintenues par des forces de dispersion. La forme de ces colloïdes peut être non seulement sphérique, mais aussi lamellaire.
Les colloïdes moléculaires sont assez stables sans stabilisants. Leurs unités structurelles sont des macromolécules individuelles. La forme d'une particule colloïdale peut varier en fonction des propriétés de la molécule et des interactions intramoléculaires. Ainsi, une molécule linéaire peut former une tige ou une bobine.
