§ Х-34 Колоїдні розчини (золі): будова міцели, оптичний конус Тіндаля та електролітна коагуляція (9–11 клас · Дисперсні та колоїдні системи)
Будова міцели золю, подвійний електричний шар (ζ-потенціал), ефект Тіндаля і правило Шульце–Гарді. «Між світом істинних молекулярних розчинів і світом грубих суспензій лежить особливий нанорозмірний світ колоїдів, де панують поверхнева енергія та подвійний електричний шар», Томас Грем.
Теоретичний конспект і фізико-хімічний механізм
Колоїдні розчини (золі), це ультрамікрогетерогенні дисперсні системи з розміром частинок (міцел) від 1 до 100 нм, що посідають проміжне місце між істинними молекулярними розчинами ( 100 нм). Кожна колоїдна міцела має ядро, оточене подвійним електричним шаром (ПЕШ) потенціалвизначальних йонів та протиіонів, що створює електрокінетичний дзета-потенціал ζ і перешкоджає злипанню частинок.
Під час проходження вузького променя світла крізь прозорий золь спостерігається оптичний ефект Фарадея–Тіндаля, світіння конуса променя збоку внаслідок дифракційного розсіяння Релея, інтенсивність якого пропорційна шостому степеню діаметра частинок і обернено пропорційна четвертому степеню довжини хвилі: I_розс ∝ (N d⁶)/(λ⁴). В істинних розчинах конус Тіндаля відсутній.
Додавання електроліту стискає дифузний шар протиіонів і знижує |ζ|-потенціал нижче критичної межі (≈ 20 мВ), викликаючи злипання міцел в агрегати, коагуляцію. За правилом Шульце–Гарді (та теорією ДЛФО), поріг коагуляції обернено пропорційний шостому степеню заряду протиіона: C_кр ∝ (1)/(z⁶) (для Na⁺ : Ca²⁺ : Al³⁺ співвідношення порогів становить 1 : (1)/(64) : (1)/(729)).
Приклад із життя
Промінь сонця у чистій кімнаті невидимий збоку, але варто піднятися пилу чи туману, і промінь яскраво світиться! Це конус Тіндаля на наночастинках золю. А щоб ці частинки злиплися (коагулювали), тризарядний іон Al³⁺ діє у 3⁶ = 729 разів сильніше за однозарядний Na⁺!
Контрольне запитання та розв’язання
Чому промінь лазера залишається невидимим збоку в істинному розчині кухонної солі NaCl, але утворює яскравий світний конус (ефект Тіндаля) у колоїдному золі, і як залежить коагулююча здатність електроліту від заряду протиіона z за правилом Шульце–Гарді?
- А: Частинки колоїдного золю мають розмір 1–100 нм і дифракційно розсіюють світло (I ∝ V²/λ⁴), а поріг коагуляції різко спадає зі зростанням заряду протиіона як γ ∝ z⁻⁶ (тому Al³⁺ коагулює негативний золь у сотні разів сильніше за Na⁺)
- Б: В істинному розчині молекули води повністю поглинають лазерний промінь
- В: Однойменно заряджені колоїдні гранули притягуються завдяки кулонівським силам
Підказка: Колоїдні міцели розсіюють світло в конус Тіндаля (I ∝ d⁶/λ⁴), а поріг коагуляції за правилом Шульце–Гарді спадає як 1/z⁶.
Доведення: Колоїдні розчини (золі), це мікрогетерогенні дисперсні системи з розміром частинок d = 1–100 нм. На відміну від істинних розчинів (d 30 мВ). При додаванні стороннього електроліту дифузний шар протиіонів стискається, |ζ|-потенціал падає нижче критичного порога (≈ 25 мВ), і частинки злипаються (коагуляція). За правилом Шульце–Гарді і теорією ДЛФО коагулююча дія протиіона пропорційна шостому степеню його валентності z⁶ (K⁺ : Ba²⁺ : Al³⁺ = 1 : 64 : 729).
Основні формули та параметри 3D-симуляції
ζ = ζ₀ exp (-κ δ), κ ∝ √(∑ cᵢ zᵢ²), γ_коаг ∝ z⁻⁶
- Радіус колоїдної міцели дисперсної фази r (1 нм = істинний р-н): 2 … 80 нм (стандарт: 35 нм)
- Концентрація доданого електроліту-коагулянта C_ел: 0 … 15 ммоль/л (стандарт: 2 ммоль/л)
- Заряд протиіона коагулянта z (+1: K⁺, +2: Ba²⁺, +3: Al³⁺): 1 … 3 (стандарт: 1)
- Довжина хвилі лазерного променя λ (конус Тіндаля ∝ λ⁻⁴): 405 … 650 нм (стандарт: 532 нм)