Дисперсные системы и строение коллоидной частицы
Дисперсные системы и строение коллоидной частицы. При измельчении вещества образуются частицы различного размера (различной степени дисперсности).
Чем выше степень дисперсности, тем больше удельная поверхность вещества, т. е. поверхность вещества, приходящаяся на единицу объема. Например, поверхность куба с ребром в 1 см будет равна 6 см2. Если этот куб разделить на восемь частей, то объем его останется
Дисперсность — распыленность, раздробленность.
прежним, равным 1 м3, а поверхность уже составит 12 см2 Разделив куб на кубики с ребром 1 мм, получим поверхность кубиков, равную 60 см2. Дальнейшее деление (диспергирование) куба вызовет еще большее увеличение удельной поверхности. Поэтому суммарная поверхность 1 г почвенных частиц, 1 размер которых 0,5—1,0 мм, будет равна около 22 см2, частиц] размером 0,05—0,25 мм — 226 см2, частиц меньше 0,001 мм — 22600 см2.
Дисперсные вещества образуют дисперсные системы, в которых различают дисперсную фазу и дисперсионную среду. Частицы дисперсной фазы как бы растворены в дисперсионной среде. Среди дисперсных систем выделяются грубодисперсные системы с частицами дисперсной фазы крупнее 0,1 мк и коллоидно-дисперсные системы (дисперсоиды) с частицами от 0,1 мк до 1 нм. Более мелкие дисперсные частицы обычно представляют собой крупные молекулы, которые образуют молекулярно- дисперсные системы. Таким образом, коллоидное состояние характеризуется определенными размерами частиц.
Коллоидно-дисперсные системы могут быть представлены’ различными комбинациями дисперсионной среды и дисперсной фазы. Для процессов почвообразования особое значение имеют коллоидно-дисперсные системы, дисперсионной средой которых является жидкость (вода), а дисперсной фазой — твердое вещество. Эти системы носят название золей или коллоидных растворов.
Чрезвычайно мелкие размеры и соответственно большая удельная поверхность коллоидных частиц обусловливают их особые свойства. Это является одним из примеров диалектического перехода количественных признаков в новое качество.
Большая часть твердых природных веществ обладает определенной кристаллохимической структурой. Внутри вещества ионы, атомы или группы атомов находятся в равновесном состоянии. На поверхности энергетические возможности ионов насыщены не полностью (рис. 14). Ионы кристаллической решетки, находящиеся на ее поверхности, способны воздействовать на свободные ионы — отталкивать одноименно заряженные и притягивать ионы противоположного знака. Явление притяжения под влиянием остаточных сил ионов, находящихся на поверхности твердого тела, называется адсорбцией
Сила воздействия ионов, находящихся на поверхности, очень небольшая, поэтому в крупных обломках при наличии небольшой удельной поверхности влияние этих сил весьма незначительно. Однако при измельчении обломков , когда удельной поверхность возрастает, суммарный эффект воздействия товерхностных ионов становится значительным.
Находясь в растворе, коллоидные частицы в результате взаимодействия с ионами раствора приобретают определенное строение и электрический заряд. Рассмотрим образование стро-гния коллоидной частицы на простейшем примере.
При сливании растворов нитрата серебра (AgNO3) и бромида калия (КВг) образуются мелкие частицы кристаллического эромида серебра (AgBr). Если затем дополнительно добавить эаствор бромида калия, то к поверхности частиц AgBr прочно притянутся ионы брома (рис. 15). Они создают слой отрицательно заряженных ионов, который определяет заряд почвенной частицы. Анионы брома притягивают положительно заряженные катионы калия, которые уравновешивают (компенсируют) отрицательный заряд коллоидной частицы. При этом часть катионов калия соединяется с анионами брома в вирде КВг, а часть катионов калия лишь притягивается к поверхности частицы без прочной химической связи. В итоге образуется отрицательно заряженная коллоидная частица бромида серебра с двойным электрическим слоем — слоем ионов брома и слоем и°нов калия.
Коллоидная частица с двойным электрическим слоем называется мицеллой (рис. 16), внутренняя часть мицеллы — ядром. Слой ионов, прилегающих к ядру (в данном случае ионов брома), называется потенциап определяющим, а внешний слой (в данном случае образованный ионами калия) — компенсирующим. В компенсирующем слое выделяются внешний (рис. 16, а) и внутренний слои (рис. 16, б). Внутренний слой называется неподвижным слоем компенсирующих ионов, так как он представлен не-отдиссоциированными ионами, прочно соединенными с ионами потенциалопределяющего слоя. Внешний слой носит название диффузного слоя; он представлен отдиссоциированными ионами, менее прочно связанными с потенциалопределяющими ионами. Диффузный слой может существовать только при наличии дисперсионной среды, т. е. воды. Если почва высохнет, то ионы диффузного слоя переходят в неподвижный слой; мицелла без диффузного слоя называется частицей.
Строение почвенных коллоидов более сложно, чем в разобранном случае, вследствие сложной кристаллохимической структуры тонкодисперсных минералов и поглощения ионов различной валентности.
В коллоидном растворе частицы какого-либо вещества обладают одинаковым зарядом и в силу этого отталкиваются друг от друга. Если же создадутся условия для взаимного притяжения частиц, то возникнут агрегаты из нескольких частиц, состояние коллоидного раствора будет нарушено, а вещество, находившееся в состоянии дисперсной фазы коллоидного раствора, выпадет в виде рыхлого осадка. Процесс соединения отдельных коллоидных частиц и выпадение осадка называется коагуляцией. Осадок, возникший в результате коагуляции, называется гелем. Коагуляция происходит в результате нейтрализации коллоидных частиц. Это имеет место при добавлении к золю электролита, при сливании двух золей с разноименно заряженными частицами, под воздействием радиоактивного излучения и ряда других причин. Переход геля в золь называется пептизацией.
Гели чрезвычайно широко распространены в природе, особенно в зоне гипергенеза и, в частности, в почве. Многие, особенности почвы связаны с наличием гелей.
Обладая в силу высокой дисперсности огромной поверхностью, гели могут поглощать (сорбировать) из раствора ион различных химических элементов, не образуя с ними при это химических соединений.
Катионы раствора, поглощаясь коллоидными частицами, вытесняют ранее поглощенные катионы. Таким образом, в процессе поглощения имеет место своеобразный физико-химический обмен химических элементов. Подобную реакцию можно изобразить следующим образом (рис. 17). Коллоидная частица условно изображена в виде круга, на поверхности которого расположены катионы кальция, магния и натрия, способные к обмену. При воздействии на частицу раствором хлорида аммония можно вытеснить шесть катионов кальция, один катион магния и два катиона натрия из диффузного слоя мицеллы. Так как катионы кальция и магния двухвалентны, то место каждого из этих катионов должны занять два одновалентных катиона аммония. Катион натрия одновалентен и соответственно замещается одним ионом аммония. Всего для полного замещения потребуется (6х2) + (2х1) + (1х2) = 16 катионов аммония. Одновременно в растворе уменьшится содержание хлорида аммония на 16 молекул, но появится шесть молекул хлорида кальция, одна — хлорида магния и две — хлорида натрия.
Чем выше валентность поглощенного иона, тем прочнее эти ионы связываются с потенциалопределяющими ионами и тем сильнее они нейтрализуют заряд коллоидной частицы. Уменьшение заряда сопровождается менее энергичным отталкиванием частиц друг от друга, что приводит к слипанию и коагуляции. Следовательно, поглощение коллоидными частицами одновалентных катионов способствует образованию золей, а поглощение двух- и трехвалентных катионов приводит к образованию гелей. По возрастанию прочности сорбционных связей (энергии поглощения) и коагулирующей способности распространенные катионы были расположены К. К. Гедройцем в следующий ряд:
