Строение (разрез) мицеллы, основные понятия

Процесс химического образования частиц дисперсной фазы очень сложен, но упрощенно его можно описать следующим образом. Рассмотрим образование золя и строение его частиц на примере хлорида серебра AgCl. Этот золь образуется при медленном приливании водного раствора хлорида натрия NaCl к водному раствору нитрата серебра AgNO₃, взятому в избытке (если ввести сразу большую порцию раствора NaCl, то мгновенно выпадет осадок хлорида серебра и золь не получится). Реакция протекает по уравнению:

Ag⁺ + Cl^– = AgCl.

При постепенном приливании раствора NaCl в раствор AgNO₃ в первый момент из ионов Ag⁺ и Cl^– образуется агрегат (AgCl) _n, в котором ионы расположены в том же порядке, что и в кристаллической решетке AgCl.

Далее агрегат (AgCl) _n адсорбирует на своей поверхности преимущественно те ионы, которые входят в его состав (или изоморфны по типу кристаллической решетки) и находятся в растворе в избытке. Этим условиям в данном случае отвечают ионы серебра. В результате адсорбции ионов Ag⁺ агрегат из хлорида серебра со слоем ионов серебра приобретает положительный заряд.

Ионы, адсорбирующиеся на поверхности агрегата, придают частице заряд и называются потенциалопределяющими. Наличие одноименных зарядов на агрегатах препятствует их объединению и росту кристалла AgCl. Таким образом агрегаты AgCl с адсорбированными на них ионами приобретают состояние агрегативной устойчивости.

Агрегат (AgCl) _n вместе с потенциалопределяющими ионами Ag⁺ составляет ядро. К заряженному ядру притягиваются ионы противоположного заряда – противоионы. В данном случае такими ионами будут ионы, содержащиеся в растворе (но не входящие в состав агрегата), – нитрат-ионы NO₃^–. Противоионы, непосредственно примыкающие к ядру, образуют адсорбционный слой противоионов.

За адсорбционным слоем противоионов следует диффузный слой тех же противоионов. Количество противоионов диффузного слоя постепенно понижается по мере удаления от ядра. Противоионы диффузного слоя ориентируют вокруг себя полярные молекулы растворителя, создавая дополнительную сольватную (гидратную) оболочку.

Ионы адсорбционного слоя сравнительно прочно связаны с агрегатом, а противоионы диффузного слоя находятся под действием двух факторов: электростатического притяжения ионами противоположного заряда, которое удерживает их вблизи ядра, и броуновского движения, стремящегося распределить их в дисперсионной среде.

Ядро вместе с противоионами адсорбционного слоя составляет коллоидную частицу, или гранулу. Гранула с противоионами диффузного слоя называется мицеллой. Следует иметь в виду, что знак заряда гранулы соответствует знаку заряда потенциалопределяющих ионов. Мицелла в отличие от гранулы электронейтральна.

Формулу мицеллы гидрозоля хлорида серебра записывают так:

{ n (AgCl), m Ag⁺, (m – x)NO₃^–} ^{x +} x NO₃^–.

В фигурные скобки заключена гранула. Ионы, указанные за фигурными скобками, составляют внешнюю часть мицеллы. Строение мицеллы хлорида серебра представлено на рис. 5.10. Подобный механизм мицеллобразования относится к лиофобным коллоидам.

Строение мицеллы и заряд гранулы зависят от способа получения коллоидного раствора. Если медленно приливать разбавленный раствор нитрата серебра к раствору хлорида натрия, взятому в избытке, то на поверхности агрегата n (AgCl) будут адсорбироваться хлорид-ионы, имеющиеся в растворе в избытке (образуется слой потенциалопределяющих ионов), а в качестве противоионов адсорбционного и диффузионного слоев будут выступать ионы натрия. Состав мицеллы полученного гидрозоля записывается формулой:

{ n (AgCl), m Cl^–, (m – x)Na⁺} ^{x –} x Na⁺.

Основу мицеллы составляет нерастворимое в данной среде ядро, микрокристалл или совокупность микрокристаллов.

Рассмотрим другие наиболее важные для обсуждения природных процессов примеры образования дисперсной фазы. Прильем к раствору хлорида железа FеCl₃ по каплям раствор гидроксида натрия NaОН до помутнения раствора или образования хлопьев малорастворимого гидроксида железа
Fe(ОН)₃:

Fe³⁺ + 3OH^– = Fe(ОН)₃.

Образовавшаяся мицелла имеет такое строение:

В слой потенциалопределяющих ионов могут входить не только ионы Fe³⁺, но и образующиеся при гидролизе ионы Fe(OH)²⁺, Fe(OH)²⁺ и др. Примерно таково же строение мицеллы гидроксида алюминия.

При медленном приливании раствора хлорида железа в раствор гидроксида натрия процесс образования мицеллы протекает намного сложнее, но теоретически можно предположить, что гидроксид-ионы могут быть потенциалопределяющими, а ионы натрия входят в состав адсорбционного и диффузного слоев.

Состав мицеллы кремниевой кислоты, образующейся при приливании к раствору силиката натрия (избыток) сильной кислоты, может быть выражен такой формулой:

{[ n H₂SiO₃], m HSiO₃^–, (m – x)Na⁺} ^{х –} x Na⁺.