Получения золя

На первой стадии Золь-Гель синтеза формируется химический состав продукта (химическая форма вещества и состояние компонентов), который получают в виде высокодисперсного коллоидного раствора – золя. Так как коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами, то их можно получить двумя способами: из грубодисперсных частиц путем дробления – это методы диспергирования; или из истинных растворов в результате объединения атомов и молекул в агрегаты коллоидной системы – методы конденсации.

Методы диспергирования

1) Механическое измельчение – Заключается в энергичном и длительном растирании, размалывании и распылении грубодисперсных частиц и смешивание их с дисперсной средой. Дробление осуществляется с помощью коллоидных мельниц, ступок и т.д.

2) Электрическое диспергирование – Этим методом получают коллоидные растворы металлов путем распыления в вольтовой дуге электродов из металла, погруженных в воду.

3) Диспергирование ультразвуком – Происходит за счет разрывающих усилий. Они возникают в жидкости или твердом теле при прохождении через них ультразвуковых колебаний с частотой более 20000Гц в секунду (эти колебания не улавливаются человеческим ухом). При прохождении звуковой волны в системе возникают местные, быстро чередующиеся сжатия и расширение вещества, которые приводят к его разрушению. Этот метод применим, и является эффективным только при диспергировании мало прочных веществ (сера, графит, крахмал, краски и т.д.)

4) Пептизация – Пептизацией называется процесс расщепления коагулировавшего золя на первичные частицы. Пептизация возможна лишь тогда, когда структура частиц в коагуляте не изменена по сравнению с первично, т.е. когда не произошло полного сращивания частиц и они слабо связаны друг с другом.

Конденсационные методы

1) Метод замены растворителя (физическая конденсация) – Основана на замене одного растворителя другим, т.е. основан на изменении состава свойств дисперсной системы. Например, если спиртовой раствор серы, фосфора или канифоли влить в воду, вследствие понижения растворимости вещества в новом растворителе, раствор становиться пересыщенным и часть вещества конденсируется, образуя частицы дисперсной фазы.

2) Метод химической конденсации – Сводится к образованию молекул нерастворенных веществ с их последующей конденсацией до размеров коллоидных частиц. При этом может использоваться реакции обмена, гидролиза окисления-восстановления. Чтобы в ходе реакции образовался коллоидный раствор, а не истинный раствор или осадок, необходимо соблюдения, по крайней мере, трех условий:

Во-первых, чтобы вещество дисперсной фазы было не растворено в дисперсной фазе.

Во-вторых, чтобы скорость образования зародышей кристаллов дисперсной фазы было гораздо больше, чем скорость роста кристаллов (это условие выполняется обычно тогда, когда концентрированный раствор одного компонента вливается в сильно разбавленный раствор другого компонента при интенсивном перемешивании).

В-третьих, чтобы одно из исходных веществ было взято в избытке, именно оно является стабилизатором.

Методы химической конденсации разнообразны. Практически любая химическая реакция, приводящая к образованию новой фазы, может служить способом получения коллоидного раствора.

Например:

Реакция восстановления

Ag₂O + H₂ = 2Ag + H₂O

золь

Реакция окисления

2H₂S + SO₂ = 3S + 2H₂O

золь

Реакция гидролиза

FeCl₃ + 3H₂O = Fe(OH)₃ + 3HCl

золь

Реакция обмена

K₄Fe(CN)₆ + 2CuCl₂ = Cu₂Fe(CN)₆ + 4KCl

золь

При любом способе получения коллоидные растворы оказываются загрязненными примесями истинно растворимых веществ (примеси исходных материалов, избыток стабилизаторов, продукты химической конденсации). Примеси электролитов сильно понижают устойчивость золей. Поэтому после получения их очищают. Очистка производится методом диализа, электродиализа, ультрафильтрацией.

Диализ

Хотя коллоидные частицы и значительно больше молекул, но через поры обычной фильтровальной бумаги они все же проходят. Напротив многие животные и растительные перепонки (бычий пузырь) пропускают через себя отдельные молекулы и ионы, но задерживают коллоидные частицы. На этом основан метод диализа, часто применяемый для освобождения коллоидного раствора от примесей веществ находящихся в состоянии истинного раствора, т.е. диализ это освобождение коллоидного раствора от растворенных в нем низкомолекулярных соединений при помощи полупроницаемой мембраны. При диализе молекулы растворенного вещества проходят через мембрану, а не способные диализировать (проходить через мембрану) коллоидные частицы остаются на ней. Диализ является очень медленным процессом, для более быстрой и полной очистки золей применяют электродиализ.

Электродиализ

Обусловлен миграцией ионов через мембрану под действием приложенной разности потенциалов порядка 40В/см. Электродиализатор состоит из трех частей, в среднюю часть, отделенную от двух других полупроницаемыми мембранами, за которыми помещены электроды, наливают золь. При подключении к электродам разности потенциалов катионы, содержащиеся в золе, диффундируют через мембрану к катоду, анионы – к аноду.

Ультрафильтрация

Ультрафильтрация – отделение дисперсной фазы от дисперсной среды путем фильтрования под давлением через полупроницаемую мембрану. По существу, ультрафильтрация является не методом очистки золей, а лишь методом их концентрирования.

Поиск по сайту: