Номер 5, страница 72 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 10. Коллоидные растворы. Глава 1. Повторение и углубление знаний - номер 5, страница 72.

Условие.

5. Какими способами можно превратить золь в гель?

Решение.

Решение 2.

Переход золя в гель, называемый гелеобразованием или застудневанием, представляет собой процесс, в ходе которого отдельные коллоидные частицы или макромолекулы дисперсной фазы объединяются друг с другом, образуя сплошную трехмерную пространственную сетку (каркас), пронизывающую весь объем дисперсионной среды. В результате этого система теряет текучесть и приобретает упруго-пластические свойства, характерные для твердых тел. Существует несколько основных способов вызвать этот переход.

1. Изменение температуры

Это один из самых распространенных методов, особенно для лиофильных коллоидных систем. Воздействие может быть двояким:

• Охлаждение: Для многих систем, таких как водные растворы желатина, агар-агара или пектина, понижение температуры является основным фактором гелеобразования. Снижение температуры уменьшает кинетическую энергию частиц и молекул растворителя. Это ослабляет стабилизирующие сольватные (в случае воды – гидратные) оболочки и способствует сближению и сцеплению полимерных цепей с образованием узлов структурной сетки.
• Нагревание: Некоторые системы, наоборот, образуют гель при повышении температуры. Такой процесс называется обратимой термической желатинизацией. Примером может служить водный раствор метилцеллюлозы. При нагревании происходит разрушение гидратных оболочек (десольватация) вокруг макромолекул, усиливаются гидрофобные взаимодействия между ними, что приводит к их агрегации и формированию геля.

2. Увеличение концентрации дисперсной фазы

При увеличении концентрации коллоидных частиц (например, путем частичного удаления растворителя выпариванием) среднее расстояние между ними сокращается. Это повышает частоту их столкновений и вероятность сцепления, что в конечном итоге приводит к формированию сплошной пространственной структуры, то есть к переходу золя в гель.

3. Добавление электролитов

Этот способ особенно эффективен для лиофобных золей, устойчивость которых в основном определяется силами электростатического отталкивания одноименно заряженных частиц. Добавление небольших количеств электролита вызывает коагуляцию: ионы электролита нейтрализуют поверхностный заряд коллоидных частиц и сжимают их двойной электрический слой. Когда силы отталкивания становятся меньше сил межмолекулярного притяжения (силы Ван-дер-Ваальса), частицы начинают слипаться, образуя структуру геля. Этот процесс называют коагуляционным структурообразованием.

4. Изменение pH среды

Для золей, частицы которых обладают амфотерными свойствами (например, золи белков, гидроксидов металлов), изменение кислотности среды является мощным фактором воздействия. При достижении изоэлектрической точки (ИЭТ), то есть такого значения pH, при котором суммарный электрический заряд частиц равен нулю, электростатическое отталкивание между ними становится минимальным. Это состояние соответствует наименьшей устойчивости золя и способствует максимальной агрегации частиц с образованием геля.

5. Добавление нерастворителя (десольватирующего агента)

Для лиофильных золей, стабилизированных прочными сольватными оболочками, гелеобразование можно вызвать, добавив жидкость, которая хорошо смешивается с дисперсионной средой, но является нерастворителем для вещества дисперсной фазы. Такая жидкость "отнимает" молекулы растворителя из сольватных оболочек, вызывая их разрушение (десольватацию). Лишившись защитных оболочек, частицы слипаются, формируя гель. Например, добавление этанола к водному раствору желатина вызывает его застудневание.

6. Проведение химической реакции (золь-гель метод)

Гель может образовываться в результате химических реакций, в ходе которых из исходных растворимых компонентов образуются нерастворимые коллоидные частицы, способные к объединению в сетчатую структуру. Классическим примером является золь-гель синтез неорганических материалов. Например, при гидролизе и последующей поликонденсации алкоксидов металлов (как тетраэтоксисилан $Si(OC_2H_5)_4$) в растворе образуются частицы гидроксида, которые затем объединяются через связи металл-кислород-металл (например, $-Si-O-Si-$), формируя сплошной каркас геля (в данном случае, геля диоксида кремния $SiO_2$).

Ответ: Превратить золь в гель можно несколькими способами, основанными на нарушении агрегативной устойчивости коллоидной системы и содействии образованию пространственной структуры. Основные способы включают: изменение температуры (охлаждение или нагревание), увеличение концентрации дисперсной фазы, добавление электролитов, изменение pH среды до изоэлектрической точки, добавление нерастворителя (десольватирующего агента) и проведение химических реакций, приводящих к образованию и сцеплению частиц.