Физико-химия дисперсных систем

жүктеу/скачать 86 Kb.

Дата	13.06.2016
өлшемі	86 Kb.
	#132931
түрі	Занятие

З А Н Я Т И Е N 16

ТЕМА: Физико-химия дисперсных систем

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗОЛЕЙ

Гидрофобные золи получают 2-мя методами:

I метод диспергирования или дисперсионный (дробление);

II метод конденсации (укрупнения).

Методы диспергирования осуществляются путем механического, электрического или ультразвукового дробления веществ до размеров коллоидных частиц. Для этих целей используют специальные коллоидные мельницы.

Конденсационные методы основаны на переходе молекулярных и ионных растворов в коллоидные путем образования труднорастворимых веществ в результате химических реакций или изменения физических условий среды.

К методам конденсации относятся:

1) химические методы (гидролиз, реакция двойного обмена, окисление-восстановление);

2) методы замены растворителя, когда дисперсионная среда, в которой вещество дисперсной фазы образует молекулярный раствор, заменяется средой, в которой вещество нерастворимо.

ПОЛУЧЕНИЕ ЗОЛЕЙ МЕТОДОМ ХИМИЧЕСКОЙ КОНДЕНСАЦИИ

Реакции обмена:

AgNO₃ + KI = AgI + KNO₃

4 FeCl₃ + 3 K₄[Fe(CN)₆] = Fe₄[Fe(CN)₆]₃ + 12 KCl
2) Гидролиз соли: FeCl₃ + 3 H₂O = Fe(OH)₃ + 3 HCl

При получении золей методом химической конденсации соблюдаются следующие условия:

1) золи получают при смешивании очень разбавленных растворов реагирующих веществ (например, AgI), т.к. при более высокой концентрации в эквивалентных количествах образуются осадки;

2) для получения золя необходим стабилизатор. При химических методах получения коллоидных систем в качестве стабилизатора выступают продукты реакции.

СТРОЕНИЕ КОЛЛОИДНОЙ МИЦЕЛЛЫ

Рассмотрим строение мицеллы AgI в избытке KI:

AgNO₃ + KI_изб_.→ АgI ↓ + KNO₃

Если одно из исходных веществ взято в небольшом избытке, то оно служит стабилизатором, т.е. сообщает устойчивость коллоидным частицам AgI. Коллоидная частица имеет сложную структуру и состоит из агрегата (совокупность большого количества молекул). Ионы I^-будут продолжать достраивать кристаллическую решеткуагрегата, сообщая ему электрический заряд. Этот ион называется потенциалопределяющим ионом (ПОИ). Затем начинают адсорбироваться противоионы К⁺(ПРИ). Основная часть всех противоионов, адсорбированная на ядре коллоидной частицы, образует вместе с пои адсорбированный слой, а часть противоионов (10%) уходят в объем растворителя и образуют диффузный слой.

Схематически строение мицеллы AgI при избытке KI выразится так:

{

m (AgI) ^. n I^- ^. (n - x) K⁺}^x- ^. x K⁺

агрегат пои при диффузный

слой

ядро

адсорбционный

слой

коллоидная частица

мицелла (электронейтральна)

Коллоидная частица с диффузным слоем образует мицеллу: m – число молекул иодида серебра в ядре

n – число потенциалопределяющих ионов I^¯

(n – x) – число связанных противоионов К+, входящих в адсорбционный слой

х – число ионов К⁺, входящих в диффузный слой.

СХЕМА СТРОЕНИЯ МИЦЕЛЛЫ ЗОЛЯ AgI

с отрицательно заряженными частицами

K⁺ K⁺K⁺

K⁺ K⁺ K⁺K⁺K⁺

K⁺ K⁺K⁺

K⁺ I^¯ I^¯K⁺

K⁺ K⁺ K⁺mAgI K⁺K⁺K⁺

K⁺ I^¯I^¯K⁺

K⁺ K⁺K⁺

K⁺ K⁺ K⁺K⁺

K⁺ K⁺ K⁺

Агрегат

Ядро

Коллоидная

частица
Мицелла

КОАГУЛЯЦИЯ ЛИОФОБНЫХ ЗОЛЕЙ

КОАГУЛЯЦИЯ – процесс укрупнения коллоидных частиц за счет слипания под влиянием молекулярных сил притяжения.

Этому процессу препятствует наличие у коллоидных частиц одноименного заряда. Чтобы вызвать коагуляцию золя, необходимо нейтрализовать заряд коллоидной частицы, тогда частицы будут сталкиваться и слипаться. Коагуляцию золя можно вызвать различными способами, легче всего при помощи электролитов.

При коагуляции золей электролитами происходит сжатие диффузного слоя, что позволяет коллоидным частицам подходить друг к другу на расстояние, на котором уже действуют силы межмолекулярного притяжения.

Различают 2 стадии коагуляции: скрытую и явную. При явно коагуляции изменяется окраска золя за счет укрупнения частиц, появляется муть, а дальше происходит седиментация – свободное оседание агрегатов коллоидных частиц под действием силы тяжести.

Для наступления явной коагуляции концентрация электролита должна быть равна или больше порога коагуляции золя.

Коагулирующая способность электролитов характеризуется ПОРОГОМ КОАГУЛЯЦИИ (γ_с), т.е. минимальной концентрацией электролита в миллимолях на 1 л золя, при которой начинается явная коагуляция. Обратная величина порога коагуляции называется КОАГУЛИРУЮЩИМ ДЕЙСТВИЕМ (1/γ_с).

Коагулирующим действием обладает только тот ион электролита, который имеет заряд, противоположный заряду коллоидной частицы.

Например, на положительно заряженный золь железа гидроксида коагулирующее действие оказывают анионы, а на отрицательно заряженный золь Fe₄[Fe(CN)₆]₃ (берлинской лазури) – катионы.

Коагулирующая способность иона тем больше, чем выше его валентность.

ПРАВИЛО ШУЛЬЦЕ-ГАРДИ (правило значности) гласит: из 2-х ионов электролита коагулирующим действием обладает тот, знак которого противоположен знаку заряда коллоидных частиц, причем это действие тем сильнее, чем выше валентность коагулирующего иона.

Зависимость между порогом коагуляции (γ_с) и валентностью (Z) коагулирующего иона выражается уравнением:

где γ_с – порог коагуляции

Z – валентность

а – коэффициент пропорциональности.

По теории Дерягина, порог коагуляции изменяется обратно пропорционально валентности коагулирующего иона в шестой степени:

УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА N 16

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 1

Получение коллоидных растворов гидроксида железа (III)

и берлинской лазури

1. Получение золя Fe(OH)₃ реакцией гидролиза

В конической колбе (250 мл) на электроплитке нагревают до кипения 150 мл дистиллированной воды (мерным цилиндром). Не снимая колбы, плитку выключают и небольшой струей вливают в воду пипеткой 5 мл концентрированного раствора железа (III) хлорида. Происходит гидролиз FeCl₃, в результате чего образуется коллоидный раствор железа (III) гидроксида интенсивного красно-коричневого цвета, стабилизированный FeCl₃.

Полученный золь охлаждают под краном до комнатной температуры. Если необходимо, то фильтруют через складчатый фильтр. Золь должен быть прозрачным в проходящем свете!

2. Получение золя берлинской лазури реакцией обмена

В коническую колбу (250 мл) наливают 25 мл дистиллированной воды и добавляют микропипетками (1 мл и 2 мл) 0,2 мл концентрированного раствора FeCl₃ и 2 мл насыщенного раствора желтой кровяной соли при перемешивании. В результате реакции обмена образуется нерастворимая в воде берлинская лазурь (железа (III) гексацианоферрат (II)) Fe₄[Fe(CN)₆]₃ в виде густого геля. К образовавшемуся гелю берлинской лазури добавляют 150 мл дистиллированной воды, встряхивают и фильтруют золь через складчатый фильтр, смоченный дистиллированной водой. Золь должен быть совершенно прозрачным в проходящем свете и иметь интенсивно синюю окраску!

В данном случае золь берлинской лазури, для которого стабилизатором является желтая кровяная соль, образуется в результате пептизации геля.

Результаты данной работы зависят от умения обращаться с пипетками.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 2

Определение порога коагуляции полученных золей

Fe(OH)₃ и Fe₄[Fe(CN)₆]₃

Чтобы определить, какой ион электролита-коагулятора должен оказывать коагулирующее действие на золь, нужно определить знаки зарядов коллоидных частиц золей Fe(OH)₃ и Fe₄[Fe(CN)₆]₃.

Сопоставление коагулирующей способности электролитов необходимо производить при одинаковом анионе, если ионом-коагулятором является катион и наоборот, при одинаковом катионе, если ион-коагулятор – анион.

Чтобы определить пороги коагуляции золя железа (III) гидроксида, готовят раствор электролитов с убывающей концентрацией. Для этого берут три ряда пробирок по 6 штук. В пробирки каждого ряда наливают из бюретки заданный объем дистиллированной воды и растворы электролитов в соответствии с таблицей 1. Растворы электролитов отмеряют пипеткой (5 мл).

Разведение раствора электролита в 3-х рядах одинаково, поэтому, чтобы рационально использовать время, рекомендуется заполнять пробирку так: взяв в руки одновременно вторые пробирки всех 3-х рядов, наливают в них по 1 мл дистиллированной Н₂О; в третьи – по 2 мл дистиллированной воды и т.д. Затем в пробирки каждого ряда пипеткой добавляют объемы раствора заданного электролита в убывающем количестве 5, 4, 3, 2, 1 и 0,5.

Заполнение пробирок золем производится из бескрановой бюретки (100 мл). Передвигая под бюреткой штатив с пробирками, добавляют по 5 мл золя по возможности одновременно во все пробирки каждого ряда. Содержимое пробирок перемешивают встряхиванием, записывают время начала опыта и оставляют на 30 мин. для прохождения явной коагуляции.

Готовят контрольный раствор золя железа (III) гидроксида сливанием в пробирку 5 мл дистиллированной воды и 5 мл золя.

Методика для определения порога коагуляции золя берлинской лазури точно такая же, в соответствии с таблицей 2. Контрольный раствор готовят сливанием 5 мл дистиллированной воды и 5 мл исходного раствора берлинской лазури. Коагуляцию отличают, сопоставляя контрольную и исследуемую пробирки, для чего их ставят на лист чистой белой бумаги и наблюдают помутнение золя сверху через всю толщу раствора или наблюдают образование укрупненных агрегатов в проходящем свете при сопоставлении контрольной и исследуемой пробирок.

В таблицах 1 и 2 отмечают коагуляцию знаком "+", отсутствие коагуляции знаком "–".

ФОРМА ОТЧЕТА:

1. Написать уравнения реакций получения золей Fe(OH)₃ и Fe₄[Fe(CN)₆]₃.

2. Изобразить формулу строения мицеллы золя Fe(OH)₃, стабилизированного железа (III) хлоридом.

3. Изобразить формулу строения мицеллы золя берлинской лазури, стабилизированного желтой кровяной солью.

4. Каков знак заряда коллоидных частиц железа (III) гидроксида и берлинской лазури?

5. Какие ионы электролита-коагулятора должны оказать коагулирующее действие на золи Fe(OH)₃ и Fe₄[Fe(CN)₆]₃?

6. Рассчитать порог коагуляции золей Fe(OH)₃ и Fe₄[Fe(CN)₆]₃для каждого электролита-коагулятора.

Суммарный объем растворов в каждой пробирке 10 мл, следовательно, концентрация золя во всех пробирках одинакова. Если С – молярная концентрация раствора электролита, У – минимальное число мл этого электролита, достаточное для коагуляции 10 мл золя, то СУ – это число миллимолей электролита, добавленного к 10 мл золя.

Для пересчета на 1 л золя СУ надо умножить на 100, тогда порог коагуляции равен:

γ = СУ · 100 ммоль/л

Таблица 1

Коагуляция золя гидроксида железа (III) под влиянием электролитов
Время начала опыта ....... час. ....... мин.

Время окончания опыта ....... час. ....... мин.

Ряд проби-рок	Коагулятор		Порог коагу- ляции моль/л	Номер пробирки
Ряд проби-рок	Электролит	Ион	Порог коагу- ляции моль/л	1	2	3	4	5	6
1 2 3	3,0 М KCl 0,005 M K₂SO₄ 0,0005 M K₃[Fe(CN)₆]
Объем мл	Дистиллированной воды			0	1	2	3	4	4,5
	Раствор электролита			5	4	3	2	1	0,5
	Золь железа (III) гидроксида			5	5	5	5	5	5

Таблица 2

Коагуляция золя берлинской лазури под влиянием электролитов
Время начала опыта ...... час. ..... мин.

Время окончания опыта ..... час. ..... мин.

Ряд проби- рок	Коагулятор		Порог коагу- ляции	Номер пробирки
Ряд проби- рок	Электролит	Ион	Порог коагу- ляции	1	2	3	4	5	6
1 2 3.	1,0 М KCl 0,03 М CaCl₂ 0,003 М AlCl₃
Объем мл	Дистиллированная вода			0	1	2	3	4	4,5
	Раствор электролита			5	4	3	2	1	0,5
	Золь берлинской лазури			5	5	5	5	5	5

Вспомогательные материалы:

(оснащение занятия)

а) химическая посуда: химические стаканы, аналитические пипетки, пробирки, мерные цилиндры, конические колбы;

б) химические реактивы;

в) бумажные фильтры;

г) электроплитки;

д) таблицы 1-3.

Материалы для контроля усвоения темы:

– программированные контрольные работы по теме "Коллоидная химия".

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ:

Записать формулы мицелл золей, полученных при реакциях обмена:

CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃ + 2 NaCl

а) при избытке CaCl₂;

б) при избытке Na₂CO₃.

Какие ионы электролита-коагулятора будут коагулировать данный золь: K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Cl‾, Al³⁺, [Fe(CN)₆]³‾, [Fe(CN)₆]⁴‾? Расположить выбранные ионы в лиотропные ряды.

Определите, к какому электроду должны перемещаться частицы золя, полученного по реакции при небольшом избытке H₂S:

2 H₃AsO₃ + 3 H₂S → As₂S₃ + 6 H₂O

3. Золь AgBr получен смешиванием 25 мл 0,008 н. раствора KBr и 18 мл 0,0096 н. раствора AgNO₃. Определить знак заряда частиц и написать схему строения мицеллы золя. Назвать составные части мицеллы.

ЛИТЕРАТУРА:

1. М.И. Равич-Щербо, В.В. Новиков "Физическая и коллоидная химия", М., 1975, стр. 175-187;

2. В.Н. Захаренко "Коллоидная химия", М., 1989, стр. 4-17, 102-106;

3. К.И. Евстратова "Практикум по физической и коллоидной химии", М., 1990, стр. 187-190, 199-200;

4. К.И. Евстратова и др. "Физическая и коллоидная химия", М., 1990, стр. 366-370, 396-440.

жүктеу/скачать 86 Kb.

Достарыңызбен бөлісу: