Раздел 5. Коллоидная химия

 

Тема. Дисперсные системы

Методические указания

 

Коллоидная химия – наука, изучающая физико–химические свойства гетерогенных, высокодисперсных систем, а также растворов высокомолекулярных соединений.

В коллоидной химии широко используется понятия: система, фаза, гомогенная и гетерогенная системы. Необходимо уяснить понятия: дисперсность, дисперсионная среда и дисперсная фаза. Дисперсные системы, содержат чаще всего две фазы. Одна фаза представляет собой высокодисперсные, мельчайшие частицы вещества или макромолекулы ВМС и она называется дисперсной фазой). Другая фаза, в которой распределены агрегаты дисперсных частиц или макромолекул, называется дисперсионной средой. Условием образования таких дисперсных систем (коллоидного состояния вещества) является нерастворимость одной фазы в другой.

Классификацию дисперсных систем в зависимости от размеров частиц, выраженных в м, можно разделить следующим образом:

Грубодисперсные	Коллоидно- дисперсные	Молекулярно- и ионно - дисперсные
10-3 – 10-5	10-5 – 10-7	10-8

По степени дисперсности коллоидные растворы занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами. Поэтому коллоиды (золи) имеют некоторые свойства, сходные со свойствами растворов и грубодисперсных систем.

Основными отличительными особенностями дисперсных систем от истинных растворов являются:

а) способность к рассеиванию ими света;

б) медленная диффузия частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде;

в) способность к диализу;

г) агрегативная неустойчивость дисперсной фазы, проявляемая в виде выделения частиц из дисперсионной среды при добавлении к системе электролитов или под влиянием других внешних воздействий.

Таблица 1. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

 

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Название дисперсной системы	Примеры дисперсных систем
Жидкость	Твердое тело	Суспензия, золь	Золи металлов, природные воды
Жидкость	Эмульсия	Молоко, нефть
Газ	Пена	Мыльная пена
Твердое тело	Твердое тело	Минералы, сплавы	Рубин, сталь
Жидкость	Пористое тело, минерал	Влажный грунт, опал
Газ	Пористое тел	Сухой грунт, активированный уголь, пенопласт
Газ	Твердое тело	Аэрозоль	Пыль, дым
Жидкость	Аэрозоль	Туман, облака

Изучая получение золей, важно уяснить два метода:

1. Диспергирование – дробление более крупных по размеру частиц до коллоидной степени дисперсности.

2. Конденсация – укрупнение частиц в результате объединения атомов и молекул в агрегаты коллоидной степени дисперсности.

Рассмотрим получение мелкодисперсного осадка иодида серебра из хорошо растворимых исходных компонентов по реакции:

 

AgNO₃ изб+ KI = AgI + KNO₃

 

В случае избытка в растворе AgNO₃ ионы Ag ⁺ будут адсорбироваться на поверхности осадка AgI, встраиваясь в его кристаллическую решетку. Избыточно адсорбированные ионы (Ag ⁺) носят название потенциалопределяющих ионов. К ним притягиваются электростатическими силами ионы противоположного знака заряда (противоионы) - NO₃‾. При этом часть противоионов будет находиться в растворе у самой поверхности дисперсной фазы (плотный слой), а часть сохраняет способность к подвижному распределению в растворе вблизи поверхности гранулы, образуя «облако» из диффузных противоионов (диффузный слой). Такая коллоидная частица вместе с противоионами называется мицеллой и в целом является электронейтральной. Однако сама твердая фаза будет заряжена положительно.

Изложенное выше строение мицеллы изображают в в виде формулы:

 

{[m (AgI)] n Ag⁺ · (n -x) NO₃‾}^х+ x NO₃‾,

где m – количество молекул AgI в частице;

n – количество потенциалопределяющих ионов, адсорбированных на поверхности твердой частицы; (n-x) – количество противоионов, притянутых электростатическими силами к потенциалопределяющим ионам в виде плотного слоя; x – количество диффузных противоионов (слой «рыхлой» структуры), располагающихся на некотором расстоянии от плотного слоя.

В этих формулах частички AgI являются зародышем (или агрегатом) мицеллы; зародыш вместе с потенциалопределяющими ионами дают ядро мицеллы; ядро с плотной частью противоионов составляют заряженную гранулу (или частицу) [m (AgI) n Ag⁺ · (n -x) NO₃‾]^х+, а гранула совместно с диффузными противоионами образуют мицеллу.

Некоторые дисперсные системы могут существовать неограниченно долго, однако большинство из них являются неустойчивыми и постепенно разрушаются. Мицеллы самопроизвольно или под влиянием каких-либо внешних воздействий могут слипаться, всплывать или оседать, разрушаться и т.д. Устойчивость дисперсной системы характеризуется способностью дисперсной фазы сохранять во времени как исходные размеры частиц, так и равномерность распределения их в объеме дисперсионной среды. Наличие электрического заряда на поверхности частиц является важным условием сохранения устойчивости дисперсных систем.

Агрегативная неустойчивость дисперсных систем обусловлена избытком свободной поверхностной энергии на межфазной границе, что приводит к самопроизвольному образованию агрегатов и последующему их слипанию. В итоге система разделяется на два слоя – жидкость (дисперсионная среда) и плотный осадок (дисперсная фаза).

Кинетическая (седиментационная) неустойчивость проявляется в оседании частичек дисперсной фазы под влиянием силы тяжести.

Коагуляция – процесс самопроизвольного укрупнения (слипания) дисперсных частиц, который может происходить при действии на дисперсную систему различных факторов: при интенсивном перемешивании или встряхивании, нагреве или охлаждении, облучении светом или пропускании электрического тока, при добавлении к системе электролитов или неэлектролитов и др. Во всех случаях воздействия на систему происходит уменьшение энергии связи диспергированных частиц с окружающей их дисперсионной средой.

Для коагуляции золей электролитами установлен ряд эмпирических закономерностей.

1. Для начала коагуляции золя необходима некоторая минимальная концентрация электролита, называемая порогом коагуляции γ.

2. Правило Шульце – Гарди: коагулирующим действием обладает тот из ионов электролита, заряд которого противоположен заряду коллоидных частиц, причем коагулирующее действие иона тем сильнее, чем больше его заряд. Величины порогов коагуляции двухзарядных ионов примерно на порядок, а трехзарядных – на два порядка меньше, чем для однозарядных ионов.

3. Коагулирующая способность иона при одинаковом заряде тем больше, чем больше его кристаллический радиус. Ag⁺ > Cs⁺ > Rb⁺ > NH₄⁺ > K⁺ > Na⁺ > Li⁺ – лиотропный ряд

4. В осадках, получаемых при коагуляции золей электролитами, всегда присутствуют ионы, вызвавшие коагуляцию.

Порог коагуляции - минимальная молярная концентрация электролита, при которой начинается коагуляция золя объемом 1 дм³:

Величина, обратная порогу коагуляции, называется коагулирующей способностью электролита.

 

è Решение типовых задач

Пример 1. Напишите образование мицеллы, полученной действием избытка хлорида бария на сульфат натрия.

Решение. Рассмотрим образование мицеллы:

Na₂SO₄ + BaCl₂ (изб) → ВаSO₄ + 2NaCl

Вначале образуется агрегат мицеллы: BaSO₄

На поверхности кристалла ВaSO₄ адсорбируются ионы Ва²⁺. т.е. ионы Ba²⁺ вследствие избирательной адсорбции достраивают кристаллическую решетку, т.к. они находятся в избытке. Они придают поверхности ядра положительный заряд и являются потенциалопределяющими ионами.

Ядро мицеллы: m BaSO₄∙n Ba²⁺

Ионы С1^-, образующиеся при диссоциации ВаС1₂, имеют отрицательный заряд, противоположный заряду поверхности. Под действием электростатических сил противоионы С1^- притягиваются к ядру, нейтрализуя его заряд.

Часть противоионов (n-x), находящихся в непосредственной близости от ядра, образуют адсорбционный слой. Агрегат вместе со слоем потенциалопределяющих ионов и противоионов явялется коллоидной частицей:

{(m BaSO₄)∙n Ba²⁺ ∙2(n-x)Cl^-}^2х+, которая имеет электрический заряд, совпадающий с зарядом потенциалопределяющего слоя.

Другая часть противоионов (x) образует диффузионный слой. Заряды потенциалопределяющих ионов и противоионов полностью скомпенсированы, поэтому мицелла электронейтральна.

Формула мицеллы:

{[(m BaSO₄)∙n Ba²⁺] ∙2(n-x)Cl^-}^+2x 2хCl^-

Пример 2. Определите, к какому электроду должны перемещаться частицы золя, получаемого при реакции при небольшом избытке H₂S:

2H₃AsO₃+3К₂S=As₂S₃+6КОH

Решение. Потенциал определяющими ионами в данном случая могут быть ионы S^2-, так как в состав агрегата входят ионы серы. Состав адсорбционного слоя могут входить ионы К⁺. Ионы К⁺ образуют диффузный слой. Таким образом, схематическое строение мицеллы золя можно выразить следующей формулой:

{[(As₂S₃)_m·n S ^2-]· 2(n-x)Н⁺}^-2х 2x Н⁺

Частица имеет отрицательный заряд, - следовательно, движение частиц золя направлено к аноду.

! Задачи для самостоятельной работы

1. Написать строение мицеллы золя, полученного по реакции. Определить к какому электроду будет двигаться коллоидная частица:

а) BaCI₂+Na₂ SO₄=BaSO₄+2NaCI; в избытке Na₂SO_4.

б) ZnSO₄+(NH₄)₂S=ZnS+(NH₄)₂SO₄; в избытке (NH₄)₂S

в) AI(OH)₃, стабилизированный AICI₃.

г) As₂S₃, стабилизированный H₂S.

д) Ba(OH)₂,стабилизированный BaCI₂.

е) PbS, стабилизированный Pb(NO₃)_2.

 

2. Укажите, к какому электроду должны двигаться частицы гидроксида алюминия, образующиеся при гидролизе: AICI₃+H₂O=AI(OH)₃+3HCI.

3. Золь BaSO₄ получен смешением некоторых объемов Ba(NO₃)₂ и H₂SO₄. Написать формулу мицеллы, если в электрическом поле гранула перемещается к аноду. Какой электролит взят в избытке?

4. Для получения золя АgCl смешали раствора КCl и раствор AgNO₃. Раствор AgNO₃ взят в избытке. Написать формулу мицеллы этого золя и указать к какому электроду перемещается частица.

5. Золь Аl(ОН)₃ получен смешением 1 объема АlCl₃ и 2 объемов раствора NaОН равной концентрации. Написать формулу мицеллы золя.

6. Написать формулу мицеллы AgJ, если в качестве стабилизатора взят нитрат серебра. Каков знак заряда коллоидных частиц?

7. Золь Сd(ОН)₂ получен смешением равных объемов растворов СdCI₂ и NaОН. Написать формулу мицеллы золя. Одинаковы ли исходные концентрации электролитов, если частицы движутся к катоду?

8. Напишите строение мицеллы золя, образованного в результате взаимодействия указанных веществ (избытка одного, затем другого вещества):

а) CdCl₂ + Na₂S;

б) FeCl₃ + NaOH.

Назовите составляющие компоненты мицеллы.

9. Как расположатся пороги коагуляции в ряду CrCl₃, Ba(NO₃)₂, K₂SO₄ для золя фосфата серебра, гранулы которого при электрофорезе двигаются к аноду? Какие ионы коагулянта вызовут коагуляцию этой золи.

10. Для коагуляции 10 мл золя иодида серебра требуется 0,5 мл раствора нитрата кальция молярной концентрации 0,2 моль/л. Определите порог коагуляции.

11. Чтобы вызвать коагуляцию золя сульфида мышьяка (III) объемом 10 мл, потребовалось в каждом случае прилить следующие растворы: хлорида натрия объемом 0,25 мл молярной концентрации 2 моль/л; раствор хлорида кальция объемом 1,3 мл молярной концентрации 0,01 моль/л и раствор хлорида алюминия объемом 2,76 мл молярной концентрации 0,001 моль/л. Чему равен порог коагуляции каждого электролита?

12. Порог коагуляции раствора бихромата калия K₂Cr₂O₇ молярной концентрации 0,02 моль/л по отношению к золю оксида алюминия равен 1,26 моль/л. Определите объем раствора электролита, необходимый для коагуляции этого золя объемом 10 мл.

13. Пороги коагуляции некоторого золя электролита KNO₃, MgCl₂, NaBr равны соответственно 50,0; 0,8; 49,0 ммоль/л. Как относятся между собой величины коагулирующих способностей этих веществ? Укажите коагулирующие ионы. Каков знак заряда коллоидной частицы?

 

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1. Артеменко А.И. Органическая химия. − М.: Высшая школа, 2005.

2. Грандберг И.И. Органическая химия. – М.: Высшая школа, 2001.

3. Ким А.М. Органическая химия. – Новосибирск: Сибирское уни-верситетское издательство, 2001.

4.

 

Дополнительная литература

5. Березин Б.Д., Березин Д.Б. Курс современной органической хи-мии. – М.: Высшая школа, 2003.

6. Иванов В.Г., Горленко В.А., Гева О.Н. Органическая химия. – М.: Издательский центр «Академия», 2005.

7. Кузнецов Ю.П. Органическая химия. Пищевые красители и цве-торегулирующие материалы. − Новосибирск: СибУПК, 2006.

8. Максанова Л.А. Высокомолекулярные соединения и материалы на их основе, применяемые в пищевой промышленности. – М.: КолосС, 2005.

9. Химическая энциклопедия. − М.: Советская энциклопедия. – 1988, 1990. − Т. 1–2.

 

Концентрации катионов водорода, гидроксид-ионов,

рН и рОН для разбавленных водных растворов кислот, оснований, солей

 

Среда	[H+ ]	pH	[ОН-]	pOH
Сильнокислая	100		10-14
10-1		10-13
10-2		10-12
Кислая	10-3		10-11
10-4		10-10
Слабокислая	10-5		10-9
10-6		10-8
Нейтральная	10-7		10-7
Слабощелочная	10-8		10-6
10-9		10-5
Щелочная	10-10		10-4
10-11		10-3
Сильнощелочная	10-12		10-2
10-13		10-1
10-14		100

 

Приложение 6

 

Стандартные окислительно-восстановительные

потенциалы металлов в водных растворах

 

Электродный процесс	Значение стандартного электродного потенциала (Е°), В
Li+ + е = Li	- 3,045
К+ + е = К	- 2,925
Са2+ + 2е = Са	- 2,866
Na+ + е = Na	- 2,714
Mg2+ + 2e = Mg	- 2,363
Аl3+ + 3е = А1	- 1,662
Ti2+ + 2е = Ti	- 1,628
Мn2+ + 2е = Мn	- 1,180
Zn2+ + 2е = Zn	- 0,763
Сг3+ + 3е = Сг	- 0,744
Fe2+ + 2е = Fe	- 0,44
Cd2+ + 2е = Cd	- 0,40
Со2+ + 2е = Со	- 0,28
Ni2+ + 2е = Ni	- 0,25
Sn2+ + 2e=Sn	- 0,14
Рb2+ + 2e = Pb	- 0,13
Fe3+ + 3e = Fe	- 0,036
2H+ + 2e = H2	0,00
Cu2+ + 2e = Cu	0,34
Hg22+ + 2e = 2Hg	0,79
Ag+ + e = Ag	0,80
Hg2+ + 2e = Hg	0,85
Pt2+ + 2e = Pt	1,20
Au3+ + 3e = Au	1,50

 

 

Составители: Васильцова Ирина Васильевна

Бокова Татьяна Ивановна

 

Органическая и физколлоидная химия

 

Учебно-методическое пособие

 

Редактор Т.К. Коробкова

Компьютерная верстка Т. А. Измайлова

 

 

Подписано в печать _____2012 г.

Формат 60х84 1/16 Объем изд.л. Тираж 50 экз.

Изд. № __. Заказ № ____

Издательство НГАУ «Золотой колос»

630039, Новосибирск, ул. Добролюбова, 160, оф.106

тел.: (383) 267–09–10, [email protected]

 

⇐ Предыдущая234567891011

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: