5.2. Контрольная работа

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ. РАСТВОРЫ ГИДРОЗОЛЕЙ.

1.Классификация дисперсных систем.

Дисперсная система (ДС) - это система, состоящая из большого числа очень малых частиц раздробленного вещества или тончайших пор и окружающей их среды. Раздробленное вещество или поры обра­зуют дисперсную фазу, сплошная часть системы - дисперсионную среду.

Отдельные частицы дисперсной фазы имеют размер порядка 10^-7-10^-9м (высокодисперсные системы или коллоидные растворы) или 10^-5- 10^-6м (грубодисперсные системы: суспензии, эмульсии, пены).

1.1. Грубодисперсные системы. Если дисперсная фаза состоит из твердых частиц, то система называется взвесью или суспензией (взмученная глина в воде). Если дисперсная фаза представлена капельками жидкости, то ее называют эмульсией (капли масла в воде, молоко).

Дисперсные системы, образованные скоплением пузырей газа (па­ра), разделенных тонкими прослойками жидкости, называют пенами. Размер пузырей - от долей до нескольких десятков мм. Устойчивость пен обусловлена присутствием в жидкой фазе пенообразователей(мыл, мылоподобных ПАВ, растворимых полимеров и др.).

Все грубодисперсные системы мало устойчивы и склонны к разрушению во времени (седиментация - в случае суспензий , коалесценция- в случае пен).

1.2.Коллоидные системы. Частицы коллоидных систем значительно больше молекул (ионов), из которых состоит дисперсионная сре­да, что приводит к появлению поверхности раздела между частицами и средой, Размеры частиц диспергированной фазы истинных раство­ров (молекулярные) 10^-9 м, коллоидных частиц (мицеллы) 10^-7-10^-9м, суспензии 10^-5 - 10^-7 м. Поэтому суспензии можно наблюдать с помощью микроскопа, а коллоидные частицы - нет.

Коллоидные системы не могут рассматриваться как единое целое.

Имеются две группы, резко отличающиеся по взаимодейст­виям между частицами дисперсной фазы и дисперсной среды: лиофобные коллоиды и растворы высокомолекулярных соединений – (ВМС) или лиофильные коллоиды. Если дисперсионная среда- вода , то различают гидрофобные и гидрофильные коллоиды.

К лиофильным коллоидам относятся системы, в которых частицы дисперсной фазы не взаимодействуют или слабо взаимодействуют с дисперсной средой. Эти растворы получают с затратой энергии, и они устойчивы лишь в присутствии стабилизаторов.

К растворам ВМС относятся системы, образующиеся самопроизвольно, благодаря сильному взаимодействию дисперсной фазы с дис­персной средой.

Лиофобные коллоиды и растворы ВМС отличаются также и по структуре частиц, составляющих дисперсную фазу. Для лиофобных ча­стиц характерной единицей структуры является мицелла, представ­ляющая собой сложный многокомпонентный агрегат с переменным чис­лом адсорбированных ионов или молекул. Растворы ВМС представля­ют собой истинные растворы и очень устойчивы.

2. Получение дисперсных систем.

Чаще всего встречаются гидрофобные коллоиды, поэтому рассмотрим методы по­лучения этих систем.

2.1. Методы конденсации

1.2.1. Химическая конденсация. Если при химической реакции образуется трудно растворимое соединение, то оно при определен­ных условиях может быть получено в виде коллоидного раствора. Для этого нужно, во-первых вести реакцию в разбавленном раство­ре (чтобы скорость роста кристаллических частиц была невелика), тогда частицы получаются мелкие (10^-7-10^-9м ), во-вторых, необходимо одно из реагирующих веществ взять в избытке» чтобы на поверхности кристалла мог образоваться двойной электрический слой - основной фактор агрегативной устойчивости.

Кристалл вместе с двойным электрическим слоем (ДЭС) называ­ется мицеллой.

а) Образование коллоидного раствора АаС1 при избыткеKCl.

AgNO₃ + КС1 AgCl + KNO₃

при соблюдении стехиометрии 1:1, образовавшиеся молекулы АgСl окажутся в осадке, т.к. электростатические силы (ДЭС), удерживающие частицы в объеме, отсутствуют. При наличии избытка КС1 на пористой поверхности твердых частиц АgС1 адсорбируются анионы Cl^-, придавая частице отрицательный заряд (селективность к адсорбции анионов хлора намного выше, чем катионов калия и анионов NO₃^-, так как для кристаллической решетки AgCl ионы С1^- роднее, чем иные ионы.

nАgСl + mСl^- [n( АgСl) mСl^-]^m-

Отрицательная частица притягивает к себе по­ложительные катионы К⁺, образуя коллоидную частицу:

[ n( АgСl) mСl ^-]^m- + (m-x)K⁺ [ n ( АgСl)mСl^- (m-x)K⁺] ^x-

К отрицательной частице со знаком -X притягиваются катионы К⁺ и образуют внешнюю сферу мицеллы. Поэтому коллоидная частица заряжена, а мицелла электроотрицательна.

[ n( АgСl)mСl^- (m-x)K⁺] ^x- + хК⁺ {[n( АgСl)mСl^- (m-x) K⁺] ^x-хК⁺}

^{кристалл внутрен. ионы полт- ионы диффуз-}

^{обкладка тного слоя ного слоя}

коллоидная частица или гранула

МИЦЕЛЛА

В случае избытка АgNO₃ получается мицелла другого строения:

{[n(AgСl)mAg⁺ (m-x)NO₃^-] ^x+х NO₃^-] }

1.2.2. Физическая конденсация. Этот способ может быть осу­ществлен пропусканием паров одного вещества (дисперсная фаза) в другое (дисперсная среда) или заменой растворителя: раствор какого-либо вещества постепенно прибавлять при пе­ремешивании к жидкости, в которой это вещество нерастворимо. При этом происходит конденсация молекул и образование коллоидных ча­стиц (образование гидрозолей серы, фосфора, канифоли, антрацена и др. при вливании воды в спиртовые растворы этих веществ).

1.2.3. Дисперсионные методы.

- Механическое дробление. При механическом дроблении (мельницы, ультразвук, вольтова дуга) образующиеся частицы име­ет тенденцию к слипанию (коагуляции), поэтому дробление ведут в дисперсионной среде в присутствии стабилизаторов (ионы иди ПАВ. Типичным примером является введение различных пластификаторов при приготовлении бетона, приводящее к увеличению срока схва­тывания бетона и увеличения его текучести.

- Физико-химическое дробление (пептизация). В отличие от других методов образования коллоидных растворов, при пептизации не происходит изменения степени дисперсности частиц. Пептизаторы, а точнее их ионы, хорошо адсорбируются на поверхности коллоидных частиц и обуславливают их переход в золь. Типичным примером пептизации является диспергирование студенистого осад­ка Fе(ОН)₃ при действии на него раствора FеС1₃.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1. Пороги коагуляции золя электролитами оказались pавными (моль/л): C(NaNO₃) =0.25; C[ Fe (NO₃)₃]=0.0005; C[Mg(NO₃)₂]= 0.02. Какие ионы электролитов являются коагулирующими? Как заряжены час­тицы золя

Решение: Все применяемые в качестве коагулянтов электролиты содержат нитрат анион. Если коагулирующей способностью обладали бы анионы коагулянта, то пороги коагуляции для всех электролитов должны были быть одинаковыми. Однако, в ряду Na⁺, Mg²⁺, Fe³⁺ значения порогов коагуляции резко уменьшаются. То есть, с ростом заряда катиона коагулянта порог коагуляции падает. Как известно, коагулирующей активностью обладают ионы, противоположно заряженные по отношению к коллоидной частице. Поэтому можно заключить, что коллоидная частица изучаемого золя имеет отрицательный заряд.

Пример 2. Золь кремниевой кислоты Н₂SiO₃ был получен при взаимодействии растворов К₂SiO₃ и HCI. Напишите формулу мицеллы золя и определите, какой из электролитов был в избытке, если противоионы в электрическом поле движутся к катоду?

Решение: Если противоионы коллоида движутся к катоду, то они имеют положительный заряд, а коллоидная частица – отрицательный. Следовательно, потенциал образующими ионами в процессе мицеллообразования оказались отрицательно заряженные анионы SiO₃^2-.

Из сказанного следует, что в избытке была взята кремневая кислота, а мицелла имеет формулу, приведенную ниже:

[n(H₂SiO₃)m(SiO₃^2-)2(m-x)K⁺]^2x-2xK⁺ .

Пример 3. Какой объем 0,0025 м КI надо добавить к 0,035 л 0,003 н Рb(NO₃)₂, чтобы получить золь иодида свинца и при электрофорезе коллоидная частица двигались бы к аноду. Напишите формулу мицеллы золя.

Решение: Процесс укрупнения коллоидных частиц в результате их слипания под действием межмолекулярных сил притяжения называется коагуляцией. Процессу коагуляции способствуют: повышение температуры, замораживание, пропускание электрического тока, старение золя длительное стояние, добавление электролитов. Под действием электролита наиболее легко коагулируют золи, у которых основным фактором устойчивости является двойной электрический слой - ДЗС. Коагуляция сопровождается помутнением золя, образованием хлопьев иди образуется гель (густые, студенистые тела, структурированные коллоидные системы).

Минимальную концентрацию электролита, при которой начинается быстрая (заметная) коагуляция, называют порогом коагуляции С_К. Коагуляцию вызывают те ионы прибавляемого электролита, у которых знак заряда противоположен заряду коллоидных частиц. По­рог коагуляции резко снижается с увеличением заряда иона-коагулятора, то есть, чем больше заряд иона, тем больше его коа­гулирующая способность.

С_К = С_ОV_K10³/ (V_З + V_K)10³ = С_ОV_K/ (V_З + V_K)

где С_К - порог коагуляции, моль/л; С_О - молярная концентрация эквивалента исходного раствора электролита (коагулятора), моль/л V_З- и V_K - объемы золя и электролита (мл), вызвавшего коагуляцию золь.

Перемещение коллоидных частиц под действием постоянного электрического поля к противоположно заряженному электроду, называется электрофорез. С помощью электрофореза можно вызвать коагуляцию коллоида, так как на электродах эти частицы разряжаясь, теряют свой заряд, защитный ДЭС, объединяясь укрупняются и образуя нерастворимые в воде хлопья коагулируют. Электрофоретические измерения позволяют установить заряд коллоидных частиц. Если при электрофорезе образования хлопьев наблюдается на аноде (положительно заряженный электрод электролизера), то частица имела отрицательный заряд и наоборот.

Из условий задачи видно, что коллоидная частица заряжена отрицательно, так как она в поле постоянного тока, в условиях электрофореза, двигалась к аноду. Следовательно, при образовании золя по реакции:

КI + Рb(NO₃)₂ КNO₃ + РbI

в избытке оказался иодид калия а мицелла имеет формулу:

[n(PbI₂) mI^- (m-x)K⁺]^x- xK^-

Пользуясь законом эквивалентов можно подсчитать объемы реагирующих растворов для полной нейтрализации: V₁C₁(1/z) = V₂C₂(1/z); V(KI) = V[Рb(NO₃)₂] C[1/z Рb(NO₃)₂]/ C(1/z KI) = 0,0350,003/0.0025=0,042л