Лабораторная работа № 5 коллоидные растворы

Цель работы: составление реакций мицеллообразования, рассмотрения влияния неорганических ионов на процесс коагуляции.

1. Теоретическая часть

Дисперсная система - состоит из дисперсной среды и дисперсной фазы, является гетерогенной системой, т.е. между дисперсной средой и дисперсной фазой есть граница раздела, которой является площадь поверхности частицы растворенного вещества.

Дисперсная среда – вещество, взятое в избытке, и представляющее непрерывную фазу.

Дисперсная фаза – вещество, взятое в недостатке, и образующая структуры, часто называемые мицеллами.

Классификация дисперсных систем по размерам частиц дисперсной фазы:

- высокодисперсные (мелкодисперсные) системы с размером частиц дисперсной фазы 10^­–7 ­– 10^­–9 м, к ним относятся коллоидные системы, золи, аэрозоли, лиозоли.

- грубодисперсные системы с размером частиц дисперсной фазы 10^­–5 ­– 10^­–7 м, к ним относятся суспензии, эмульсии, пасты, порошки.

По характеру взаимодействия частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды дисперсные системы делятся на:

- лиофильные (гидрофильные) – характеризуются сильным взаимодействием молекул дисперсионной среды и частиц дисперсной фазы.

- лиофобные (гидрофобные) – характеризуются слабым взаимодействием молекул дисперсионной среды и частиц дисперсной фазы.

Получение дисперсных растворов.

Методы получения дисперсных систем можно разделить на физические и химические:

1. Механическое диспергирование (дробление)– измельчение твердых тел в данной среде в присутствии стабилизаторов в шаровых или коллоидных мельницах. А также с помощью вибрационных измельчителей или ультразвука, вольтовой дуги и т.д.

2. Пептизация — процесс перехода коллоидного осадка в раствор под действием жидкости или добавленных к нему веществ, хорошо адсорбирующихся осадком (стабилизаторы).

3. Физическая конденсация – конденсация молекул одного вещества (будущей дисперсной фазы) в другой (будущей дисперсной среде). Одним из примеров физической конденсации может быть метод заменены растворителя: молекулярный раствор какого-либо вещества постепенно, при перемешивании прибавляют к жидкости, в которой это вещество нерастворимо. При этом происходит конденсация молекул и образование коллоидных частиц.

4. Химическая конденсация – получение коллоидных систем с помощью химических реакций. Коллоидные растворы могут быть получены с помощью реакций различных типов: ионного обмена, окислительно - восстановительных, гидролиза и т.д. Наиболее распространены методы, при которых образуется малорастворимое вещество в среде, которая в дальнейшем называется дисперсионной.

При получении коллоидных растворов необходимо вести реакцию в разбавленном растворе, чтобы скорость роста кристаллических частиц была невелика, тогда частицы получаются мелкие (10^-7-10^-9м) и системе будет обеспечена седиментационная устойчивость. Кроме того, одно из реагирующих веществ должно быть взято в избытке. Это обеспечит образование на поверхности двойного электрического слоя основного фактора агрегативной устойчивости.

Строение коллоидных частиц

Рассмотрим образование мицеллы на примере следующей реакции:

AgNO_{3(избыток)} + KI = AgI↓ + KNO₃

Ядро мицеллы образует соединение, выпадающее в осадок.

Адсорбционный слой (слой противоионов) образуют ионы входящие в состав ядра и взятые в избытке.

Слой противоионов образуют ионы с противоположным зарядом адсорбционному слою и взятые в избытке.

Диффузионный слой образуют те же ионы, что и слой противоионов.

Заря коллоидной частицы определяет потенциалопределяющий слой.

Мицелла электронейтральна.

[{ (mAgI) · nAg ^+ · (n-x) NO3¯}^+x · xNO3¯]^0
ядро	адсорбционный слой или потенциалопределяющий	слой противоионов	диффузионный слой
кокко
коллоидная частица
кокко
мицелла

Пример образования мицеллы сульфата бария:

BaCl_{2(избыток)} + K₂SO₄ = Ba SO₄↓+ 2KCl

[{ (m Ba SO₄) · nBa²⁺· 2(n-x) Cl¯}^+2x · 2xCl¯]⁰

Разрушение дисперсных систем

Седиментация – осаждение или всплытие частиц дисперсной фазы.

Коагуляция - физико-химический процесс слипания частиц дисперсной фазы в более крупные структуры (для эмульсий часто используют термин коалесценция).

Кинетическая (седиментационная) устойчивость – устойчивость частиц дисперсной фазы к процессу оседания или всплытия.

Агрегативная устойчивость – способность частиц дисперсной фазы не вступать в процесс коагуляции. Потеря агрегативной устойчивости приводит к началу процесса коагуляции.

Характерным признаком начала коагуляции является выпадение осадка дисперсной фазы или резкое увеличение светорассеяния (характерно для высокодисперсных систем).

Факторы, вызывающие коагуляцию золей, можно разделить на физические и химические. К физическим методам относятся перемешивание, механическая вибрация, воздействие ультразвука, электрического или магнитного поля, изменение температуры, различные виды излучения. Основным химическим методом воздействия является прибавление электролитов. Для реальных дисперсных систем характерно влияние на их стабильность нескольких факторов одновременно.

Введение в систему электролитов вызывает электролитическую коагуляцию коллоидных систем вследствие:

- нейтрализации поверхностного потенциала частиц (коагулянтами являются ионы с противоположным знаком, и чем больше заряд иона, тем выше его коагулирующая способность).

- сжатия диффузной части двойного электрического слоя.

Правило Гарди (правило знака заряда) (1909 г.): коагулирующей способностью обладают ионы с противоположным знаком заряда по отношению к заряду дисперсной частицы.

Порог коагуляции - минимальное количество электролита вызывающего начало коагуляции.

Пример: порог коагуляции для некоторых электролитов, вызывающих коагуляцию отрицательно заряженного золя As₂S₃ представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Концентрация электролита, соответствующая порогу коагуляции золя сульфида мышьяка

электролит	LiCl	NaCl	MgCl2	BaCl2	AlCl3
Концентрация, ммоль/л	58	51	0,71	0,69	0,09

Правило Шульце (1882 г.) – порог коагуляции резко уменьшается при увеличении степени окисления коагулирующих ионов (таблица 1), порог коагуляции двухвалентных катионов (Mg²⁺ , Ca²⁺) в несколько десятков раз ниже, чем для одновалентных; для трехвалентных катионов порог коагуляции ниже в сотни раз по отношению к одновалентным ионам. То же правило относится и к анионам, вызывающим коагуляцию.

Правило размеров коагулирующих ионов – при одинаковой валентности коагулирующая способность увеличивается с увеличением их атомного радиуса.

Для разрушения дисперсных систем используются методы:

- прибавление к дисперсному раствору коагулирующих ионов (кроме неорганических ионов могут быть использованы ПАВ (деэмульгаторы)),

- нагревание, перемешивание, центрифугирование и другие механические методы.

К методами стабилизации дисперсных систем относятся:

- уменьшение размера частиц дисперсной фазы,

- использование ПАВ (стабилизаторы, эмульгаторы)

Классификация дисперсных систем.

По фазовому состоянию дисперсной среды и дисперсной фазы дисперсные систем ы разделяют на несколько типов (таблица 2)

Золи (лиозоли) и гели относятся к дисперсным системам в которых вещество в твердой фазе является дисперсной фазой.

При этом к гелям (от лат. gelo — «застываю») относятся системы в которых твердая фаза образует трехмерный каркас, внутри которого остается жидкая фаза. Они характеризуются отсутствием текучести, способностью сохранять форму, пластичностью и упругостью.

Золи (от лат.solutio — раствор), в них твердая фаза не связана в пространственную структуру, а частицы свободно участвуют в броуновском движении.

Эмульсии (от лат.emulgeo — дою, выдаиваю) образуются из несмешивающихся друг с другом жидкостей, как правило при наличии третьего вещества – эмульгатора (стабилизатора). Эмульсии делятся на два типа: М/В и В/М (М-масло, В- вода), по аналогии нефтяные эмульсии делятся на: Н/В (прямая эмульсия) и В/Н (обратная эмульсия) (Н-нефть). Переход одного типа эмульсии в другой называют «обращение фаз».

Таблица 2

Классификация дисперсных систем

Дисперсная среда	Дисперсная фаза	Тип	Название	Пример
газ	газ		истинный раствор	воздух, природный газ
газ	жидкость	Ж/Г*	аэрозоли	туман, аэрозольные баллончики
газ	твердая фаза	Тв/Г	твердые аэрозоли	пыль, дым
жидкость	газ	Г/Ж	пены	газированные напитки
жидкость	жидкость	Ж/Ж	эмульсии	молоко, масло, краски, нефтяные эмульсии
жидкость	твердая фаза	Тв/Ж	суспензии, коллоидные растворы, золи, гели.	раствор извести, глины, буровые растворы; желе
твердая фаза	газ	Г/Тв	вспененные материалы	губка, пенопласт, хлеб
твердая фаза	жидкость	Ж/Тв	пасты	зубная паста
твердая фаза	твердая фаза	Тв/Тв		некоторые сплавы, горные породы

* В числителе принято записывать дисперсную среду, в знаменателе дисперсную фазу.

Свойства дисперсных систем.

Эффект Тиндаля - это оптический эффект, рассеивание света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса, видимого на тёмном фоне. Характерен для растворов коллоидных систем, не наблюдается для грубодисперсных систем и истинных растворов.

Электрофорез — это перемещение частиц дисперсной фазы в жидкой или газообразной среде под действием внешнего электрического поляк катоду или аноду в зависимости от заряда коллоидной частицы.

Диализ — очистка коллоидных растворовот растворённых в них низкомолекулярных соединений при помощиполупроницаемой мембраны. При диализе молекулы растворенного низкомолекулярного вещества проходят через мембрану, а неспособные диализировать (проходить через мембрану) коллоидные частицы остаются за ней.

Броуновское движение — беспорядочное движение частиц дисперсной фазы, взвешенных в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа. Броуновское движение не характерно для грубодисперсных систем.