методичка фкх

дисперсними системами з великим об`ємним вмістом дисперсної фази – газу. У деяких випадках піна здатна тверднути. Тоді утворюються нові дисперсні системи з твердим дисперсійним середовищем, названі твердими пінами, наприклад харчові піноутворювальні речовини: хліб, зефір, мус і т.д.

Основні умови одержання колоїдних розчинів такі:

речовина дисперсної фази практично не повинна розчинятися в дисперсійному середовищі;

концентрація золю бути невеликою;

в системі має бути присутнім третій компонент – стабілізатор.

Для приготування колоїдних розчинів треба враховувати, що вони є системами, які займають положення між грубодисперсними (суспензії та емульсії) і справжніми розчинами, де речовина перебуває у вигляді молекул або іонів. Тому колоїдні розчини можуть бути отримані подрібненням грубих частинок на дрібніші – метод диспергації, агрегації молекул у більші частинки – метод конденсації та методом пептизації.

Диспергування здійснюють у вібро-, кульових млинах тощо.

Будова колоїдної частинки

Колоїдні розчини або золі складаються з міцел (твердої дисперсної фази, навколо якої існує ПЕШ) та безперервного дисперсійного середовища, у якому містяться міцели, що рухаються під дією теплового руху. Крім того в дисперсійному середовищі розчинені електроліти, неелектроліти та ПАР, які є стабілізаторами колоїдної системи. Міцели мають складну будову, яка залежить від умов одержання золю. Вони не розчинні у дисперсійному середовищі і можуть мати як кристалеву, так і аморфну будову. Розглянемо схематичну будову колоїдної частинки на прикладі міцели йодиду срібла (рис. 9.1).

	У	центрі			заходиться
	агрегат, що складається з
	великого		числа		m молекул
	AgI,	які	утворюються				по
	реакції
	AgNO3 + KI = AgI↓ + KNO3.
	Якщо реагуючі компоненти
	взяти		в	еквівалентних
	кількостях,			то		колоїдний
	розчин не утвориться, тому
	що	виростуть				великі
	кристали AgI, які випадуть
	в осад. Для утворення
	тонкодисперсної					твердої
	фази	у	системі			повинен
Рис. 9.1. Схема будови міцели йодиду срібла	бути присутній стабілізатор
з негативно зарядженою колоїдною частинкою.	(надлишок			одного			із
	реагуючих компонентів),

61

що і утворить ПЕШ навколо твердої фази, який перешкоджатиме росту великих кристалів і злипанню частинок. Якщо стабілізатором буде йодид калію, то на твердій поверхні будуть адсорбуватися іони йоду.

Згідно правила Панета-Фаянса на поверхні кристалу адсорбується ті іони, що входять до структури кристалу. Отже на агрегаті буде адсорбуватись n іонів йоду (їх кількість залежить від наявності адсорбційних центрів, тобто іонів срібла, що знаходяться на поверхні кристалу). Іони йоду називаються потенціалвизначаючими (ПВІ), які і надають негативний заряд твердій поверхні. Тверда поверхня разом з адсорбованими іонами йоду називається ядром.

Оскільки у системі існують іони протилежного знаку (у нашому випадку іони калію), то вони і будуть нейтралізувати заряд твердої поверхні, тобто утворюють шар протиіонів. Згідно з теорією Штерна шар протиіонів поділяється на два шари: адсорбційний та дифузний. Адсорбційний шар складається з (n-x) іонів калію, він тонкий і міцно пов’язаний з твердою поверхнею за рахунок ван- дер-ваальсових сил ядра, а також сил електростатичного притягання. Ядро разом з адсорбційним шаром протиіонів (виділені фігурними дужками) називається колоїдною частинкою або гранулою. Решта х протиіонів слабше пов’язані з ядром (лише за рахунок сил електростатичного притягання) і розташовуються у рідкій фазі розмито за рахунок теплового руху. Тому цей шар називається дифузним, а утворена гранула разом з дифузним шаром отримала назву міцели. Міцелу можна записати у вигляді структурної формули:

{[mAgI]nI–(n–x)K+}x–xK+.

Міцела в цілому – електронейтральна. Величина чисел m, n і x залежить від умов одержання та очистки золю і може змінюватися у широких межах.

Прилади, лабораторний посуд, реактиви

Оптична лава, мікроскоп, електроди, хімічна склянка, пробірки, піпетки, неорганічні солі та органічні речовини.

Завдання на виконання роботи

1.Одержати колоїдні розчини за допомогою стандартних методик Бредига, Крекке, Грема. Всі одержані гідрозолі перевірити на наявність світлорозсіювання (ефект Тіндаля).

2.Приготувати емульсії різних типів.

3.Приготувати рідкі піни.

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Порядок виконання роботи № 9.1

Одержання гідрозолю срібла методом Бредига

Для одержання гідрозолю металевого срібла в пристрої Бредига через заглиблені у воду срібні електроди пропускають електричний струм.

Процес росту частинок срібла припиняється в області колоїдної дисперсності, якщо в систему ввести стабілізатор у вигляді 1 %-ного розчину желатину або розчину електроліту, наприклад лугу. Частинки утвореного золю заряджені негативно.

62

Порядок виконання роботи № 9.2

Одержання золю методом заміни розчинника

Сірка розчинна у спирті і не розчинна у воді; якщо спиртовий розчин сірки влити у воду, виникає гідрозоль сірки. Стабілізатором одержаного золю є оксиди сірки, присутні в ній, як домішки. Аналогічно розчиняючи водою 2 %-ний розчин парафіну або каніфолі, можна одержати відповідні гідрозолі.

Для приготування колоїдного розчину в пробірку з водою доливають з крапельниці спиртовий розчин сірки або каніфолі до виникнення опалесценції.

Порядок виконання роботи № 9.3

Одержання гідрозолю гідроксиду заліза гідролізом хлорного заліза за Крекке

В конічній пробірці нагрійте до кипіння 85 мл дистильованої води. Відміряйте піпеткою 15 мл 2% -ного розчину хлорид заліза і невеликими порціями вилийте в кип’ячу воду. Кип’ятіння продовжуйте ще 2-3 хв. Спостерігайте утворення червоно-коричневого золя гідроксиду заліза.

Утворення гідрозоля гідроксид окисид заліза відбувається в результаті гідролізу FeCl3. Метод гідролізу часто застосовують для отримання золів гідроксидів важких металів. Наприклад, хлорид заліза реагує з водою за рівнянням:

FeCl3 + 2H2O= Fe(OH)2Cl + 2HCl.

З підвищення температури ступінь гідролізу збільшиться і утворюються частинки малорозчинного компоненту Fe(OH)3:

Fe(OH)2Cl +Н2О= Fe(OH)3 + HCl.

При охолодженні реакція іде в зворотному напрямку. Тому отриманий гідрозоль необхідно ще теплим піддати діалізу. Зобразіть склад міцели гідрозоля гідроксиду заліза. Отриманий розчин піддайте діалізу.

Порядок виконання роботи № 9.4

Одержання золю гідроксида залізаза Гремом методом пептизації

Для одержання золю до 1 н розчину FeCl3 поступово додають (чекаючи переходу в золь утворюваного осаду) при перемішуванні по краплях 2 н розчин (NH4)2CO3 до одержання темно-червоного прозорого золю гідроксиду заліза:

2FeCl3 3(NH4 )2 CO3 3Н2О 2Fe(OH)3 6NH4Cl 3CO2 .

Порядок виконання роботи № 9.5

Ефект Тіндаля

Всі одержані золі слід перевірити на наявність світлорозсіювання. Для цього пробірку з колоїдним розчином встановлюють на оптичну лаву і збоку освітлюють пучком світла або направляють на розчин лазерний промінь. Якщо шлях променя видно – у дисперсній системі наявні колоїдні частинки, що розсіюють світло.

63

Якщо пучок світла пропускають через справжній розчин, світлорозсіювання майже відсутнє, шлях променя непомітний, і систему можна вважати гомогенною, оптично порожньою.

Порядок виконання роботи № 9.6

Одержання емульсії типу М/В

У пробірку наливають рівні об’єми води і бензолу, перемішують за допомогою скляної палички, яка вільно переміщується вздовж пробірки. Одержана емульсія швидко розшаровується. Потім у ту саму пробірку додають кілька краплин 2 %-ного розчину мила або желатину. Після перемішування утворюється стійка емульсія.

Для визначення типу емульсії в пробірку з нею вносять кілька краплин бензольного розчину барвника і перемішують.

Порядок виконання роботи № 9.7

Одержання емульсії типу В/М

У пробірку наливають 6 мл 1 %-ного розчину каучуку в бензолі, 2 мл води і перемішують. Додають дві краплі розчину барвника. Тип утвореної емульсії визначається під мікроскопом або методом розтікання краплини по парафіновій поверхні.

Порядок виконання роботи № 9.8

Одержання емульсій, стабілізованих порошками

У пробірку з бензолом або з керосином насипають золу і додають 2 мл води, перемішуючи вміст скляною паличкою. За методом зафарбовування визначають вид одержаної емульсії.

Для одержання емульсії типу м/в у пробірку з водою вносять порошок глини або крейди, потім додають масло і перемішують.

Порядок виконання роботи № 9.9

Емульсії соняшникової олії у воді

До 5 мл Н2О додають дві краплі масла і п’ять крапель 0,1 н розчину NaOH. Утворюється стійка емульсія масла у воді, стабілізована утвореним натрієвим милом.

Вид одержаної емульсії можна визначити одним з описаних способів.

Порядок виконання роботи № 9.10

Властивості пін

У воду додати кілька крапель 2 %-ного розчину мила або желатину. При струшуванні утворюється стійка піна, час життя якої зростає зі збільшенням концентрації піноутворювача. Для зруйнування піни, в циліндр вносять одну-дві краплі 2 %-ного розчину ізоамілового спирту або сірнистого ефіру.

64

Вплив концентрації та природи піноутворювача на стійкість піни можна спостерігати, якщо в циліндр місткістю 100 мл з притертою пробкою налити 50 мл дистильованої води і дві краплі ізоамілового спирту. Після стандартного струшування (5 – 10 разів) за допомогою секундоміра визначають час життя піни. Дослід повторюють, збільшуючи загальну кількість спирту до 30 краплин.

Дослід повторюють в аналогічній послідовності з розчинами желатину, сапоніну або мила.

Опрацювання результатів

На основі аналізу результатів дослідів та перевірки наявності світлорозсіювання слід зробити висновок про можливість отримання колоїдних розчинів та емульсій різними методами.

Питання для самоперевірки

1.Які є методи одержання колоїдних розчинів?

2.Які є методи одержання емульсій?

3.Що таке колоїдні розчини?

4.Сформулюйте основні умови одержання колоїдних розчинів.

5.Запишіть формулу колоїдної міцели AgJ з позитивно зарядженою частинкою та вкажіть її структурні одиниці.

6.Запишіть формулу колоїдної міцели AgJ з негативно зарядженою частинкою та вкажіть її структурні одиниці.

7.Сформулюйте правило Панета-Фаянса.

65

Лабораторна робота № 10 ЕЛЕКТРОФОРЕТИЧНЕ ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРОКІНЕТИЧНОГО

ПОТЕНЦІАЛУ Мета роботи – навчитися визначати ζ–потенциал за методом

електрофорезу.

Теоретичні відомості

На властивості колоїдних розчинів суттєво впливають потенціали, які класифікуються на міжфазний φ-потенціал та електрокінетичний ζ– потенціал.Міжфазний φ-потенціал змінюеться в межах ві поверхні ядра міцели до границі міцели з дисперсійним середовищем, еклектрокінетичний ζ– потенціалу змінюється від границі ковзання дифузного шару ПЕШ та до границі міцели і дисперсійного середовища. Величина електрокінетичного потенціалу ПЕШ змінюється з концентрацією золю. За високих концентрацій золю спостерігається зменшення ζ–потенціалу внаслідок стиснення дифузного шару ПЕШ за рахунок збільшення концентрації протиіонів у розчині, але φ–потенціал при цьому залишається сталим. При незначних розведеннях колоїдних розчинів спостерігається збільшення товщини дифузного шару внаслідок зменшення концентрації протиіонів у системі, що призводить до автоматичного зростання ζ–потенціалу при незмінному φ–потенціалі. Температура також впливає на потенціали ПЕШ. Незначні підвищення температури призводять до зростання електрокінетичного потенціалу системи. Це можна пояснити тим, що з підвищенням температури збільшується кінетична енергія протиіонів. Долаючи електростатичні та ван-дер-ваальсові сили притягання, частина протиіонів адсорбційного шару переходить у дифузний шар, що збільшує його товщину. Отже, автоматично збільшується і ζ–потенціал при незмінному φ–потенціалі. За подальшого підвищення температури починається десорбція потенціалвизначаючих іонів з твердої поверхні, що знижує φ–потенціал і, як наслідок, зменшеує ζ–потенціал. Стійкість золю знижується.

Електрокінетичний потенціал залежить також і від природи дисперсійного середовища. Він буде тим вищим, чим більша полярність дисперсійного середовища, яке характеризується діелектричною проникністю та дипольним моментом молекул. Отже, чим вища полярність дисперсійного середовища, тим стійкішим буде золь.

Величина, а інколи і знаки φ–потенціалу можуть змінюватися під впливом зовнішньої дії (введення в систему електролітів, зміна рН, концентрації золю, температури). Особливо чутливий до цих факторів ζ–потенціал.

Електрокінетичний потенціал визначається за допомогою електрофорезу або електроосмосу.

66

Електрофорез – спрямований рух заряджених дисперсних частинок відносно рідкого дисперсійного середовища у постійному електричному полі.

Рис. 10.1. Прилад Бертoна для проведення електрофорезу.

Електрофорез проводять за допомогою приладу Бертона, який зображено на рис. 10.1. Основним елементом приладу є U- подібна трубка, обидва коліна якої проградуйовані у мм. U-подібну трубку заповнюють боковою рідиною до рівня А–А. Потім через лійку з краном вводять золь, що досліджується, до тих пір, поки бокова рідина не досягне рівня В–В. В обидва коліна U-подібної трубки вставляють електроди, на які подають постійний електричний струм, і засікають час.

При електрофорезі відбувається спрямоване переміщення часинок дисперсної фази у постійному електричному полі до електроду, що має протилежний знак до заряду колоїдної частинки. Рухливість частинок у постійному електричному полі зумовлена тим, що проходить розрив ПЕШ міцели по межі ковзання і частинка отримує заряд, що відповідає величині ζ– потенціалу.

Величину ζ–потенціалу визначають за рівнянням Гельмгольця– Смолуховськьго:

	k еф 3002		k sl300	2	,	(10.1)
			E

де k – коефіцієнт, який залежить від форми частинок (для кульових k = 6, для циліндричних k = 4, а для пластинчатих k = 2); η- динамічна в’язкість середовища; υеф – швидкість електрофоретичного перенесення; s – відстань, на яку переміститься рухома межа за час проведення досліду τ ; l – відстань між електродами; Е – різниця потенціалів, що подана на електроди; ε– діелектрична проникність.

Вважають, що частинки дисперсної фази у золі гідроксиду заліза мають циліндричну форму, тоді k = 4.

Швидкість електрофоретичного перенесення визначають за рівнянням

	v	s	,	(10.2)
		Hτ
	де s – шлях, пройдений межею поділу золь гідроксида заліза –			бокова

рідина, м; Н – градієнт потенціалу в приладі Бертона (див. рисунок), В/м; – час проведення експеримента, с.

67

Градієнт потенціалу дорівнює

H	E	,	(10.3)
	l

де Е – різниця потенціалів, подана на електроди, В; l – відстань між електродами, см.

Знак заряду колоїдної частинки визначається за напрямком зміщення межі поділу золь гідроксиду заліза – бокова рідина. Якщо межа поділу зміщується до негативного електрода, то колоїдна частинка має позитивний заряд і навпаки.

Величину ζ–потенціалу виражають у В або мВ. Значення його для колоїдних розчинів лежить в межах від 1,5 до 75 мВ.

Завдання на виконання роботи

1.Визначити швидкість переміщення межі поділу золь гідроксиду заліза

– бокова рідина.

2.Розрахувати електрокінетичний потенціал ( -потенціал).

3.Визначити заряд колоїдної частинки міцели золю гідроксиду заліза.

Установки, прилади, лабораторний посуд та реактиви

Прилад Бертона, джерело постійного струму, вольтметр, секундомір, U- подібна лінійка, діалізований золь гідроксиду заліза, бокова рідина.

Порядок виконання роботи

1.Заповнити прилад Бертона (див. рисунок 10.1):

a)в U-подібну трубку (4) залити бокову рідину приблизно на половину об’єму приладу;

b)відкривши кран (3), прилад нахилити таким чином, щоб бокова рідина повністю заповнила вузьку трубку (1), і закрити кран;

c)прилад Бертона закріпити у штативі, фільтрувальним папером забрати залишки бокової рідини, що залишилася у вузькій трубці до крана, залити у лійку (2) діалізований золь гідроксиду заліза, ледь відкрити кран (3), щоб приладу заповнювався повільно і зберігалася межа поділу золь гідроксиду заліза – бокова рідина. Коли межа поділу золь гідроксиду заліза – бокова рідина досягне положення А–А, закрити кран.

2.Вставити електроди в U-подібну трубку і U-подібною лінійкою виміряти відстань між електродами.

3.Електроди приєднати до джерела постійного струму і зафіксувати час початку досліду (включити секундомір).

4.Вольтметром виміряти різницю потенціалів, подану на електроди.

5.Коли межа поділу золь гідроксиду залізат – бокова рідина переміститься на 0,01 – 0,015м, дослід припиняють, зафіксувавши час його проведення (виключити секундомір).

6.Розрахувати -потенціал за рівнянням Гельмгольця – Смолуховського.

7.За напрямком зміщення межі поділу золь гідроксиду заліза – бокова рідина визначити заряд колоїдної частинки міцели золю гідроксиду заліза.

68

Опрацювання результатів та визначенняпохибкивимірювань

Електрокінетичний, або ζ-потенціал розраховують за рівнянням (10.1), використовуючи рівняння (10.2) і (10.3) для визначення електрофоретичної рухливості.

У загальну похибку проведення експерименту входить:

Δςς ll ss Δττ EE .

Відстань між електродами вимірюється з точністю до 0,5 10-3м. Припустимо, що відстань між електродами дорівнює 0,2м. Тоді

	l	100 %	0,5 10 3	100 % 0,25 % .
	l		0,2

Шлях, пройдений межею поділу золь гідроксиду заліза – бокова рідина (приймемо таким, що дорівнює 0,015 м) виміряний з точністю 0,5 10-3 м. Похибка

s 100 % 0,5 10 3 100 % 3,6 % . s 0,015

Час проведення експерименту вимірюється за допомогою секундоміра з точністю до 1 с і дорівнює 360 с. Тоді

Δττ 100 % 3601 100 % 0,28 % .

Похибка вимірювання напруги за допомогою вольтметра становить 2 % (за класом точності вольтметра).

Отже, загальна похибка у визначенні -потенціалу дорівнюватиме 6,13 %.

Питання для самоперевірки

1.Які можливі причини виникнення подвійного електричного шару ПЕШ на міжфазних поверхнях? Наведіть приклади.

2.Дайте характеристику будови ПЕШ на прикладі міцели золю гідроксиду заліза. Як змінюється потенціал зі зміною відстані від поверхні?

3.Які електрокінетичні явища Ви знаєте? Чим вони зумовлені?

4.Що називається поверхневим та електрокінетичним, ( -потенціалом) потенціалами? Яка між ними відмінність?

5.Які фактори впливають на -потенціал?

6.Які методи визначення електрокінетичного потенціалу Ви знаєте?

7.Напишіть рівняння Гельмгольця – Смолуховського для визначення - потенціалу. Проаналізуйте його.

8.Які властивості повинна мати бокова рідина?

9.За величиною якого потенціалу судять про стійкість колоїдного

розчину?

10.Як визначається заряд колоїдної частинки міцели?

69

Лабораторна робота № 11 ВИЗНАЧЕННЯ КОАГУЛЮЮЧОЇ ДІЇ ЗОЛЮ ГІДРОКСИДУ ЗАЛІЗА

ТА ПЕРЕВІРКА ПРАВИЛА ШУЛЬЦЕ-ГАРДІ Мета роботи – навчитися визначати коагулюючу дію золю гідроксиду

заліза та перевіряти правило Шульце-Гарді та Ландау.

Теоретичні відомості

Під стійкістю дисперсних систем розуміють сталість у часі її стану та основних властивостей: дисперсності, рівномірного розподілення частинок дисперсної фази по всьому об’ємі дисперсійного середовища, збереження характеру взаємодії між частинками тощо. Особливо важливою є стійкість ліофобних колоїдів, оскільки вони термодинамічно нестабільні і здатні до коагуляції.

Седиментаційна стійкість – це здатність системи зберігати рівномірне розподілення частинок в об’ємі дисперсійного середовища. Основними умовами цієї стійкості є висока дисперсність та участь частинок дисперсної фази в броунівському русі.

Агрегативна стійкість – це здатність системи зберігати свою ступінь дисперсності, тобто не змінювати розміри частинок під впливом зовнішніх факторів. За цими ознаками системи поділяються на два класи:

1)термодинамічно стійкі (ліофільні) системи, які самочинно диспергуються та існують без додаткової стабілізації. Сюди відносяться міцелярні розчини ПАР та розчини ВМС. При утворенні таких систем вільна енергія Гіббса зменшується, тобто ∆G < 0;

2)термодинамічно нестійкі (ліофобні) системи. Сюди відносяться золі, суспензії та емульсії, тобто системи, у яких слабка взаємодія між частинками дисперсної фази та дисперсійним середовищем. При утворенні таких систем виникає велика поверхня розділу фаз. Вони мають значний надлишок вільної поверхневої енергії, тобто ∆G > 0. Такі системи термодинамічно нестійкі. В них відбуваються самочинно процеси, що призводять до зменшення поверхневої енергії за рахунок збільшення розмірів колоїдних частинок внаслідок їх злипання та подальшої коагуляції.

Коагуляцією називається процес злипання частинок дисперсної фази під дією міжмолекулярних сил притягування. Коагуляцію золю може викликати будь-який фактор, що порушує агрегативну стійкість системи, але найважливішим фактором є дія електролітів. Відповідно з теорією ДЛФО введений електроліт у дисперсну систему спричиняє стиснення ПЕШ, а отже і зменшення ζ–потенціалу, який відповідає за її стійкість. Коагуляція золів може відбутися і внаслідок дії фізичних факторів.

Відповідно до теорії ДЛФО, введення електроліту в дисперсну систему спричиняє стиснення ПЕШ на поверхні частинок, внаслідок чого вони можуть зблизитися до відстані, на якій переважають сили притягування. Зменшення товщини ПЕШ супроводжується обміном протиіонів дифузного шару на іони електроліту, які спричиняють коагуляцію. Стиснення ПЕШ відбувається як за рахунок зменшення електричного потенціалу внаслідок специфічної адсорбції

70