ФизХим_лаборат

В соответствии с правилом Пескова - Фаянса, на поверхности ядра адсорбируются преимущественно ионы, входящие в состав ядра, либо специфически взаимодействующие с ним.

Поверхность скольжения

K

+

K+

мицелла

+

K+

–

+

{ m[AgI]

nI

–

+

x–

+

–

I–

K

(n-x)K }

xK

K

– I

– I

I

I–

K

+

адсорбцион-

I

+

агрегат

ПОИ

m[AgI]

– K

ный слой

I

–

I

диффуз-

противоионов

+ K

+

I

–

–

ядро

I

K

–

–

–

ный слой

I

I

I

K+

гранула

K

+

K

+

K+

агрегат

ядро

гранула

мицелла

Рисунок 14. Строение мицеллы золя иодида серебра

Ионы, сообщающие ядру поверхностный заряд, называются

потенциалопределяющими (ПОИ). В данном примере ядро m[AgI]·nI–

имеет отрицательный поверхностный заряд. Заряд ядра компенсируется эквивалентным зарядом противоположно заряженных ионов – противоионов, расположенных в объеме среды. Противоионы, находящиеся непосредственно у поверхности ядра, носят название противоионы адсорбированного слоя (их число n-x), остальные противоионы достраивают оболочку и называются противоионами диффузного слоя (их число х). В целом мицелла электронейтральна. Исходя из вышесказанного, формулу мицел-

лы золя иодида серебра можно записать следующим образом:

{m[AgI]·nI–· (n-x)K+}x–·xK+

Эта формула мицеллы является качественной и позволяет судить о структуре поверхностных ионных слоев, но не пригодна для количественной характеристики состава коллоидных частиц.

Практическое применение гидрофобных золей требует очистки их от загрязнителей, появляющихся при получении. В

61

основе известных методов очистки: диализа, электродиализа, ультрафильтрации, ультрацентрифугирования – заложен размер коллоидных частиц.

Диализ – это процесс освобождения коллоидных растворов от примесей, способных проникать через полупроницаемые мембраны (стенки клеток, целлофан, пергамент и др.). Электродиализ

– ускорение процесса диализа электрическим полем (очистка от ионов). Ультрафильтрация – фильтрование под давлением через полупроницаемые мембраны, фильтры с малыми размерами пор. Ультрацентрифугирование – отброс коллоидных частиц в гравитационном поле ротора центрифуги при g, равном 103–108 об/мин.

Ход работы

Отчет по всем опытам оформить в виде таблицы 17:

Таблица 17 – Получение и изучение свойств коллоидных растворов

	Методика опыта	Наблюде-	Вывод (свойство коллоидного
		ния	раствора)

Опыт 1. Конденсационный метод получения золя гидроксида железа в реакции гидролиза

1.

2.

…

Опыт 1. Конденсационный метод получения золя гидроксида железа в реакции гидролиза

Реакция получения гидроксида железа идет по уравнению

FeCl3 + 3Н2О → Fe(ОН)3 + 3НСl

и осуществляется при температуре кипения воды. Подбором концентрации FeCl3 получают размеры ядер из m молекул Fe(OH)3. Поверхностные молекулы ядра гидроксида железа (III) вступают в химическое взаимодействие с соляной кислотой:

Fe(ОН)3 + НСl → FeOCl + 2Н2О

Образующиеся молекулы хлорокиси железа диссоциируют с образованием ионов FeO+ и Сl–. На поверхности ядра коллоидной частицы могут адсорбироваться только ионы, близкие по хими-

62

ческой природе к веществу ядра. Это один из механизмов формирования потенциалопределяющего слоя мицеллы. В данном случае потенциалопределяющими ионами являются ионы FeO+, а противоионами – Сl–. По этим представлениям изобразить схему строения и формулу мицеллы золя гидроксида железа.

1.Налить в термостойкую коническую колбу 50 мл воды, нагреть до кипения. В кипящую воду по каплям прилить 5 мл 2%

раствора хлорида железа III (FeCl3). Получается краснокоричневого цвета коллоидный раствор гидрата окиси железа. Записать уравнения реакций. Аналогично провести опыт с холодной водой. Имеются ли отличия?

2.Проверить, что коллоидные частицы проходят через поры бумажного фильтра, для чего отфильтровать в другую колбу немного золя гидроксида железа (III). Остался ли на фильтре осадок гидроксида железа (III)? Почему?

3.Доказать коагуляцией коллоидное состояние раствора. Для этого к профильтрованному раствору в пробирке прилить 1

мл 1% раствора сульфата магния (MgSO4). Раствор делается мутным, а затем выпадает хлопьевидный осадок гидроксида железа

(III). Обратите внимание на то, что MgSO4 химически не взаимодействует ни с одним из веществ золя гидроксида железа, поэтому выпадение осадка не является следствием химической реакции.

Исходный коллоидный раствор оставить до следующего опыта.

Опыт 2. Определение знака заряда коллоидной частицы

Знак заряда гранулы коллоидной частицы можно определить, используя зависимость адсорбируемости частичек золя от знака заряда поверхности адсорбента. В качестве такой заряженной поверхности служат стенки капилляров фильтровальной бумаги. При погружении в воду фильтровальной бумаги эти стенки капилляров заряжаются отрицательно.

Для определения знака заряда гранулы мицеллы на листок фильтровальной бумаги нанести каплю исследуемого золя. После всасывания капли золь с положительно заряженными гранулами адсорбируется на бумаге и дает окрашенное в центре и бесцвет-

63

ное по краям пятно, золь с отрицательно заряженными гранулами не адсорбируется бумагой и образует равномерно окрашенное пятно. Обвести карандашом границы сред.

Определить знак заряда гранулы золя из предыдущего опыта. На основании этого составить формулу мицеллы гидроксида железа (III).

Опыт 3. Получение золя берлинской лазури

К 2 мл 0,1 М раствора К4[Fe(CN)6] добавить дистиллированной воды до 50 мл. Затем к разбавленному раствору добавить при взбалтывании 2 капли 2% раствора FeCl3. Образуется золь берлинской лазури синего цвета. Написать уравнение реакции, определить методом капиллярного анализа знак заряда гранулы и составить формулу мицеллы.

Опыт 4. Получение золя канифоли методом замены растворителя

Канифоль хорошо растворяется в этиловом спирте, образуя истинный раствор, и не растворяется в воде. Поэтому добавление некоторого количества воды к спиртовому раствору канифоли вызывает конденсацию молекул канифоли в коллоидные частицы.

В стакан налить несколько миллилитров воды. Затем по капле добавлять 2% спиртовой раствор канифоли, взбалтывать раствор и наблюдать за изменением окраски раствора. Образование гидрозоля канифоли сопровождается появлением опалесценции раствора с переходом в молочный цвет.

Сравнить оттенок окраски раствора в проходящем и отраженном свете. Отличается ли она и почему?

Опыт 5. Дисперсионный метод получения золя окиси алюминия.

Порошок окиси алюминия (Аl2О3) в небольшом количестве поместить в две пробирки. Пробирки наполовину заполнить водой и в одну из них добавить 3 капли 1 н. раствора NaOH. Энергично встряхивать обе пробирки в течение одной минуты, затем содержимое пробирок отфильтровать раздельно в две чистые пробирки. Установить на глаз, в какой пробирке образовался

64

коллоидный раствор. Проверить сделанный предварительный вывод коагуляцией. В пробирки прилить по 1 мл MgSO4 и взболтать. Что наблюдается? Изобразить схему строения и формулу мицеллы окиси алюминия, имея в виду, что щелочь реагирует с поверхностными молекулами Аl2О3 и дает растворимый гексагидроксоалюминат натрия Na3[Al(ОH)6], являющийся электроли-

том-стабилизатором, диссоциирующим по уравнению

Na3[Al(ОH)6] → 3Na+ + [Al(ОH)6]3–

Ионы [Al(ОH)6]3– формируют потенциалопределяющий слой ионов на поверхности ядра окиси алюминия. Оформить отчет.

Выводы делать отдельно по каждому опыту в столбце «вывод» таблицы 17.

Контрольные вопросы

1.Дисперсные системы, их классификация, применение и значение.

2.Дисперсионные и конденсационные методы получения коллоидных систем.

3.Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем.

4.Оптические свойства коллоидных систем.

5.Электрокинетические явления.

6.Мицеллярная теория строения коллоидной частицы.

7.Методы определения зарядов коллоидных частиц.

8.Методы очистки коллоидных растворов.

9.Коллоидные системы почвы и клеток живых организмов.

Контрольные задачи

1.Написать формулу мицеллы, полученную при сливании равных объёмов растворов 0,01 н. LiI и 0,005 н. AgNO3.

2.Написать формулу мицеллы, полученную при сливании

равных объёмов растворов 1% СаСl2 и 1% H2SO4 (ρ ≈ 1 г/мл).

3.Представить строение мицеллы для коллоидов, полученных при взаимодействии Na2SiO3 (избыток) с НСl.

4.Гранула берлинской лазури Fe4[Fe(CN)6]3 в электрическом поле перемещается к аноду. Какое вещество служит стабилизатором? Напишите формулу мицеллы и укажите

65

ее составные части.

5.Указать строение мицеллы, полученной при взаимодействии K2СO3 с избытком BaСl2.

6.Составить формулу мицеллы, полученную сливанием растворов сульфата натрия и хлорида бария; в качестве стабилизатора взять одно из веществ.

7.Предложить метод получения мицеллы, в качестве агрегата которой выступает фосфат магния; бромид серебра; иодид свинца (II).

8.Написать уравнение реакции получения мицеллы

{m[Fe(OH)2]·nFe2+·2(n-x)Cl–}2x+·2xCl–. Какое вещество из-

начально было в избытке? Указать составные части мицеллы.

9.Указать вещества, которые могут служить стабилизаторами в водной дисперсной среде для следующих дис-

персных фаз: AgCl, H2SiO3, Fe(OH)3, Аl(ОН)3, получаемых в реакции обмена.

Лабораторная работа № 10

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ КОАГУЛЯЦИЯ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Цель работы. Проверить современные теории явления коагуляции гидрофобных золей электролитами.

Основные понятия. Коагуляция, порог коагуляции. Оборудование. Электроплитка, стаканы, воронки, фильтро-

вальная бумага, бюретки, пробирки.

Реактивы. 2% FeCl3; 1% MgSO4; 2,5 н. KCl; 0,1 н. Na2SO4;

0,1 н. СаСl2; 0,5 % раствора желатина; 0,5 % раствора крахмала; 0,2 М AlCl3.

Краткие теоретические положения

Коагуляция – это процесс объединения нескольких мицелл, нескольких макромолекул или нескольких мицелл и макромолекул в одну частицу. Коагуляция наблюдается при уменьшении агрегативной устойчивости коллоидных систем. Укрупнённые коллоидные частицы обладают недостаточной скоростью броуновского движения для поддерживания их во взвешенном со-

66

стоянии. Поэтому происходит разделение золя на дисперсную фазу и дисперсионную среду (кинетическая неустойчивость). Это явление получило название седиментации. Коагуляцию золей можно вызвать различными факторами: прибавлением электролитов, нагреванием или замораживанием, механическим взаимодействием, высокочастотными колебаниями, ультрацентрифугированием и др.

Наиболее важным и изученным фактором коагуляции является действие электролитов. Количественное сравнение коллоидных систем по агрегативной устойчивости к коагулирующему действию электролитов различной химической природы осуществляется на основе порога коагуляции. Порог коагуляции – это минимальная концентрация электролита, вызывающая коагуляцию коллоидной системы. Величина порога коагуляции вычисляется по формуле

Cп		1000 CМ VЭ	,	(11.1)
		VЭ VЗ

где Сп – порог коагуляции (ммоль/л); СМ – молярная концентрация электролита, моль/л;

VЭ – объем израсходованного электролита на титрование, мл; VЗ – объем взятого золя для коагуляции, мл.

Коагуляция золей происходит при введении малых концентраций электролита (низкие пороги коагуляции), подчиняется правилу Шульца-Гарди и представляет собой необратимый процесс. Коагуляция золей происходит в результате сжатия диффузного слоя противоионов двойного электрического слоя, приводящего к уменьшению или полному исчезновению электрического заряда на поверхности частицы (изоэлектрическая точка – ИЭТ), являющегося основным фактором их устойчивости. Сжатие диффузного слоя зависит от концентрации и зарядности ионов электролита.

Коагуляцию вызывает ион, противоположный по знаку заряда гранулы, чем больше заряд этого иона, тем выше его коагулирующее действие (меньше порог коагуляции). Эта закономер-

ность называется правилом Шульца-Гарди, справедлива для неорганических соединений и определяется зарядом частиц золя.

В ряду неорганических ионов одинаковой зарядности их ко-

67

агулирующая активность возрастает с уменьшением гидратации,

например:

... Li+ < Na+ < K+ < Rb+ ... ... Cl–< Br–< I– < CNS– ...

Эти ряды называются лиотропными рядами катионов и анионов.

Ход работы

Опыт 1. Определение порога коагуляции золя гидроксида железа

Налить в термостойкую коническую колбу 50 мл воды, нагреть до кипения. В кипящую воду по каплям прилить 5 мл 2% раствора хлорного железа (FeCl3). Получается краснокоричневого цвета коллоидный раствор гидрата окиси железа.

Пипеткой отмерить по 5 мл полученного золя гидроксида железа (III) в две конические колбы. Одну из них оставить в качестве контроля, золь в другой колбе протитровать 2,5 н. раствором хлорида калия (KCl) до появления слабой мути. Величину объёма титранта внести в таблицу 17 и рассчитать порог коагуляции по формуле.

Аналогично определить пороги коагуляции золя гидроксида железа относительно 0,1 н. раствора сернокислого натрия (Na2SO4) и 0,1 н. раствора хлорида кальция (СаСl2) и внести результаты измерений и расчетов в таблицу 18. Если коагуляция не происходит, следовательно, концентрация исходного электролита недостаточна.

Делением данного порога коагуляции на самый низкий вычислить, во сколько раз коагулирующая сила двухвалентного иона выше одновалентного.

Сделать вывод согласно правилу Шульца-Гарди.

Таблица 18 – Коагуляция золя гидроксида железа

		Объем	Объем		Концентра-	Порог ко-		Сп	данный
№	Электро-		электро-		ция элек-	агуляции
		золя						Сп		миним.
опыта	лит		лита VЭ	,	тролита СМ,	Сп,
		VЗ, мл
			мл		моль/л	ммоль/л
1	KCl
2	Na2SO4
3	СаС12

68

Опыт 2. Изучение защитного действия высокомолекулярного соединения (ВМС) к коллоидному раствору

Втри пронумерованных стаканчика налить по 4 мл дистиллированной воды и по 5 мл золя гидроксида железа из предыдущего опыта.

Впервый стаканчик добавить 1 мл 0,5 % раствора желатина, во второй – 1 мл 0,5 % раствора крахмала, в третий 1 мл дистиллированной воды.

Содержимое стаканчиков перемешать и поочередно во все

три стаканчика приливать из бюретки раствор Na2SO4 до наступления коагуляции золя. Объемы растворов, пошедшие на коагуляцию, занести в таблицу 19.

Таблица 19 – Изучение защитного действия ВМС

	Номер	ВМС	Объем	Порог коагуля-
	стаканчика		Na2SO4, мл	ции, моль/л
	1	1 мл 0,5 % раствора
		желатина
	2	1 мл 0,5 % раствора
		крахмала
	3	отсутствует

Вывод должен содержать:

1.Сравнение порогов коагуляции изученных соединений

2.Как влияет ВМС на устойчивость золя гидроксида железа?

Контрольные вопросы

1.В чем различие лиофильных и лиофобных коллоидных систем?

2.Что такое коагуляция, седиментация, коацервация?

3.Факторы, вызывающие явление коагуляции золей, внешние признаки процесса коагуляции.

4.Что такое лиотропные ряды? Приведите примеры.

5.Порог коагуляции, сущность правила Шульца-Гарди. Условия взаимной коагуляции гидрозолей.

6.Является ли коагуляция обратимым процессом? Объясните почему.

69

7.Защитное действие ВМС относительно гидрозолей, количественные оценки защитного действия.

8.Какие вещества используют в качестве стабилизаторов коллоидных систем?

Контрольные задачи

1.Коагуляция 1,5 л золя сульфида золота наступила при добавлении 570 мл хлорида натрия с концентрацией 0,2 моль/л. Вычислить порог коагуляции золя ионами натрия, написать формулу мицеллы золя сульфида золота.

2.Порог коагуляции золя сульфатом магния меньше, чем нитратом бария. Как заряжены частицы золя? Что можно сказать о пороге коагуляции этого же золя фосфатом калия?

3.Порог коагуляции золя гидроксида железа (III) фосфатионами равен 0,37 ммоль/л. Какой объём 5 %-ного раствора фосфата натрия (плотность 1,05 г/мл) требуется для коагуляции 750 мл золя?

4.Расположить приведенные электролиты: NaCl, Na2SO4, CuSO4, СuСl2, Al2(SO4)3, AlCl3, K4[Fe(CN)6] в порядке уве-

личения их коагулирующей силы для коллоида, получае-

мого в соответствии с реакцией

AgNO3 + KI → AgI + K+ + I–.

5.Расположить приведенные электролиты: NaCl, Na2SO4, CuSO4, СuСl2, Al2(SO4)3, AlCl3, K4[Fe(CN)6] в порядке уменьшения их коагулирующей силы для золя, получаемо-

го в соответствии с реакцией

FeCl3 + NaOH → Fe(OH)3 + Fe3+ + 3Cl–.

6.В три колбы налито по 100 мл золя Fe(OH)3. Чтобы вызвать коагуляцию золя, потребовалось добавить в первую колбу 10,5 мл 1 н. раствора KCl, во вторую – 62,5 мл 0,01

н. Na2SO4, в третью – 37 мл 0,001 н. Na3PO4. Вычислить порог коагуляции каждого электролита и определить знак заряда гранулы золя.

7.Для защиты 50 мл золя золота от коагуляции 5 мл 10 % раствора хлорида натрия потребовалось: а) 12,5 мг яичного альбумина; б) 0,1 г картофельного крахмала; в) 0,05 мг же-

70