Строение коллоидных частиц

Рассмотрим в качестве примера строение золя гидроксида железа. Согласно существующей мицеллярной теории, золь состоит из двух частей: мицелл и интермицеллярной жидкости.

Мицелла — это структурная коллоидная частица, т. е. частица дисперсной фазы, окруженная двойным электрическим слоем. Интермицеллярной жидкостью называют дисперсионную среду, разде­ляющую мицеллы, в которой растворены электролиты, неэлектролиты и поверх­ностно-активные вещества, являющиеся стабилизаторами коллоидной системы.

Основу коллоидной частицы составляют микрокристаллы трудно растворимого Fе(ОН)з называемые агрегатами. В ре­зультате избирательной адсорбции на поверхности агрегата образует­ся положительно заряженный слой, состоящий из п ионов водорода (потенциалообразующие ионы, сокращенно ПОИ). Агрегат вместе с потенциалообразующими ионами образует ядро. Под действием элек­тростатических сил притяжения у ядра формируются слой ионов про­тивоположного знака — противоионов, компенсирующих частично заряд ядра. В рассмотренном примере их роль выполняют ионы Сl^-. Частицу с окружающим ее плотным слоем ионов называют гранулой.

Гранула характеризуется двойным электрическим слоем, который образуется из потенциалообразующих ионов и противоионов.

Следует указать, что часть противоионов (п — х), наиболее близко расположенных к ядру, находится в слое жидкости, смачивающем по­верхность твердого ядра, и испытывает действие не только электро­статических, но и ван-дер-ваальсовых сил ядра, поэтому прочно удер­живается около него и образует так называемый адсорбционный слой противоионов (плотный слой). Остальные х противоионов слабее свя­заны с ядром (только электростатически) и под влиянием теплового движения располагаются в жидкой фазе диффузно и называются диф­фузионным слоем. Такова схема строения мицеллы. Мицеллы золей электронейтральны.

Структуру мицеллы Fе(ОН)₃ можно представить следующими формулами:

Мицелла
{m[Fе(ОН)3] Агрегат	n FeO^+ ПОИ	(n-x)Cl-}^+ Адсорбционный слой противоионов	хС1^- Диффузный слой
Ядро Ядро
Гранула

{m[Fе(ОН)₃]; n FeO⁺; (n-x)Cl-}⁺ хС1^-

Пример 1. Определение удельной и общей площади поверхности раз­дробленных частиц золя. Вычислите удельную поверхность и суммарную пло­щадь поверхности частиц золя золота, полученного в результате дробления 0,5 г золота на частицы шарообразной формы с диаметром 7,0·10^-9 м. Плот­ность золота ρ = 19 320 кг/м³.

Решение. Под удельной поверхностью S_уд раздробленных частиц понимают суммарную площадь поверхности всех частиц вещества, общий объем которых составляет 1,0·10^-6м³. Удельная поверхность S_уд равна отношению площади поверхности раздробленных частиц S к объему раздробленного вещества V:

S_уд=S/V

Если раздробленные частицы шарообразной формы, то

S_уд=3/r,

где г - радиус шарообразной частицы.

Определяем объем, занимаемый 0,5 г золота:

Удельная поверхность раздробленных шарообразных частиц золота равна

Находим общую площадь поверхности S частиц золя золота.

S == S_удV = 0,86 · 10⁹ · 2,58 · 10^-8 == 22,2 м².

Пример 2. Определение заряда коллоидных частиц. Золь иодида се­ребра AgI получен при добавлении к 0,02 л 0,01 н. KI 0,028 л 0,005 н. AgNO₃. Определите заряд частиц полученного золя и напишите формулу его мицеллы.

Решение. При смешении растворов AgNO₃ и KI протекает реакция

AgNO₃ + KI = AgI + KNO₃

Определяем число грамм-эквивалентов AgNO₃ и KI участвующих в ре­акции:

AgNO₃ : 0,005 ·0,028 = 1,4 · 10^-4 г-экв.

KI : 0,02 · 0,01 = 2,0 · 10^-4 г-экв.

Расчет показывает, что в растворе избыток KI, следовательно, ядром коллоид­ных частиц золя иодида серебра будут адсорбироваться ионы I^- и частицы золя приобретают отрицательный заряд. Противоионами являются ионы К⁺. Форму­ла мицеллы золя иодида серебра при условии избытка KI

{m[AgI] ; nI^- ; (n-x)K⁺}^- xK⁺

Пример 3. Определение минимального объема электролита, необходимого для получения золя. Каков объем 0,002 н. BaCl₂ надо добавить к 0,03 л 0,0006 н. Al₂(SO₄)₃, чтобы получить положительно заряженные частицы золя сульфата бария. Напишите формулу мицеллы золя BaSO₄.

Решение. Образование золя BaSO₄ происходит по реакции

ЗВаС1₂ + Al₂(SO₄)₃ = ЗВаSО₄ + 2А1С1₃

Если вещества в реакции участвуют в стехиометрическом соотношении, то для реакции необходимо

раствора BaCl₂

Для получения положительных частиц золя BaSO₄ в растворе должен быть избыток хлорида бария по сравнению с сульфатом алюминия. Следовательно, для реакции нужно взять более 0,009 л 0,002 н. BaCl₂ Формула мицеллы золя сульфата бария

[m[BaSO₄]; n Ba²⁺ ; 2 (n - х) С1^-}⁺ 2xCl^-

Задачи

181. Определите удельную поверхность и суммарную площадь поверхности частиц золя серебра, полученного при дроблении 1,2 г серебра на частицы шарообразной формы с диаметром 1,0·10^-8 м. Плотность серебра 10 500 кг/м³.

182. Вычислите суммарную площадь поверхности шарообразных частиц золя ртути, с диаметром 2,5·10^-8 м. Золь получен дроблением 5,2 г ртути. Плотность ртути 13 546 кг/м³.

183. Рассчитайте суммарную площадь поверхности частиц золя сульфида мышьяка и число частиц в 0,5 л золя, если 1 л золя содер­жит 2,25 г As₂S₃. Частицы золя имеют форму кубиков с длиной ребра 1,2·10^-7 м. Плотность As₂S₃ равна 3506 кг/м³.

184. Аэрозоль получен распылением 0,5 кг угля в 1 м³ воздуха. Частицы аэрозоля имеют шарообразную форму, диаметр частицы 8· 10^-5 м. Определите удельную поверхность и число частиц в этом аэрозоле. Плотность угля 1,8 кг/м³.

185. При пропускании избытка сероводорода в раствор соли мышьяка (III) АsСl₃ получился золь сульфида мышьяка. Учитывая усло­вия образования, напишите формулу мицеллы золя и определите знак его заряда.

186. Золь кремниевой кислоты Н₂SiO₃ был получен при взаимо­действии растворов K₂SiO₃ и НСl. Напишите формулу мицеллы золя и определите, какой из электролитов был в избытке, если противоионы в электрическом поле движутся к катоду.

187. Напишите формулу мицеллы золя золота (ядро коллоидной частицы m[Аu]), полученного распылением золота в растворе NaAuO₂.

188. Составьте формулу мицеллы золя гидроксида алюминия, полученного при глубоком гидролизе сульфата алюминия.

189. Какой объем 0,008 н. AgNO₃ надо прибавить к 0,025 л 0,016н. KI, чтобы получить отрицательно заряженные частицы золя иодида серебра. Напишите формулу мицеллы.

190. Золь бромида серебра получен путем смешивания равных объемов 0,008 н. КВr и 0,009 н. AgNO₃. Определите знак заряда частиц золя и напишите формулу мицеллы.

191. Какой объем 0,001 М FеС1₃ надо прибавить к 0,03,л 0,002 н. AgNO₃ , чтобы частицы золя хлорида серебра в электрическом поле двигались к аноду? Напишите формулу мицеллы золя.

192. Золь гидроксида железа получен путем смешения равных объемов 0,002 н. NaOH и 0,0003 н. Fe₂(SO₄)₃. Какой знак заряда имеют частицы золя? Составьте формулу мицеллы.

193. Какой объем 0,001 М AsCl₃ надо добавить к 0,02 л 0,003 М H₂S, чтобы не произошло образования золя сульфида мышьяка, а выпал осадок As₂S₃?

194. Какой объем 0,0025 М KI надо добавить к 0,035 л 0,003 н. Рb(NО₃)₂, чтобы получить золь иодида свинца и при электрофорезе противоионы двигались бы к аноду. Напишите формулу мицеллы золя.

195. Какой объем 0,005 н. AgNO₃ надо прибавить к 0,03 л 0,02н. NaCl, чтобы получить положительно заряженные частицы золя хлорида серебра. Напишите формулу мицеллы.

196. Золь сульфида кадмия получен смешиванием равных объе­мов растворов 0, 002 н. Na₂S и 0, 0006 н. Сd(NО₃)₂. Какой знак заряда имеют частицы золя? Составьте формулу мицеллы.

197. Золь гидроксида алюминия получен путем смешения равных объемов 0,004 н. NaOH и 0,0006 н. Al₂(SO₄)₃. Какой знак заряда имеют частицы золя? Составьте формулу мицеллы.

198. Золь гидроксида меди получен при сливании 0,1 л 0,05 н. NaOH и 0,25 л 0,001 н. Сu(NО₃)₂. Какой знак заряда имеют частицы золя? Составьте формулу мицеллы.

199. Какой объем 0,0025 М K₂S надо добавить к 0,035 л 0,003 н. ZnSO₄, чтобы получить золь сульфида цинка и при электрофорезе противоионы двигались бы к катоду. Напишите формулу мицеллы золя.

200. Золь гидроксида магния получен путем смешения равных объемов 0,001 н. NaOH и 0,003 н. MgCl₂. Какой знак заряда имеют частицы золя? Составьте формулу мицеллы.