Коллоидные системы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Ростовский государственный строительный университет»


Утверждено на заседании
кафедры химии 04.05.2006 г.




МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по теме: «К О Л Л О И Д Н Ы Е С И С Т Е М Ы»
для студентов дневной и заочной форм обучения














Ростов-на-Дону,2006



УДК 541.2
Методические указания по теме «Коллоидные системы» для студентов дневной и заочной форм обучения.- Ростов-н
·Д: Рост. гос. строит. ун-т.,
2006. - 8 с.


В методических указаниях обсуждаются классификация дисперсных систем по степени дисперсности; методы получения коллоидных растворов; строение коллоидных частиц; свойства коллоидных систем, в том числе и при рассмотрении физико-химических процессов твердения вяжущих веществ.



Составитель ассист. И.Е.Матин




Редактор Н.Е. Гладких
Темплан 2006 г., поз. 185
Подписано в печать 27.07.06.
Формат 60х84/16. Бумага писчая. Ризограф.
Уч.-изд.л. 0,5 Тираж 100 экз. Заказ 702.
Редакционно-издательский центр
Ростовского государственного строительного университета
344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162



© Ростовский государственный
строительный университет, 2006.
1. Теоретическая часть
1.1. Коллоидные растворы и другие дисперсные системы.

Жидкие коллоидные растворы (золи) представляют собой микрогетерогенные системы, в которых частицы раздробленного (диспергированного) вещества имеют линейные размеры от 1 до 100 нм. Эти частицы являются ультрамикрокристалликами либо молекулами высокомолекулярных соединений.
Более грубые системы представляют собой суспензии (глина - вода), эмульсии (масло - вода), дымы, туманы, пыль. Размер частиц в них больше 100 нм, они отделяются от дисперсионной среды под влиянием силы тяжести и неустойчивы в кинетическом отношении, уступая в этом молекулярно-дисперсным гомогенным системам (размеры частиц в них менее 1 нм). Различают лиофильные (гидрофильные) и лиофобные (гидрофобные) коллоиды. Первые из них образованы высокомолекулярными соединениями (белок, крахмал, желатина, агар-агар и др.) и при действии воды образуют коллоидные растворы, в которых частицы защищены от слипания гидратными оболочками (альбумин –вода и т.д.). В отличие от них вещества, малорастворимые в воде (металлы, соли, графит, сера и др.) образуют гидрофобные коллоидные растворы, термодинамически весьма нестабильные. Высокая степень дисперсности раздробленной фазы, обеспечивая им кинетическую устойчивость (за счет броуновского движения), способствует, однако, слипанию частиц вследствие быстрой потери этой устойчивости и коагуляции золей. В этом проявляется агрегативная неустойчивость таких коллоидов. Их можно защитить от коагуляции внесением в гидрофобные системы гидрофильных коллоидов (например, желатины, раствора мыла, белка и др.).
При коагуляции образуются аморфные осадки, называемые гелями, или гидрогелями в случае водных систем. Между раствором и осадком устанавливается обратимое равновесие: золь - гель, сдвиг которого возможен
при воздействии температуры, электролитов, других коллоидов. Коллоидные системы получают в основном тремя способами:
1. Диспергирование: при этом происходит измельчение более крупных частиц в более мелкие в специальных ультразвуковых мельницах;
2. Химическая конденсация: при этом за счет химических реакций (обмена, гидролиза) происходит укрупнение образующихся молекул или ионов в более крупные коллоидные частицы (мицеллы);
3. Физическая конденсация или замена растворителя: при этом истинный раствор вещества вливают в другой растворитель, в котором оно плохо растворимо. Это вещество выделяется в виде мельчайших частиц, образуя коллоидную систему.



3
·
· Строение коллоидных частиц

Рассмотрим химическую реакцию АgNОз + NаJ = AgJ + NаNОз. Образующийся иодид серебра (АgJ) малорастворим в воде и при особых условиях не выпадает в виде осадка, а выделяется в виде мельчайших частиц коллоида.
Отдельные частицы коллоидных систем называются м и ц е л л а м и. Пусть в избытке был NаJ. Рассмотрим в данном случае строение мицеллы золя иодида серебра. В состав мицеллы входят ядро, адсорбционный и диффузный слои.
Первоначально образуется я д р о мицеллы, которое будет состоять из молекул нерастворимого вещества. Состав ядра зависит от условий протекания реакции, включает в него некоторое число молекул (m) и не имеет строго определенного размера, его записывают (m
·АgJ). Ядро представляет собой мельчайшую частичку - кристалл с сильноразвитой поверхностью и активно адсорбирует находящиеся в растворе ионы.
На поверхности ядра предпочтительно адсорбируются ионы, имеющие с ним химическое сходство, то есть только ионы, входящие в его состав, находящиеся при этом в избытке в растворе. В данном случае это будут анионы иода в количестве n (n
· JЇ). Именно они составляют основу а д с о р б ц и о н н о г о с л о я и называются
п о т е н ц и а л о п р е д е л я ю щ и м и и о н а м и. Помимо потенциалопределяющих ионов в состав адсорбционного слоя входят
п р о т и в о и о н ы адсорбционного слоя, имеющие заряд, противоположный заряду потенциалопределяющих ионов Na+. В данном случае противоионами будут катионы натрия – Na+, таких противоионов будет (n-x)
· Na+.
Ядро, потенциалопределяющие ионы и противоионы адсорбционного слоя образуют единый комплекс – г р а н у л у. Гранула – заряженная частица, в отличие от ядра, и её заряд определяется зарядом потенциалопределяющих ионов, т.к. они имеются в избытке.
Вокруг гранулы располагаются противоионы д и ф ф у з н о г о с л о я и полностью компенсируют заряд гранулы. Поскольку в данном случае заряд гранулы равен «-x», то это будет х
·Na+. Сочетание гранулы и ионов диффузного слоя называют мицеллой:

13 EMBED Equation.3 1415{[( mAgJ) · n
·JЇ · (n-x)
·Na+ ]-x · x
·Na+ }0
ядро потенциалопределяющие противоионы противоионы
ионы адсорбционного диффузного
слоя слоя

гранула

мицелла AgJ

4
На поверхности гранулы существует двойной электрический слой из зарядов противоположного знака IЇ и Nа+, которому соответствует опреде-ленный электрический потенциал (заряд гранулы). Этот потенциал называет-ся дзета-потенциалом (
·). Чем он выше, тем больше электрокинетическая устойчивость коллоидных систем, обусловленная избытком одного из взятых реагентов (NаJ или АgNОз).

1.3. Факторы, обуславливающие
·устойчивость коллоидных систем

Термодинамически коллоидные системы неустойчивы. Однако они могут не разрушаться достаточно длительное время и причиной этому являются два фактора:
1. А г р е г а т и в н ы й ф а к т о р устойчивости связан с одноименным зарядом гранул коллоидных частиц. Этот заряд противодействует укрупнению, слипанию коллоидных частиц и выпадению их в осадок в воде хлопьев;
2. К и н е т и ч е с к и й ф а к т о р устойчивости связан с броуновским движением. Вследствие этого движения коллоидные частицы благодаря своим относительно малым размерам более или менее равномерно распределены по объему дисперсионной среды.
Укрупнение частиц приводит к потере их кинетической устойчивости и выпадению в осадок – к о а г у л я ц и и золей. Коагуляция коллоидных растворов возможна в случаях: 1) добавления к золю электролита; 2)добавления к золю другого золя, заряд потенциалопределяющих ионов которого противоположен по знаку заряду потенциалопределяющих ионов первого золя; 3) повышения температуры золя. Различают с к р ы т у ю к о а г у л я ц и ю - первая стадия разрушения золя протекающая без каких-либо видимых изменений раствора и я в н у ю к о а г у л я ц и ю, которая
сопровождается либо помутнением раствора, либо выпадением осадка, либо изменением цвета раствора. Важнейшим методом коагуляции все же является добавление к золям электролитов. Исследования коагуляции лиофобных золей электролитами привели к следующим выводам:
1. Все электролиты, взятые в достаточной концентрации, способны коагулировать лиофобные золи;
2. К о а г у л и р у ю щ и м и о н о м является тот, который несет заряд, противоположный по знаку потенциалопределяющему иону мицеллы данного золя; 3. Для начала явной коагуляции необходимо, чтобы концентрация электролита превысила некоторую минимальную величину, называемую п о р о г о м к о а г у л я ц и и; 4. Порог коагуляции данного коллоидного раствора зависит от валентности коагулирующего иона. Величина порога коагуляции тем меньше, чем больше
заряд коагулирующего иона, причем влияние это очень сильное, и переход к ионам более высокой валентности резко снижает порог коагуляции.

5
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Получение золя гидрооксида железа (III)
Небольшой объем воды (50-100 мл) нагретъ в химическом стакане до кипения. Затем в кипящую воду прилить 1-2 мл 2%-ного раствора FeCl3. Наблюдайте появление интенсивного окрашивания. Этот опыт основан на гидролизе хлорида железа (III):

FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3 + 3HCl .

Высокая температура, при которой проводится опыт, способствует гидролизу и смещению равновесия вправо. Составьте структуру коллоидной частицы гидрооксида железа, считая, что в адсорбционном слое находятся ионы Fe3+, а ядро составляют молекулы Fе(ОН)3. А как протекает гидролиз FeCl3 при 20° С? Золь гидроксида железа сохраните для следующих опытов.

2.2. Получение золя сульфида кадмия
Налейте в пробирку до половины ее объема раствор разбавленного сульфида натрия (Na2S) и прилейте немного разбавленного раствора сульфата кадмия (CdSO4). Наблюдайте изменение цвета раствора вследствие образования по реакции обмена желтого коллоидного раствора сульфида кадмия.
Напишите уравнение реакции. Часть молекул сульфида натрия подвергаются гидролизу:
Na2S + H2O 13 EMBED Equation.3 1415 NaHS + NaOH;
S-2 + H2 HSЇ + OH Ї .

Составьте структуру коллоидной частицы сульфида кадмия, зная, что в адсорбционном слое находится ионы HSЇ. Золь сохраните для следующих опытов.
2.3. Получение золя серы
В пробирку с дистиллированной водой добавьте постепенно несколько капель, прозрачного спиртового раствора серы. Наблюдайте появление мутно-голубого окрашивания. Чем можно его объяснить?
В чем лучше растворима сера - в спирте или воде? Какого вида конденсация происходит при замене растворителя? Возможно ли
образование коллоидного раствора, если вещество хорошо растворимо в данном растворителе? Что такое опалесценция?





6
2.4. Коагуляция золей

2.4.1. Коагуляция, вызванная введением электролита

В три пробирки налейте по 5 мл золя гидрооксида железа (Ш) из опыта 1. В первую пробирку прибавляйте, считая по каплям, 2н раствор NaCl, во вторую - 2н раствор K2SO4, в третью - 2н раствор К3РО4. Отметьте, от прибавления какого количества капель произошло помутнение раствора. Какой ион в этих электролитах является коагулирующим? Как от величины заряда коагулирующего иона зависит его коагулирующая способность?

2.4.2. Коагуляция, вызванная добавлением к одному золю другого, частицы которого несут противоположный по знаку заряд

К 5 мл золя гидроксида железа прилейте 5 мл золя сульфида кадмия. Что наблюдается при этом? Как называется в этом случае процесс коагуляции?

2.5. Получение эмульсии толуола

Налейте в пробирку дистиллированной воды до трети объема, добавьте несколько капель толуола и, закрыв пробирку, несколько раз встряхните. Получается неустойчивая эмульсия, капельки толуола быстро слипаются друг с другом и образуют верхний слой.
Прилейте в пробирку несколько капель 1%-ного раствора мыла и опять встряхните ее. Образуется устойчивая эмульсия. Капельки толуола перестают слипаться. Как можно объяснить стабилизацию водной эмульсии толуола? Какую роль играет раствор мыла при образовании устойчивой эмульсии? Какие вещества называют защитными коллоидами?















7
З А Д А Ч И

1. При пропускании избытка сероводорода в раствор соли мышьяка (III) AsCl3 получили золь сульфида мышьяка. Учитывая условия образования, напишите формулу золя и определите знак его заряда.

2. Золь кремниевой кислоты Н2SiO3 был получен при взаимодействии растворов К2 SiO3 и НСl. Напишите формулу мицеллы золя и определите, какой из электролитов был в избытке, если противоионы в электрическом поле движутся к катоду.

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

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

5. Золь гидроксида железа получен смешиванием равных объемов 0,002н NaОН и 0,0003н Fe2(SO4)з. Какой знак заряда имеют частицы золя? Составьте формулу мицеллы.

6. Какой объем 0,0025н КJ надо добавить к 0,035 л 0,003н Pb(NO3)2, чтобы получить золь иодида свинца и при электрофорезе противоионы двигались бы к аноду? Напишите формулу мицеллы золя.

7. Золь гидроксида меди получен при сливании 0,1л 0,05н NаОН и 0,25 л 0,001н Сu(NO3)2. Какой из прибавленных электролитов - KBr, Ва(NО3)2, K2CrO4, МgSO4, АlCl3 имеет наименьший порог коагуляции?















8

Приложенные файлы

  • doc 15737589
    Размер файла: 67 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий