Строение мицеллы такого лиофильного золя можно представить сле-дующей формулой: {[mSiO2·jH2O] nSiO32-·2(n-x)H+·yH2O}2х- 2xH+ При очень большой концентрации и небольшом количестве дисперсионной среды вместо сферических агрегатов образуются пластинчатые.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КАЗАНСК
ИЙ

ГОСУДАРСТВЕНН
ЫЙ

АРХИТЕКТУРНО
-

СТРОИТЕЛЬН
ЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ




Кафедра химии

и инженерной экологии в строительстве (ХИЭС)













КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ



Методические указания

к лабораторной ра
боте по


коллоидной

химии

для студентов
втор
ого курса

ИЗОС
















Казань

20
17



2


УДК 544.77

ББК 24.6

Г 32

Г32


Коллоидные растворы: Методические указания по
коллои
д-
ной
химии для студентов
втор
ого курса
ИЗОС

/

Каз.гос.арх
-
строит.
университет
; Сост.

Н.С.Громаков, Казань, 20
17
, 2
7
с.



Печатается по решению Редакционно
-
издательского совета Каза
н-
ского государственного архитектурно
-
строительного университета
.


Методические указания составлены в соответствии с программой
курса
коллоидной
химии для нехимич
еских специальностей вузов.

Кратко изложены основные понятия о диспер
с
ных системах, при
н-
ципах их классификации. Рассмотрены особенности высокодисперсного
состояния вещества, появление поверхностной энергии, причины агрег
а-
тивной и кинетической неустойчивост
и коллоидно
-
диспергированных
систем, их свойства. Даны методические рекомендации для
выполнения
лабораторной работы по получению

коллоидн
ых

растворов
.


Ил.
6
, приложение .






Рецензент
к
.
х
.
н
.
, доцент кафедры ТСМИК КГАСУ Фахрутдинова В. Х.





УДК 544.7
7

ББК 24.
6


© Казанский государственный

архитектурно
-
строительный

университет, 2017.

©

Громаков Н.С., 2017



3

Общие сведения


Все химические вещества существуют в природе преимущественно в
составе так называемых
дисперных систем
, т.е.

многокомпонентн
ых гомо
-

или гетерофазных смесей различного а
г-
регатного состояния, состоящих из сплошной, непрерывной фазы,
называемой
дисперсионной средой
, и прерывистой фазы (частиц ра
з-
личного размера
,

формы

и агрегатного состояния
), называемой
ди
с-
персной фазой
.

В прир
оде дисперсные системы чрезвычайно распространены и мн
о-
гообразны. Например, земная атмосфера, природные воды, почва, грунты,
различные изделия и материалы и др. относятся к дисперсным системам.


Классификация дисперсных систем.


Существуют различные способ
ы классификации дисперсных систем.
В наиболее широком плане дисперсные системы классифицируют по сл
е-
дующим признакам:

1)

размеру частиц дисперсной фазы,

2)

агрегатному состоянию как частиц дисперсной фазы, так и дисперс
и-
онной среды;

3)

форме частиц дисперсной фаз
ы,

4)

интенсивности межфазового взаимодействия,

5)

наличию структурообразования между частицами дисперсной фазы.


1). В зависимости от размера частиц дисперсной фазы дисперсные
системы
обычно
подраздел
яют

на три типа: истинные растворы, коллои
д-
ные и грубодиспе
р
с
ные системы. Для большей наглядности представим
сказанное в виде таблицы 1:

Таблица 1.

Тип системы

Размер

частиц

Название

Состояние


системы

Молекулярно
-

и

ионно
-
дисперсные

< 10 Å (10
-
9

м)

истинные

растворы

гомогенные

Высокодисперсные

10


1000 Å

ко
ллоидные
растворы

Ультра и
микр
о-
гетерогенные

Грубодисперсные

>1000 Å

взвеси

гетерогенные


Истинные растворы представляют собой однородные смеси, в кот
о-
рых частицами дисперсной фазы являются отдельные молекулы, атомы
или ионы с размером не более 10
-
9
м (1
нм). Такие частицы не имеют фаз
о-
вой границы или собственной поверхности раздела. Образуемые ими ди
с-

4

персные системы

гомогенны.

Этим они
кач
ественно отличаются от гетер
о-
генных систем, поэтому их свойства и закономерности рассматривают
о
т-
де
льно в теме «Раство
ры», не включая в понятие «дисперсные системы».

В случае высоко
-

и грубодисперсных систем частицы дисперсной ф
а-
зы имеют более крупные размеры

(1


100 нм), чем отдельные атомы,

и
обладают собственной фазовой поверхностью. Такие системы
гетероге
н-
ны.

При это
м свойства, закономерности и поведение
высокодисперсных

систем имеют качественные от
личия от грубодисперсных систем
.


2) В зависимости от агрегатного состояния дисперсионной среды и
дисперсной фазы классификацию дисперсных систем также нагляднее
представит
ь в виде таблицы (см. табл.2):

Агрегатное состояние будем обозначать буквами: Т
-

тв
ё
рдое (кр
и-
сталлическое), Ж
-

жидкость, Г
-

газ. Дисперсионную среду
-

индексом 1, а
дисперсную фазу


индексом 2.

Таблица 2.

Фазовое

состояние
системы

Условное обозначение

и

примеры

Тип

дисперсной
системы

Газообраз
-
ное

Г
1



Г
2

*

Г
1



Ж
2


туман,

облака

Г
1



Т
2

дым, пыль

Аэрозоли

Жидкое

Ж
1



Г
2

жидкие
пены

Ж
1



Ж
2

эмульсии

Ж
1



Т
2

суспензии,
взвеси

Лиозоли

Твёрдое

Т
1



Г
2

твердые
пены

Т
1



Ж
2

жемчуг, опал

Т
1



Т
2

сплавы

Солио
-
золи

*
-

В нормальных условиях гомогенны, гетерогенность возможна
только при очень низких температурах или высоких давлениях.


3). Форма частиц дисперсной фазы (или топология) может быть ра
з-
нообразной. Наиболее удобный способ классификации связан с
делением
на а)
линейные

частицы, вытянутые в одном измерении; б)
плоские

или
пластинчатые, имеющие два измерения; и в)
объёмные
, когда частицы
имеют все три пространственные измерения примерно в равной степени.


4). В зависимости от интенсивности межфазово
го взаимодействия
выделяют два типа систем: а) с интенсивным межфазовым взаимодейств
и-
ем (например, когда поверхность тв
ё
рдых частиц смачивается жидкой
дисперсионной средой


лиофильность
), и б) с его отсутствием (например,
когда поверхность тв
ё
рдых частиц
не смачивается жидкой дисперсионной
средой


лиофобность
).


5


5). В зависимости от отсутствия или наличия взаимодействия между
частицами дисперсной фазы (структурообразования) в диспер
с
ных сист
е-
мах различают два случая.

Первый, когда частицы дисперсной фазы

распределены в дисперс
и-
онной среде без непосредственного контакта друг с другом


свободн
о-
дисперсные системы
. Высокодисперсные системы с жидкой дисперсио
н-
ной средой, обладающие текучестью, называют
коллоидными растворами
или
золями
. Исторически первыми на
звание «
золь
» получили ультрами
к-
рогетерогенные системы с частицами размером 1

100 нм, диспергирова
н-
ными в жидкой среде.

Второй, когда частицы дисперсной фазы контактируют друг с др
у-
гом с образованием тех или иных пространственных структур


связн
о-
дисперсн
ые системы
. Состояние коллоидных растворов, утративших тек
у-
честь в результате возникновения в них внутренних структур, называют
«
гель
» (от латинского gelate
-
замерзать) или студнями. Процесс структур
о-
образования называют гелеобразованием (желатинированием,
желатин
и-
зацией или студнеобразованием).


Свободная поверхностная энергия и устойчивость

дисперсных систем.

Для высокодисперсных систем характерно наличие значительной
удельной поверхности дисперсной фазы (S
уд
) и интенсивного физико
-
химического взаимодейст
вия между дисперсной фазой и дисперсионной
средой на границе раздела фаз.

Свойства вещества на межфазовой поверхности отличаются от
свойств внутри фазы. Внутри фазы молекулы или другие структурные
единицы вещества равномерно окружены такими же частицами и
их вза
и-
модействие между собой взаимно скомпенсировано во всех направлениях,
за счёт этого каждая молекула достигает определ
ё
нного минимума энергии
и находится как бы на дне «потенциальной ямы». На поверхности же фазы
окружение частично меняется. Со стороны

окружающей среды это вза
и-
модействие не скомпенсировано, так как там присутствуют иные вещества

или иного агрегатного состояния
. Это приводит к появлению так называ
е-
мой
поверхностной энергии
, величину которой можно представить как
произведение её удельного

значения (σ) на суммарную поверхность разд
е-
ла (S). Наличие этого избытка поверхностной энергии (σ

S) является х
а-
рактерной особенностью высокодисперсных систем и определяет ряд пр
и-
сущих им свойств, таких как электрические, поверхностные явления и др.

Из те
рмодинамики известно, что все самопроизвольные процессы
протекают в направлении уменьшения свободной энергии. Аналогично
происходят процессы и на поверхности раздела фаз (самопроизвольно в

6

стремлении к уменьшению запаса свободной поверхностной энергии). П
о-
этому в таких системах σ●S→min. Вследствие этого высокодисперсные
системы принципиально являются термодинамически неустойчивыми. В
чём проявляется их неустойчивость? Возможны два случая.

Первый имеет место при σ=сonst, т.е. когда природа веществ на гр
а-
ниц
е раздела фаз не изменяется. В этом случае стремление к уменьшению
свободной поверхностной энергии реализуется за счёт уменьшения су
м-
марной поверхности раздела S→min. Это происходит путём слияния,
сл
и-
пания и
укрупнения дисперсных частиц
с

уменьшени
ем

степе
ни их ди
с-
персности, что приводит в итоге к разрушению дисперсной системы. П
о-
этому способность дисперсных систем сохранять присущую им степень
дисперсности называется
агрегативной устойчивостью
. В этой связи а
г-
регативно устойчивы грубодисперсные и молекуляр
ные системы. У пе
р-
вых поверхность раздела фаз очень мала (S→0), а у вторых отсутствует
(S=0). Агрегативно неустойчивы высокодисперсные системы, у которых S
может быть очень большой и достигать десятков или даже сотен квадра
т-
ных метров на один грамм дисперс
ной фазы. Их самопроизвольное разр
у-
шение называется
коагуляцией
.

Второй путь снижения свободной поверхностной энергии диспер
с-
ных систем имеет место при сохранении постоянной степени дисперсности
S=сonst. В этом случае происходит изменение природы веществ
на п
о-
верхности раздела фаз за счёт поглощения (сорбции) из окружающей ср
е-
ды тех веществ, сорбция которых сопровождается более ощутимым
уменьшением удельной поверхностной энергии σ→min. В силу указанных
выше причин эта способность также проявляется наиболее

заметно у в
ы-
сокодисперсных систем и носит название
поверхностных явлений.

Кроме этого, разрушение дисперсных систем возможно и без изм
е-
нения степени дисперсности, например, в результате осаждения из диспе
р-
сионной среды относительно более тяжёлых частиц.
Способность ди
с-
персных систем сохранять одинаковой концентрацию дисперсных частиц
по всему объёму называется
кинетической устойчивостью
. В этом плане
наиболее устойчивы истинные растворы, наименее


грубодисперсные
системы (взвеси). Высокодисперсные систем
ы занимают промежуточное
положение, а при правильном хранении могут существовать длительное
время. Известно, что коллоидный раствор частиц золота, приготовленный
ещё М.Фарадеем, не потерял устойчивости до нашего времени.

Таким образом, высокодисперсное сос
тояние вещества


это качес
т-
венно особая форма его существования, с присущими ей специфическими
свойствами и отличиями. Закономерности её изучает
коллоидная химия
.
Термин коллоиды был введен в 1861 г. английским химиком Томасом Гр
э
мом, изуча
в-
шим поведение
белковых растворов, и означает в переводе с греческого клееподобные.
В настоящее время название коллоиды, как и коллоидная химия не отражает полностью

7

природу и особенности высокодисперсного состояния и высокодисперсных систем, но
в силу сложившихся традиц
ий продолжает использоваться и остаётся общепринятым.


КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ


Образование высокодисперсных систем.

В общем случае получение высокодисперсных систем возможно
двумя принципиально различными способами:

1)

диспергированием

или измельчением крупных
частиц до ра
з-
мера коллоидных и

2)

конденсацией
, т.е. укрупнением, соединением отдельных ат
о-
мов, ионов или молекул до частиц коллоидного размера.

При этом обязательным условием образования дисперсных систем
является
взаимная нерастворимость

дисперсной фазы и

дисперсионной
среды.


Внутренняя структура коллоидных частиц

Частицы коллоидных размеров (10
-
1000Å) могут иметь различную
внутреннюю структуру. Можно выделить три типа внутренней структуры
коллоидных частиц:
суспензоиды
,
молекулярные

и

мицеллярные коллои
ды.


1.
Суспензоиды


(
лиофобные
или
необратимые
коллоиды
)

Коллоидные частицы этого типа по своей внутренней структуре н
и-
чем не отличаются от структуры соответствующих им компактных в
е-
ществ, таких, например, как металлы, их оксиды, гидроксиды, сульфиды
или
другие соли и соединения.

Необратимыми

их называют потому, что осадки, остающиеся после
выпаривания таких коллоидных растворов, не образуют вновь золя (ко
л-
лоидного раствора) при контакте с дисперсионной средой.
Лиофобными

их
называют потому, что особые сво
йства коллоидных растворов этого типа
обусловлены очень слабым взаимодействием дисперсной фазы и диспе
р-
сионной среды.

Строение коллоидных частиц суспензоидов.

При рассмотрении строения коллоидных частиц следует отметить,
что в разной литературе оно даётся
неодинаково. С методической точки
зрения наиболее удобен предложенный ниже способ, которого мы будем
придерживаться при дальнейшем изложении. Для этого целесообразнее
начать со следующего примера.

Как известно, при взаимодействии водных растворов нитрата с
еребра
AgNO
3

и иодида калия KI в количествах близких к стехиометрическому

8

выпадает осадок AgI. Уравнение этой реакции можно записать в следу
ю-
щем виде:

mAgNO
3

+
mKI

=
mAgI
↓ +
mKNO
3

где m



число молей соответствующее эквивалентному количеству комп
о-
нентов (о
бычно при равенстве стехиометрических коэффициентов типа m
их взаимно сокращают).

Если же один из этих реагентов взять в избытке (обозначим как m+n,
где n



число молей реагента взятого в избытке), то выпадения осадка не
происходит. Причина заключается в т
ом, что в процессе зарождения и
формирования кристаллов иодида серебра один из компонентов, необх
о-
димых для дальнейшего построения кристаллической решетки AgI, быстро
заканчивается и рост кристалликов прекращается. Кристаллики AgI, обр
а-
зующиеся в этих усло
виях, не успевают достичь размеров, необходимых
для осаждения, и удерживаются в растворе во взвешенном состоянии. Х
и-
мическая реакция в этих случаях протекает точно также как и при эквив
а-
лентном соотношении компонентов, но с учётом избытка одного из ре
а-
гент
ов её уравнение можно представить следующим образом:

При избытке KI

mAgNO
3

+ (m+n)KI =

{
[mAgI] nI


(n
-
x)K
+
}
-
х

xK
+

+ mKNO
3

При избытке AgNO
3

(m+n)AgNO
3

+ mKI =
{
[mAgI] nAg
+

(n
-
x)NO
3
¯
}


xNO
3
¯

+ mKNO
3






↓ ↓

где




[ядро
] ПОИ

п р о т и в о и о н ы




(потенциал
-




определяющие ионы)





{
[
ядро
]
адсорбционный
}

диффуз
-




слой ный слой




{

коллоидная частица
}

диффуз
-





ный слой






|
--------------------
мицелла
-----------------
|


При этом сформировавшиеся кристаллики AgI имеют размеры ко
л-
лоидных ч
астиц и образуют их нейтральное
ядро
. Одновременно ионы,
оказавшиеся в растворе в избытке, в стремлении продолжить рост кр
и-
сталлической решётки закрепляются (адсорбируются) на её поверхности в
соответствующих позициях (узлах кристаллической решётки), прида
вая
частице соответствующий электрический заряд. Их называют
потенциал
о-
пределяющими ионами
.

Роль потенциалопределяющих могут играть также и другие ионы,
что отражает
правило Фаянса
.


9

На поверхности ядра лиофобной мицеллы адсорбируются пр
е-
имущественно те ио
ны, которые имеют с ядром общие химич
е-
ские элементы или обладают изоморфизмом с кристаллической
решеткой ядра.

Поскольку все частицы формируются в одинаковых условиях, то и
заряжаются
одинаково
. Это не даёт им возможности слипаться при стол
к-
новениях и, обр
азуя более крупные агрегаты, выпадать в осадок. Заряже
н-
ная таким образом поверхность частиц притягивает из раствора
против
о-
ионы
. Поскольку тех ионов, что необходимы для построения кристаллич
е-
ской решетки, в растворе не осталось, то притягиваются любые имею
щи
е-
ся противоионы. При этом в силу их не идентичности кристаллической
решётке полной нейтрализации заряда на поверхности не происходит.
Только часть (
n



x
) из числа противоионов удерживается непосредственно
около поверхности частицы и вместе с потенциалоп
ределяющими ионами
образуют
неподвижный

так называемый
адсорбционный слой.

Остальная
же часть (х) противоионов, не удерживаемая поверхностью, остаётся в ра
с-
творе и в результате теплового движения окружающей жидкости и дифф
у-
зии стремится равномерно распреде
литься в нём, образуя подвижный
диффузный слой
.

Все вместе они образуют
мицеллу
. За пределами диффузного слоя з
а-
ряд мицеллы нейтральный.

Схематично строение мицеллы можно представить с помощью сл
е-
дующего рисунка (см. рис.1).

На границе раздела тв
ё
рдой и жи
дкой фаз за счёт избирательной
сорбции ионов возникает двойной электрический слой (ДЭС), состоящий
из тонкой адсорбционной (неподвижной) части и протяжённой диффузной
(подвижной) части. Между фазами возникает разность электрических п
о-
тенциалов. Максимальна
я разность потенциалов

между

всеми ионами н
а-
зывается электро
поверхностным

или
термодинамическим потенциалом
.
При этом на границе подвижного и неподвижного слоёв мицеллы
(граница
скольжения)
также имеется разность электрических потенциалов, наз
ы-
ваемая
элект
рокинетическим или ξ(дзета)

-

потенциалом
. Это означает,
что в коллоидных растворах заряжены не только коллоидные частицы, но
и дисперсионная среда. Всё это обуславливает проявление коллоидными
растворами, присущей им специфики в виде электрических свойств

и агр
е-
гативной устойчивости.


Наличие электрического заряда у частиц дисперсной фазы приводит
к их значительной гидратации (полярные молекулы воды определённым
образом ориентируются относительно заряженных частиц и вступают с
ними во взаимодействие). Гидр
атная оболочка заметно снижает поверхн
о-
стную энергию дисперсной фазы и тем самым уменьшает стремление ча
с-

10

тиц к укрупнению. Гидратная оболочка приводит также к разобщению (д
е-
загрегации) коллоидных частиц в растворе, что повышает агрегативную
устойчивость, а

иногда даже обеспечивает сохранение коллоидной степени
дисперсности. Поскольку поверхность ядра лиофобна, то сама она и
сор
бирующиеся на ней ионы
(ПОИ)
содержат незначительное количество
воды. Сольватированы лишь противоионы, и главным образом, диффузн
о-
г
о слоя. С учётом сказанного строение мицеллы правильнее показывать,
например, следующим образом:

{
[mAgI] nI


(n
-
x)K
+

yH
2
O
}
-
х

xK
+

zH
2
O

В редких случаях суспензоиды могут быть лиофильными. Например,
при образовании золей кремниевой кислоты по схеме:

Na
2
Si
O
3

+
HCl

=
H
2
SiO
3
↓ +
NaCl

Строение мицеллы такого лиофильного золя можно представить сл
е-
дующей формулой:

{[mSiO
2
·jH
2
O] nSiO
3
2
-
·2(n
-
x)H
+
·yH
2
O}

-

2xH
+
·zH
2
O.

Расстояние от твёрдой пове
рхности

Граница скольжения

ξ

Рис.1. Строение мицеллы и


двойного электрического слоя
(ДЭС) коллоидной частицы.

Граница ядра

Граница адсорбционного слоя
и коллоидной частицы

Граница диффузного слоя и
мицеллы


Потенциалопределяющие ионы


(ПОИ)





Пр
отивоионы

А
Неподвижный, адсорбционный
слой

В


Подвижный, диффузный слой

φ
0



Термодинамический потенциал
ДЭС


ξ



Электрокинетический или

дзета
-
потенциал

ядро

А

В

φ
0

Твёрдая
фаза


11

В отличие от лиофобных у лиофильных золей, не только диффузный
слой, но и само ядро, и адсорбционный

слой частицы содержат достаточно
большое количество воды, а потому их поверхность хорошо смачивается
водой.


2.Молекулярные коллоиды.

(обратимые и лиофильные)

Коллоидные растворы этого типа образуют природные и синтетич
е-
ские высокомолекулярные соединения
(ВМС) с молекулярной массой от
десяти
-
пятнадцати тысяч до нескольких миллионов атомных единиц ма
с-
сы. Очень разбавленные растворы этих веществ гомогенны, т.е. являются
истинными и подчиняются законам разбавленных растворов. Вместе с тем
в зависимости от тип
а растворителя и химического строения отдельные
макромолекулы способны сворачиваться в клубки

глобулы, которые по
размерам сравнимы с коллоидными частицами. С повышением концентр
а-
ции отдельные макромолекулы начинают взаимодействовать друг с другом
с образо
ванием надмолекулярных структур полимеров и свойства
так
их
растворов всё больше отличаются от свойств растворов низкомолекуля
р-
ных веществ.


Другой отличительной особенностью растворов
молекулярных коллоидов
является
обратимость
, то есть способность осадко
в, образовавшихся п
о-
сле удаления растворителя, вновь самопроизвольно переходить в раствор
при добавлении новой порции растворителя.

Имеет свои характерные особенности и растворение полимеров. Оно
проходит через стадию
набухания
. В зависимости от природы по
лимеров
набухание может быть
ограниченным и неограниченным.
Ограниченно н
а-
бухают так называемые сшитые полимеры, у которых отдельные макром
о-
лекулы имеют поперечные связи. Несшитые (линейные или разветвлё
н-
ные) полимеры после предварительного набухания раств
оряются.


3.Мицеллярные или ассоциативные коллоиды
.


Коллоидные растворы данного типа (
раньше
их называ
ли

ещё пол
у-
коллоиды) образуют вещества с так называемой дифильной природой, с
о-

12

держащие в своём составе как неполярные, так и полярные (ионогенные)
фрагме
нты. Такой природой обладают мыла, синтетические моющие в
е-
щества и другие поверхностно
-
активные вещества

ПАВ
. Обладая одн
о-
временно хорошей растворимостью в воде и многих органических раств
о-
рителях, они при небольшой концентрации образуют истинные молек
у-
ляр
ные растворы. Свойства таких растворов подчиняются законам исти
н-
ных растворов.


С увеличением концентрации отдельные молекулы этих веществ н
а-
чинают ассоциировать
друг с другом
с образованием сферических агрег
а-
тов или мицелл, размеры, которых соответствую
т размерам коллоидных
частиц. В зависимости от характера дисперсионной среды они могут ор
и-
ентироваться вовне либо полярными, либо неполярными участками. В этих
случаях возникает не молекулярный, а мицеллярный раствор или золь. При
очень большой концентраци
и и небольшом количестве дисперсионной
среды вместо сферических агрегатов образуются пластинчатые. Наиболее
типичным примером образования таких агрегатов являются жидкие пены,
характерные для очень тонких плёнок жидкости.


СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ


Ка
к уже отмечалось выше, коллоидно
-
диспергированные системы
обладают рядом специфических свойств. Основными из них являются о
п-
тические, электрические, молекулярно
-
кинетические, реологические сво
й-
ства, а также поверхностные явления, обусловленные их способнос
тью п
о-
глощать или сорбировать другие вещества. Ниже приводится краткая х
а-
рактеристика некоторых из этих свойств, а
с
более подробн
ым

изложение
м

можно ознакомиться

в отдельном методическом пособии

или соответс
т-

13

вующих учебниках
. Главная цель на данном этапе


освоить основные
представления о коллоидно
-
диспер
с
ном состоянии вещества и его особе
н-
ностях.


Оптические свойства коллоидных растворов


Оптические свойства коллоидных растворов основаны на их спосо
б-
ности рассеивать и поглощать (абсорбировать) световые л
учи, что связано
с определённым соотношением размеров дисперсных частиц и длиной св
е-
товой волны. В истинных растворах свет не рассеивается, они являются
оптическими пустыми. Так, например, если освещать истинный раствор
сбоку, поместив его на тёмном фоне,
то путь проходящего светового луча
невидим, раствор (фон) останется тёмным. Отметим, что в этом случае
длина волны видимого света (400
-
7
6
0 нм) зн
а
чительно превышает размеры
отдельных атомов, ионов или молекул (не более 1нм). Коллоидные же ра
с-
тв
о
ры оптическ
и активны, если подобным образом освещать коллоидный
раствор, то путь прох
о
дящего светового луча становится видимым в виде
освещённого ра
с
ширяющегося конуса. Впервые это явление наблюдал
и
М.В.Ломоносов, М.Фарадей

и Тиндаль, именем
последнего
оно и было н
а-
з
вано, получив название
конус

(или
эффект
)
Тиндаля
. Коллоидные част
и-
цы, с одной стор
о
ны, также имеют н
е
большие размеры. Н
а
столько, что н
е-
видимы не только невооружё
н
ным глазом, но и в обычный микроскоп. С
другой стороны, они заметно крупнее (1
-
100нм) отдельн
ых м
о
лекул. П
о-
добная опт
и
ческая активность коллоидных растворов связана с дифра
к
ц
и-
онным ра
с
сеянием или опале
с-
ценцией св
е
та коллоидными
част
и
цами. При этом св
е
т
о
вые
лучи ра
с
сеиваются коллоидн
ы-
ми частиц
а
ми равноме
р
но во
все ст
о
роны, а э
ф
фект о
с
вещё
н-
ности со
здают свет
о
вые лучи,
расс
е
янные в стор
о
ну н
а
блюд
а-
теля. Б
ыло установлено, что
наиболее сильно рассеивают
свет частицы с размерами п
о-
рядка
1

3

-

1

4

длины

световой
во
л
ны
. Изучение и
н
тенсивн
о-
сти проходящего и рассея
н
ного
света в разли
ч
ных системах пок
а
зало, ч
то рассеяние увеличивается с ро
с-
том размера частиц (до опр
е
делё
н
ного предела) и уменьшением длины
волны пада
ю
щего света. П
о
этому за счёт неодинакового рассеяния более
коротких (красных) и более длинных (синих) волн видимой части солне
ч-

14

ного изл
у
чения многие

ко
л
лоидные растворы имеют яркую цветовую о
к-
раску.


Электрические свойства коллоидных растворов



Электрические свойства коллоидных растворов или
электрокинет
и-
ческие явления

обусловлены наличием электрического заряда, как у колл
о-
идных частиц, так и у диспер
сионной среды. Это приводит к тому, что при
наличии внешней разности электрических потенциалов происходит н
а-
правленное перемещение заряженных коллоидных частиц и самой диспе
р-
сионной среды. В первом случае явление называется
электрофорезом
, а во
втором


эл
ектроосмосом
. Возможно, также, и самопроизвольное возни
к-
новение разности потенциалов в объёме коллоидного раствора в результ
а-
те частичного оседания более тяжёлых и одноимённо заряженных колл
о-
идных частиц. Возникающий в таких случаях скачок электрического п
о-
тенциала между придонными и более высокими слоями жидкости назыв
а-
ется
потенциалом оседания
. При течении коллоидных растворов через
тонкие капилляры разность потенциалов может возникать и за счёт изб
и-
рательной сорбции поверхностью капилляров частиц с опред
елённым
электрическим зарядом. Это


потенциал течения
.




15

Молекулярно
-
кинетические свойства коллоидных растворов


Молекулярно
-
кинетическими

называют свойства, обусловленные
хаотическим тепловым движением частиц, образующих те или иные си
с-
темы. К молекулярно
-
кинетическим свойствам дисперсных систем отн
о-
сятся броуновское движение, диффузия, осмос и седиментация.

Броуновское движение



это беспорядочное движение коллоидных
частиц. Впервые обнаружено в 1827 г. шотландским ботаником Р.Броуном,
наблюдавшим под микроскопом непрерывные колебательные движения
пыльцы растений в её взвеси в воде. Причиной этого видимого движения
является непрерывное, невидимое даже в микроскоп, хаотическое тепловое
движение молекул дисперсионной среды, непрерывно стал
кивающихся с
коллоидными частицами. Интенсивность броуновского движения тем
больше, чем менее скомпенсированы удары, которые получает одновр
е-
менно частица со стороны молекул среды; она возрастает с повышением
температуры, уменьшением размеров частиц и вязк
ости среды. (Для ча
с-
тиц крупнее 1
-
3 мкм броуновское движение прекращается.)

Для коллоидных частиц, обладающих тепловым движением, прис
у-
щи также явления диффузии и осмоса.
Диффузия



это самопроизвольный
процесс перемещения вещества, приводящий к выравниван
ию его конце
н-
трации. Скорость диффузии при постоянных температуре и вязкости среды
зависит от величины и формы частиц.
Осмос



это односторонняя дифф
у-
зия вещества через полупроницаемую мембрану. Характерным признаком,
отличающим коллоидные системы от истин
ных растворов низкомолек
у-
лярных веществ, является очень медленная скорость диффузии и низкое
осмотическое давление.

Кроме этого, в коллоидных системах, вопреки диффузии и тепловому
движению, наблюдается своеобразное распределение коллоидных частиц
по высот
е. В нижних слоях раствора концентрация дисперсных частиц
может быть существенно выше, чем в верхних. Связано это с их перем
е-
щением под действием гравитационного поля. Наиболее заметно это явл
е-
ние имеет место в грубодисперсных системах и наблюдается даже в

н
е-
больших объёмах в виде осаждения (
седиментации
) относительно более
крупных и тяжёлых частиц под действием силы тяжести. Такие системы
кинетически (седиментационно) неустойчивы. В истинных растворах ни
з-
комолекулярных веществ седиментация совершенно ничто
жна и проявл
я-
ется только в очень больших объёмах, например, изменение атмосферного
давления с высотой. Коллоидные системы (золи) занимают в этом ряду
промежуточное положение, но, так как размеры коллоидных частиц очень
малы, то коллоидные системы, также ка
к истинные растворы, являются
кинетически (седиментационно) устойчивыми, т.е. в них не происходит
осаждения дисперсной фазы. Но с течением времени в зависимости от с
о-

16

отношения плотностей частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды
коллоидные частицы опред
елённым образом распределяются в объёме
дисперсионной среды, и при неизменных внешних условиях такое распр
е-
деление сохраняется постоянным: более тяжёлые частицы оказываются в
нижней части сосуда, более лёгкие концентрируются в верхних слоях. Т
а-
кое распреде
ление частиц называется
перреновским седиментационным
равновесием
.


КОАГУЛЯЦИЯ


КОАГУЛЯЦИЯ (от лат. coagulum

сгусток)


слипание
коллоидных
частиц с образованием более или менее крупных агрегатов.
Коагуляция


проявление термодинамической неустойчивости д
исперсных систем. Пр
о-
цесс укрупнения коллоидных частиц связан с потерей агрегативной усто
й-
чивости и приводит к потере ими кинетической устойчивости, которая в
ы-
ражается в образовании осадка.
Коагуляция
в разбавленных системах
пр
и-
водит к образованию хлопьев,

выпадающих в осадок (или всплывающих
),
тогда как

в концентрированных системах
может
также
привести к возни
к-
новению сплошной

пространственной структуры


геля.

В ряде случаев
свежий
коагулят
под влиянием механического воздействия (напр., пер
е-
мешивания) или

образования адсорбционных слоёв при добавлении нек
о-
торых веществ (пептизаторов) способен к обратному переходу в состояние
золя. Это явление называется
пептизацией
.


Коагуляцию

вызыва
ют

различны
е

воздействия
: добавлени
е

разли
ч-
ных веществ


коагулянтов (э
лектролитов или неэлектролитов), длител
ь-
н
ый

диализ, электрофорез, повышени
е

темп
ерату
ры, действи
е

света и др.
высокочастотных электромагнитных колебаний, а также ультразвуковых
колебаний, встряхивани
е

и перемешивани
е
. Гидрозоли могут коагулир
о-
вать при взба
лтывании с неполярными жидкостями (напр., бензин), част
и-
цы при этом собираются на границе раздела жидкостей. В аэрозолях (д
ы-
мах и туманах) частицы несут на своей поверхности очень малые заряды
или вовсе не заряжены, из
-
за чего в аэрозолях всегда идет самоп
роизвол
ь-
ная коагуляция. В промышленных условиях коагуляция дымов и др. аэр
о-
золей производится путем фильтрации их через пористые материалы или с
помощью электрических полей с высоким градиентом потенциала (эле
к-
трофильтр Коттреля и др.).

В практике очистки
природных и сточных вод

17

от коллоидов чаще применяется химический метод коагулирования, осн
о-
ванный на введении в систему электролита.

Наиболее изучена коаг
у-
ляция, вызываемая электрол
и-
тами. Коагул
и
рующее действие
электролитов связано со сжат
и-
ем двойного эл
ектрич
е
ского
слоя на поверхности диспер
с-
ных частиц (уменьшением
дз
е-
та
-
потенциала) и одновреме
н-
ным снижением лиофильности
их поверхности. Наименьшая
концентрация электролита, в
ы-
зывающая коагуляцию за опр
е-
делённый (обычно коро
т
кий)
промежуток времени, называ
ется
порогом

коагуляции

(γ). Для разли
ч
ных
электролитов величины порогов коагуляции могут сильно варьир
о
вать.
Теоретически показано, что отношения порогов коагуляции у одно
-
, двух
-

и трёх
-
зарядных ионов при прочих равных усл
о
виях обратно пр
о
порци
о-
нальны ше
стой степени величины заряда
.

В сре
д
нем можно сч
и
тать, что
концентрации электролитов, соответствующие п
о
рогу коагул
я
ции, с одн
о-
зарядными ионами в 60 раз выше, чем с ионами двухзарядн
ы
ми, и прибл
и-
зительно в 750 раз выше, чем с ионами трехз
а
рядными (пр
а
вило
Шульца и
Гарди).

Коагуляции препятствуют
э
лектрический заряд частиц
(электрич
е-
ский фактор устойчивости)
и сольватация их поверхности

(молекулярно
-

сольватационный фактор)
, а иногда


адсорбция на ней молекул поверхн
о-
стно
-
активных
и

высокомолекулярных веще
ств
-

стабилизаторов
(
стру
к-
турно
-
механический
). Для коллоидных систем это явление получило н
а-
звание коллоидной защиты, которая обусловлена образованием
структу
р-
но
-
механического

барьера на поверхности частиц. Добавление высоком
о-
лекулярных веществ к лиофобны
м золям может привести иногда и к
уменьшению устойчивости по отношению к электролитам (
сенсибилиз
а-
ция
) и даже к коагуляции. Снижение величины электрического заряда (или
дзета
-
потенциала) коллоидных частиц и их сольватации (обычно измен
е-
ния электрических св
ойств и сольватации поверхности частиц происходят
одновременно) вызывает коагуляцию.

Коагуляция очень распространена в природных и
техногенных

ди
с-
персных системах. Она играет важную роль в геологич
еских

и почвенных
процессах, в биологич
еских

и метеорологич
еских

явлениях. Явления ко
а-
гуляции представляют интерес в связи с вопросами агрегативной устойч
и-
вости многих дисперсных систем, напр. почв, коллоидных р
аство
ров, су
с-
Рис.
6
.

Коагулят


18

пензий различных веществ и в том числе продуктов питания и лекарстве
н-
ных веществ. Коагуляци
ю широко применяют в разнообразных технолог
и-
ческих

процессах (напр., деэмул
ь
гирование нефти, очистка питьевой воды
и воздуха с целью освобождения от взвешенных частиц и бактерий).



ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1.

Характерные особенности коллоидных сист
ем и отличие их от и
с-
тинных растворов.

2.

Почему коллоидные растворы относятся к гетерогенным системам?
Приведите мотивированные объяснения. Всегда ли они справедливы?

3.

Почему коллоидно
-
диспер
c
ные системы являются термодинамич
е-
ски неустойчивыми? В каких случая
х это справедливо?

4.

Объясните причины возникновения свободной поверхностной эне
р-
гии на границе раздела фаз.

5.

Обсудите факторы, обуславливающие устойчивость коллоидных
систем.

6.

В чем отличие кинетической и агрегативной устойчивости коллои
д-
но
-
диспер
c
ных систе
м?

7.

Почему агрегативная устойчивость гидрофильных золей выше, чем
гидрофобных? Рассмотрите влияние всех факторов устойчивости.

8.

Что такое адсорбция и абсорбция? Где эти явления используются?

9.

Конденсационные способы получения коллоидных растворов. Пр
и-
меры.

10.

По
чему и при каких условиях ядра коллоидных частиц прекращают
свой рост, не достигнув размеров, достаточных для осаждения.

11.

Укажите пути и условия образования заряда на поверхности колл
о-
идной частицы.

12.

При каких условиях коллоидные частицы не образуют агрегато
в?

13.

Что такое коагуляция? Факторы, вызывающие коагуляцию золей.

14.

Что такое порог коагуляции? Зависит ли порог коагуляции от вел
и-
чины заряда иона электролита?

15.

Действием, каких факторов вызвано структурообразование в ди
с-
персных системах? Чем оно вызвано?

16.

Какие

силы (и связи) ответственны за структурообразование в ди
с-
персных системах? Дайте мотивированный ответ.

17.

Обсудите факторы, препятствующие протеканию процессов коаг
у-
ляции.

18.

Объясните явление тиксотропии. Привести примеры.

19.

Обсудите факторы, способствующие про
теканию процессов пепт
и-
зации.


19

20.

Чем вызвано броуновское движение? От каких факторов оно зав
и-
сит?

21.

Перечислите и дайте мотивированное объяснение факторам, препя
т-
ствующим процессам седиментации частиц.

22.

Осаждая золото из его водного раствора особым образом, можн
о п
о-
лучить чрезвычайно
-
мелкие его частицы. Хотя плотность золота (19,3
гсм
3
) намного выше плотности среды (1гсм
3
), такой золь сохраняет у
с-
тойчивость неограниченно долго. Почему? Дайте мотивированный ответ.

23.

Что такое электрофорез и где это явление использ
уется?

24.

Какими особенностями коллоидных растворов обусловлены их о
п-
тические свойства: светорассеяние, опалесценция, окраска.

25.

Дайте мотивированное объяснение: как влияет эффект Тиндаля на
кинетическую устойчивость коллоидных растворов?

26.

Почему морская вода, к
ак правило, прозрачнее речной? Дайте мот
и-
вированное объяснение.

27.

Как влияет число Авогадро на оптические свойства коллоидных ра
с-
творов? Дайте мотивированное объяснение.

28.

Характерные особенности лиофильных коллоидов.

29.

Что представляет собой ПАВ? Их действие. П
римеры.

30.

Особенности строения ассоциативных (мицеллярных) коллоидов.
Привести примеры.

31.

Напишите формулу коллоидной частицы и мицеллы золя, получе
н-
ного при постепенном приливании к 50мл 0,001н раствора
ZnSO
4

50мл
0,0001н раствора (
NH
4
)
2
S
.

32.

Напишите формулу ми
целлы золя бромида серебра, полученного при
взаимодействии разбавленного раствора бромида калия с избытком ра
с-
твора нитрата серебра.

33.

Напишите формулу коллоидной частицы и мицеллы золя, получе
н-
ного при постепенном приливании к 10мл 0,001н раствора
MnSO
4

30м
л
0,0001н раствора
NaOH
.

34.

Напишите формулу коллоидной частицы и мицеллы золя, получе
н-
ного при постепенном приливании к 50мл 0,001н раствора
Na
2
S

30мл
0,0001н раствора
FeCI
2
.

35.

При пептизации свежеполученного осадка гидроксида железа (+3)
небольшим количеством

раствора соляной кислоты протекает по схеме:

Fe
(
OH
)
3

+
HCI



FeOCI

+ 2
H
2
O

При электролизе гранулы полученного коллоидного золя перемещаются к
катоду. Напишите формулу мицеллы золя гидроксида железа (+3).

36.

Напишите формулу мицеллы золя сульфата бария, пол
ученного при
взаимодействии 10мл 0,0001н раствора хлорида бария и 10мл 0,001н ра
с-
твора серной кислоты.


20

37.

Напишите формулу коллоидной частицы и мицеллы золя, получе
н-
ного при постепенном приливании 20мл 0,001н раствора
CdCI
2

к 50мл
0,0001н раствора
H
2
S
.

38.

Какой

объем 0,005н раствора нитрата серебра нужно прибавить к
25мл 0,0016н раствора хлорида калия, чтобы получить отрицательный золь
хлорида серебра?
Напишите формулу мицеллы золя.

39.

Напишите формулу мицеллы золя турнбулевой сини, полученного
при взаимодействии р
аствора сульфата железа (+2) с избытком красной
кровяной соли

К
3
[
Fe
(
CN
)
6
]
.

40.

Напишите формулу мицеллы золя серы, полученного в результате
осторожного окисления водного раствора сероводорода молекулярным к
и-
слородом.

41.

Напишите формулу мицеллы золя кремниевой ки
слоты, полученного
при взаимодействии разбавленного раствора силиката натрия с соляной
кислотой.

42.

При пептизации свежеполученного осадка (геля) оловянной кислоты
небольшим количеством раствора соляной кислоты идет реакция:

H
2
SnO
3
+2
HCI


SnOCI
2
+2
H
2
O

Электро
форезом установлено, что гранулы полученного золя оловянной
кислоты перемещаются к отрицательному полюсу. Напишите схему стро
е-
ния мицеллы оловянной кислоты.

43.

Напишите формулу мицеллы золя гидроксида алюминия, получе
н-
ного в результате гидролиза хлорида алюми
ния.

44.

Напишите формулу мицеллы золя турнбулевой сини, полученного
при взаимодействии разбавленного раствора красной кровяной соли
К
3
[
Fe
(
CN
)
6
]

с избытком раствора сульфата железа (+2).

45.

Напишите формулу мицеллы золя хлорида серебра, полученного при
взаимодейс
твии разбавленного раствора хлорида калия с избытком раств
о-
ра нитрата серебра.


ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ


1. Получение золя гидроксида железа (+3)

с помощью реакции гидролиза

В колбе или стаканчике ёмкостью 50
-
100мл нагрейте до кипения 30
-
50мл дистиллиров
анной воды. В кипящую воду медленно по каплям с п
о-
мощью пипетки добавьте двухпроцентный или концентрированный ра
с-
твор хлорида железа (+3) до получения прозрачного без хлопьев (коллои
д-
ного) раствора цвета крепкого чая

После охлаждения раствора определите э
кспериментально знак зар
я-
да коллоидных частиц полученного золя с помощью капиллярного анализа
(* см. стр.

2
5
). Для этого нанесите на небольшой листок фильтровальной

21

бумаги
одну

каплю охлаждённого коллоидного раствора и по распредел
е-
нию окраски пятна сделай
те вывод.

Полученный раствор разлейте в три пробирки. В одну пробирку д
о-
бавьте несколько капель раствора фосфата натрия, в другую


несколько
капель раствора хлорида натрия, а в третью


несколько капель хлорида
алюминия. Наблюдайте, в каком случае коагуля
ция происходит быстрее, и
объясните причину.

Тщательно помойте за собой лабораторную посуду.

Напишите уравнение реакции гидролиза хлорида железа(+3), учит
ы-
вая, что нагревание способствует усилению гидролиза и смещает равнов
е-
сие в этой реакции до конца. Нап
ишите формулу мицеллы золя гидроксида
железа(+3) и сравните заряд коллоидных частиц с зарядом, определённым
экспериментально. При составлении формулы мицеллы используйте в к
а-
честве потенциал образующих ионов FeO
+
, а противоионов Cl
-
.


2. Получение золя дио
ксида марганца

с помощью окислительно
-
восстановительной реакции

В колбу ёмкостью 50

100мл налейте 30мл дистиллированной воды и
добавьте к ней с помощью пипетки 15
-
20 капель 1,5%
-
ного раствора пе
р-
манганата калия. Далее медленно при постоянном взбалтывании
приба
в-
ляйте
по каплям

разбавленный раствор тиосульфата натрия Na
2
S
2
O
3

только
до появления коричневой окраски раствора. Выпадение осадка коричнев
о-
го цвета будет означать разрушение коллоидного золя.

Определите экспериментально знак заряда коллоидных частиц
пол
у-
ченного золя с помощью капиллярного анализа (*см. стр.
2
5
). Для этого н
а-
несите на небольшой листок фильтровальной бумаги
одну
каплю получе
н-
ного коллоидного раствора и по характеру распределения окраски сдела
й-
те вывод.

Полученный раствор разлейте в три п
робирки. В одну пробирку д
о-
бавьте несколько капель раствора фосфата натрия, в другую


несколько
капель раствора хлорида натрия, а в третью


несколько капель хлорида
алюминия. Наблюдайте, в каком случае коагуляция происходит быстрее, и
объясните причину.

Тщательно помойте за собой лабораторную посуду.

Напишите уравнение окислительно
-
восстановительной реакции и
формулу мицеллы золя диоксида марганца, учитывая, что в системе до
л-
жен оставаться избыток перманганата калия. Сравните заряд коллоидных
частиц с зар
ядом, определённым экспериментально.


3. Получение золя берлинской лазури реакцией обмена

а) В чистую колбу ёмкостью 100мл налейте сначала 50мл дистилл
и-
рованной воды, затем добавьте из одной пипетки 15 капель 0,005М раств
о-

22

ра хлорида железа (+3), а из друг
ой


5 капель раствора гексацианоферр
а-
та(+2) калия К
4
[
Fe
(
CN
)
6
] той же концентрации. Тщательно перемешайте
содержимое, отметьте цвет полученного коллоидного раствора и опред
е-
лите заряд коллоидных частиц с помощью капиллярного анализа (*см.
стр.2
5
). Для этог
о нанесите на небольшой листок фильтровальной бумаги
одну

каплю полученного раствора и по характеру распределения окраски
сделайте вывод.

Полученный раствор разлейте в три пробирки. В одну пробирку д
о-
бавьте несколько капель раствора фосфата натрия, в другу
ю


несколько
капель раствора хлорида натрия, а в третью


несколько капель хлорида
алюминия. Наблюдайте, в каком случае коагуляция происходит быстрее, и
объясните причину.

Тщательно помойте за собой лабораторную посуду.

Напишите уравнение реакции ионного
обмена, учитывая, что бе
р-
линская лазурь нерастворима в воде. Составьте формулу мицеллы пол
у-
ченного золя и сравните заряд коллоидных частиц с зарядом, определё
н-
ным экспериментально.


б) В чистую колбу ёмкостью 100мл налейте сначала 50мл дистилл
и-
рованной вод
ы, затем добавьте из одной пипетки 15 капель 0,005М раств
о-
ра гексацианоферрата(+2) калия К
4
[
Fe
(
CN
)
6
], а из другой


5 капель ра
с-
твора хлорида железа (+3) той же концентрации. Тщательно перемешайте
содержимое, отметьте цвет полученного коллоидного раствора
и опред
е-
лите заряд коллоидных частиц с частиц с помощью капиллярного анализа
(* см. стр.2
5
). Для этого нанесите на небольшой листок фильтровальной
бумаги
одну

каплю полученного коллоидного раствора и по характеру
распределения окраски сделайте вывод.

Получ
енный раствор разлейте в три пробирки. В одну пробирку д
о-
бавьте несколько капель раствора фосфата натрия, в другую


несколько
капель раствора хлорида натрия, а в третью


несколько капель хлорида
алюминия. Наблюдайте, в каком случае коагуляция происходит
быстрее, и
объясните причину.

Тщательно помойте за собой лабораторную посуду.

Напишите уравнение реакции ионного обмена, учитывая, что бе
р-
линская лазурь нерастворима в воде. Составьте формулу мицеллы пол
у-
ченного золя и сравните заряд коллоидных частиц с за
рядом, определё
н-
ным экспериментально.



4. Получение золя берлинской лазури методом пептизации

Налейте в пробирку 5мл двухпроцентного раствора хлорида жел
е-
за(+3) и добавьте к нему 1мл насыщенного раствора гексацианоферрата

23

(
+2
) калия

К
4
[
Fe
(
CN
)
6
]
. Полученны
й осадок отфильтруйте через бумажный
фильтр и промойте его на фильтре дистиллированной водой до появления
бесцветного прозрачного фильтрата. Затем осадок на фильтре обработайте
0,1н раствором щавелевой кислоты Н
2
С
2
О
4
, которая используется в качес
т-
ве пептиз
атора. (При отсутствии щавелевой кислоты в качестве пептизат
о-
ра можно использовать раствор либо хлорида железа, либо жёлтой кров
я-
ной соли

К
4
[
Fe
(
CN
)
6
]
). Осадок на фильтре должен раствориться и пройти
через него в виде синего коллоидного раствора берлинской
лазури.

С помощью капиллярного анализа (*см. стр.
2
5
) определите экспер
и-
ментально заряд коллоидных частиц полученного золя. Для этого нанесите
на небольшой листок фильтровальной бумаги
одну

каплю полученного
коллоидного раствора и по характеру распределени
я окраски сделайте в
ы-
вод.

Тщательно помойте за собой лабораторную посуду.

Напишите уравнение химической реакции образования берлинской
лазури и формулу мицеллы золя, учитывая, что анионы щавелевой кисл
о-
ты играют роль пептизатора, сорбируясь на частицах оса
дка в качестве п
о-
тенциал образующих ионов. Сравните заряд коллоидных частиц с зарядом,
определённым экспериментально
.


5. Получение золя гидроксида железа(+3) методом пептизации

В колбу ёмкостью 250мл налейте 10мл одномолярного (1М) раствора
хлорида железа
(+3) и добавьте к нему 100мл дистиллированной воды. З
а-
тем прилейте раствор щёлочи (гидроксида натрия) до образования густого
бурого осадка гидроксида железа (+3).

После этого заполните колбу дистиллированной водой доверху, да
й-
те отстояться осадку и осторож
но слейте с него воду. После этого добавьте
в колбу немного (1
-
2мл) пептизатора
-

концентрированного раствора хл
о-
рида железа(+3) и нагрейте до кипения. При кипячении должно набл
ю-
даться растворение осадка, исчезновение мути и изменение цвета раствора
из бур
ого в красно
-
коричневый.

Определите экспериментально заряд коллоидных частиц полученн
о-
го золя с помощью капиллярного анализа (*см. стр.
2
5
). Для этого нанесите
на небольшой листок фильтровальной бумаги
одну

каплю полученного
коллоидного раствора и по харак
теру распределения окраски сделайте в
ы-
вод.

Тщательно помойте за собой лабораторную посуду.

Напишите уравнение реакции образования гидроксида железа (+3),
составьте формулу мицеллы полученного золя и сравните заряд коллои
д-
ных частиц с зарядом, определённым
экспериментально.




24

6. Получение золя кремниевой кислоты путём реакции обмена

Налейте в пробирку на половину её объёма разбавленной (1:5) сол
я-
ной кислоты и добавьте к ней при перемешивании 8
-
10 капель разбавле
н-
ного жидкого стекла (10%
-
ный раствор силиката
натрия Na
2
SiO
3

с пл. 1,16
гмл). Для получения гидрозоля кремниевой кислоты содержимое проби
р-
ки можно встряхнуть.

Определите экспериментально заряд коллоидных частиц полученн
о-
го золя с помощью капиллярного анализа (*см. стр.
2
5
). Для этого нанесите
на небо
льшой листок фильтровальной бумаги
одну

каплю полученного
коллоидного раствора и по характеру распределения окраски сделайте в
ы-
вод.

Полученный раствор нагрейте до кипения и наблюдайте образование
геля


студнеобразной массы, не выливающейся из пробирки при

её пер
е-
вёртывании вверх дном. Образовавшийся гель осторожно разломайте сте
к-
лянной или иной палочкой и тщательно очистите пробирку.

Напишите уравнение реакции образования кремниевой кислоты и
формулу мицеллы полученного золя. Сравните заряд коллоидных част
иц с
зарядом, определённым экспериментально. Объясните причину гелеобр
а-
зования.


7
. Получение золя гидроксида
алюминия

методом пептизации

а)
В стакан
или колбу
с

20 мл
дистиллированной
воды добав
ить

15
капель 20%
-
ного
раствора
хлорида алюминия
А1С1
3
,
затем

по каплям при
энергичном перемешивании добав
и
т
ь

10%
-
ный
раствор
карбоната амм
о-
ния
(NН
4
)
2
СО
3

до тех пор, пока выпадающий осадок гидроксида алюминия
станет растворяться с трудом. Пептизатором служит избыток хлорида
алюминия, не вступившего в реакцию.

Получе
нный раствор разлейте в три пробирки. В одну пробирку д
о-
бавьте несколько капель раствора фосфата натрия, в другую


несколько
капель раствора хлорида натрия, а в третью


несколько капель хлорида
алюминия. Наблюдайте, в каком случае коагуляция происходит б
ыстрее, и
объясните причину.

Тщательно помойте за собой лабораторную посуду.

Напишите уравнение реакции образования
гидроксида алюминия

и
формулу мицеллы полученного золя. Сравните заряд коллоидных частиц с
зарядом, определённым экспериментально.

б)
В ста
кан или колб
у

налить
5 мл 10%
-
н
ого

раствора карбоната а
м-
мония (NН
4
)
2
СО
3

и

разбавить его
в четыре раза
.

Затем
к полученному ра
з-
бавленному раствору
добав
и
т
ь

при встряхивании 2


3 капли
20%
-
ного
раствора А1С1
3
.
При энергичном перемешивании
выпада
ющий о
садок
А1(ОН)
3

пептизируется образовавшимся при реакции NН
4
ОН.


25

Полученный раствор разлейте в три пробирки. В одну пробирку д
о-
бавьте несколько капель раствора фосфата натрия, в другую


несколько
капель раствора хлорида натрия, а в третью


несколько капель хлорид
а
алюминия. Наблюдайте, в каком случае коагуляция происходит быстрее, и
объясните причину.

Тщательно помойте за собой лабораторную посуду.

Напишите уравнение реакции образования
гидроксида алюминия

и
формулу мицеллы полученного золя. Сравните заряд коллоид
ных частиц с
зарядом, определённым экспериментально.


(*)
Определение знака заряда коллоидных частиц методом капилля
р-
ного анализа

основано на том, что некоторые вещества (бумага, шёлк,
стекло, песок и др.) при погружении в воду заряжаются отрицательно. Е
с-
ли коллоидные частицы в растворе заряжены также отрицательно, то они
будут отталкиваться от фильтровальной бумаги и вместе с водой распл
ы-
вутся по всему смоченному пятну фильтровальной бумаги. При этом см
о-
ченное раствором пятно будет окрашено равномерно. Ес
ли коллоидные
частицы заряжены положительно, то в месте нанесения капли они сразу же
притянутся к противоположно заряженным капиллярам бумаги. Поэтому
дальше пропитывающая бумагу вода будет растекаться уже без окраше
н-
ных частиц и окраска в центре пятна буд
ет более яркой, чем на его пер
и-
ферии.





26









КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ



Методические указания

к лабораторной работе по коллоидной химии

для студентов
второго курса
направления подготовки

Техносферная безопасность.


Профиль: "Инженерная защита окружаю
щей
среды"






Составител
ь
: Громаков Николай Семенович



Редактор
В
.
Н
.
Сластни
кова




Издательство

Казанского государственного архитектурно
-
строительного университета




Лицензия ЛР N 020379 от 22.01.92 г.


Подписано в печать






Формат 60


84/16

Зак
аз





Бумага тип N2


Усл.
-
печ.л. 2.0

Тираж 50 экз



Печать офсетная


Учетн.
-
изд.л. 2.0


Отпечатано в полиграфическом секторе

Издательства КГАСУ.

420043, г. Казань, ул. Зелёная, д. 1.




Приложенные файлы

  • pdf 1210237
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий