Методические рекомендации для студентов технологического, агрономического факультетов, факультета плодоовощеводства и виноградарства

Министерство аграрной политики Украины

Крымский государственный агротехнологический университет

Кафедра общей и органической химии.

Методические рекомендации для студентов технологического, агрономического факультетов, факультета плодоовощеводства и виноградарства.

К проведению лабораторно-практических занятий по коллоидной химии на тему:

1. Гидрозоли. Получение, устойчивость, коагуляция.

2. Электрокинетические явления в коллоидных системах.

Симферополь 2003 г.

Методические рекомендации подготовлены к.т.н., доц. Ножко Е.С.

Рекомендованы к изданию на заседании кафедры общей и органической химии. Протокол № 7 от 11 апреля 2003 г.

Рассмотрены и рекомендованы к изданию методической комиссией агрономического факультета

Протокол № 5 от 2 апреля 2003 г.

Рецензенты: к.х.н., доц. КАПКС Валкина Е.М.,

д.т.н., проф. Шольц-Куликов Е.П., КГАТУ

Ответственный за выпуск зав.кафедрой общей и органической химии д.х.н., проф. Дрюк В.Г.

1. Получение, устойчивость и коагуляция коллоидных систем.

1.1 Теоретические основы.

Коллоидные системы можно получить двумя способами:

1. Диспергацией, т.е. дроблением крупных частиц до размеров коллоидных;

2. Конденсацией, т.е. укрупнением частиц молекулярной дисперсности до коллоидных частиц.

Диспергирование осуществляется в коллоидных мельницах, с помощью ультразвука , эмульгированием и требует затраты энергии.

В основе метода конденсации лежит процесс образования новой фазы коллоидной дисперсности в гомогенной среде. Различают физическую и химическую конденсации.

При физической дисперсная фаза возникает путём создания пересыщения резким охлаждением паров веществ или замена лучшего растворителя на худший.

При химической новая фаза появляется в результате реакции, идущей с образованием нерастворимого вещества. Для этого используют реакции обмена, гидролиза, окислительно-восстановительные реакции.

Для получения из пересыщеного раствора коллоидной системы, а не осадка твёрдой фазы, необходимо, чтобы скорость образования зародышей была намного больше, чем скорость их роста. (Теория Веймарна). Соотношение скоростей образования и роста зародышей подбирается экспериментально.

Рассмотрим реакцию обмена с образованием золя AgI:

AgNO3 +KI ® AgI ¯ + KNO3

Основу мицеллы составляет ядро кристаллического строения m AgI .В зависимости от того, какое вещество находится в избытке: AgNO3 или KI, на поверхности ядра, согласно правилу Пескова – Фаянса, могут сорбироваться ионы Ag и I (потенциалопределяющие ионы), достраивая кристаллическую решетку. Это агрегат. Далее на поверхности агрегата будет сорбироваться часть противоионов. Образуя адсорбционный слой, прочно связанный с агрегатом . Это гранула или частица. Остальные противоионы расположатся в диффузном слое, довершая строение нейтрально заряженной мицеллы. (рис.1.1). Пусть в избытке находится KI, тогда строение мицеллы можно записать так:

При избытке AgNO3 заряд гранулы будет противоположным:

Если поместить мицеллу в электрическое поле, то слабо удерживаемые противоионы диффузного слоя будут перемещаться к одному электроду, а гранула – к другому. Следовательно мицелла разрывается по границе между адсорбционным и диффузным слоями с возникновением электрического или z потенциала.

Устойчивость дисперсной системы определяется способностью дисперсной фазы сохранять исходную степень дисперсности частиц и их равномерное распределение в дисперсионной среде.

Различают кинетическую ( седиментационную) и агрегативную устойчивости. Первая обусловлена наличием броуновского движения, препятствующего оседанию частиц под влиянием силы тяжести. Вторая характеризует способность систем сохранять высокую дисперсность и равномерное распределение в среде.

Потеря агрегативной устойчивости ведет к коагуляции – укрупнению частиц за счет слипания и последующей седиментации.

Коагуляция может быть вызвана разными факторами: изменением температуры, механическим воздействием, действием облучений и т.д.

Самое же важное значение имеет коагуляция под действием электролитов. При этом коагулирующим действием обладает ион, имеющий заряд противоположный заряду гранулы.

( Установлено Гарди в 1900г.)

Это связано со сжатием диффузного слоя до z=0 ( изоэлектрическое состояние ).

Начало коагуляции золя определяется по его помутнению, выпадению осадка, изменению окраски. Коагуляция начинается при достижении некоторого достаточно малого значения

z -потенциала, называемого критическим (zкрит).

Для многих золей z» 30 – 50 мВ.

Наименьшее количество электролита, вызывающего начало коагуляции, называется порогом коагуляции (g):

где: с – концентрация электролита, моль/л;

V3 – объём золя, мл;

V – объём раствора электролита, достаточный для начала коагуляции, мл.

Величина, обратная порогу коагуляции, называется коагулирующей способностью иона:

Согласно эмпирическому правилу Шульце – Гарди, коагулирующее действие иона тем больше, чем выше его валентность. Коагулирующие способности одно, двух и трехзарядных ионов находятся в соотношении:

Р1 : Р2 : Р3 = 1 : 50 : 1000

g1 : g2 : g3 =1 : 0,02 : 0,001

Современная теория устойчивости и коагуляции коллоидных систем, созданная Дерягиным, Ландау, Фервеем, Овербеком (теория ДЛФО) предполагает, что порог коагуляции связан с зарядом коагулирующего иона соотношением

где К – коэффициент , характеризующий дисперсную фазу, среду и структуру двойного электролитического слоя.

Теория обосновывает и подтверждает эмпирически полученное правило Шульце – Гарди

1.2 Задачи для самостоятельного решения.

1.2.1. Для некоторого золя пороги коагуляции оказались равными (моль/л)

СKNO3 = 50,0; CMgCl2 = 0.717; CAlCl3 = 0.093;

CNaCl = 51.0; CMgSO4 = 0.810; C Al(NO3) = 0.095

Определить знак заряда золя

1.2.2. Для золя AgI определены пороги коагуляции (моль/л)

СKCl = 256.0; CBa(NO3)2 = 6.0; C Al(NO3)3 = 0.067;

CKNO3 = 260.0; C Sr(NO3)2 = 7.0;

Определить знак гранулы золя и написать формулу мицелы.

1.2.3. В три колбы налито по 100 см. куб. золя Fe(OH)3. Для явной коагуляции золя потребовалось добавить в первую - 10,5 мл. 1 н. KCl; во вторую 62,5 мл. 0,01 н. Na2SO4; в третью – 37,0 мл 0,001 н. Na3PO4. Вычислить пороги коагуляции и определить знак частиц золя.

1.2.4. Золь AgCl получен смешиванием равных объёмов 0,0095 М KCl и 0,012 н. AgNO3 какой из электролитов: K3[Fe(CN)6], K4[Fe(CN)6], или MgSO4 будет обладать наименьшей коагулирующей способностью?

1.2.5 Представьте условными химическими формулами строение мицелл коллоидных растворов, назовите все слои мицеллы, укажите место возникновения z -потенциала

1.2.10 Золь BaSO4 получен смешиванием двух равных объемов растворов Ba(NO3)2 и H2SO4. Одинаковы ли были исходные концентрации электролитов (моль/л), если в электрическом поле гранулы перемещались к аноду? Напишите формулу мицеллы.

1.3 Контролирующее задание

Написать формулу мицеллы золя, стабилизированного указанным веществом. Назвать слои мицеллы.

Для коагуляции использованы электролиты:

I – NaCl; II – Na2SO4; III – Na3PO4; (задания 1 –11);

I – KNO3; II – Ca(NO3)2; III - Al(NO3)3; (задания 12 – 20)

Вычислить пороги коагуляции g , моль/л и коагулирующую способность р=1/g, если объем золя (V3, л) и объемы (V, л), и концентрации (С, моль/л) электролитов. Согласуются ли полученные данные с правилом Шульце – Гарди?

1.4. Экспериментальная часть.

Поиск по сайту: