«Получение и свойства коллоидных систем»

\

ГОУ ВПО

Тюменская государственная архитектурно-строительная академия

Кафедра Общей и специальной химии

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе по теме:

«ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ»

для студентов всех специальностей

Тюмень -2004

Получение и свойства коллоидных систем: ассистент БЕРЛИНА О. В., ст. преподаватель ГОЛЯНСКАЯ С. А. методические указания к лабораторной работе для студентов всех специальностей, Тюмень: ТюмГАСА, 2004 г, 17 стр.

Рецензент: к. х.н., доцент_Качалова_Галина_Степановна

(степень, звание, Фамилия, Имя, Отчество)

Учебно-методический материал утвержден на заседании кафедры:

Протокол № ____от «____» _______________2004 г.

Учебно-методический материал утвержден на УМС академии:

Протокол №____ от «____» _______________2004 г.

Тираж______ экземпляров

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемое методическое указание, предназначено для студентов специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» по курсу «Коллоидная химия», а также может быть использовано студентами других специальностей по курсу «Общая химия», включает краткое теоретическое описание, экспериментальную часть и вопросы для самоконтроля.

Цель данного методического указания, познакомить студентов с методами получения коллоидных растворов и способами их разрушения показать место коллоидных растворов среди других дисперсных систем. В процессе работы студенты должны использовать теоретические знания при проведении эксперимента.

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

При работе в химической лаборатории необходимо знать и строго соблюдать правила по технике безопасности, для обеспечения личной безопасности и безопасности окружающих.

1.  Рабочее место необходимо содержать в чистоте и порядке.

2.  При работе строго соблюдать последовательность выполнения операций, указанных в методике.

3.  Реактивы общего пользования не уносить на рабочие места.

4.  При нагревании пробирки держать ее, направляя отверстие от себя и от окружающих.

5.  Не наклоняться над сосудом с нагреваемой жидкостью, так как иногда ее может выбросить из сосуда

6.  После выполнения работы вымыть использованную химическую

посуду.

7.  По окончании лабораторной работы рабочее место должно быть приведено в порядок.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Коллоидными растворами (золями) называются высокодиспер-гированные гетерогенные системы, в которых хотя бы одно вещество находится в коллоидном состоянии.

Коллоидное состояние – это высокодисперсное состояние, когда вещество раздроблено до частиц размерами см, невидимых в оптический микроскоп, но представляющих собой агрегаты, состоящие из множества молекул или ионов, такого множества, что этим частицам присущи свойства отдельной термодинамической фазы, называемой дисперсной фазой.

Гетерогенные системы, в которых в одном веществе (дисперсионная среда) распределено в виде очень мелких частиц другое вещество (дисперсная фаза) называют дисперсными системами.

Принципы классификации дисперсных систем

1.  По дисперсности

Название системы	Размеры частиц (пор) а, см	Примеры систем	Характеристика частиц
1.Грубодисперсные	> 10-3	Суспензии, эмульсии (краски)	Не проходят через бумажные фильтры, быстро оседают (всплывают), видимы визуально или в обычный микроскоп.
2.Микрогетеро- генные	10-4 ¸ 10-5	Взвеси, дым, пыль
3.Высокодисперсные (коллоидно-дисперсные)	10-5 ¸ 10-7	Коллоидные растворы (золи)	Проходят через бумажные фильтры, но задерживаются в ультрафильтрах, заметно не оседают, очень слабо диффундируют, не видимы в обычный микроскоп, обнаруживаются в ультрамикроскопе.
4. Молекулярно – дисперсные	<10-7	Истинные растворы	Проходят через все фильтры, не оседают, хорошо диффундируют, не обнаруживаются в ультрамикроскоп.

2. По агрегатному состоянию фаз

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза
Газ	Жидкость	Твердое вещество
Газ	Воздух	Туман (облака, тучи) Аэрозоль (спрей)	Аэрозоль (дым, пыль)
Жидкость	Пена (мыльная, строительная)	Эмульсии (молоко, крем)	Суспензии, коллоидные растворы (или золи), пасты.
Твердое вещество	Твердая пена, пористые тела (пемза, уголь активированный, пенопласт)	Твердые эмульсии, гели (почвы, грунты)	Сплавы, минералы (песок, цветное стекло)

3. По межфазному взаимодействию

Дисперсная фаза и дисперсионная среда всегда взаимодействуют друг с другом, но в различной степени. Все дисперсные системы по этому признаку делят на две группы:

Лиофильные (любящие растворение), для них характерно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой, т. е. частицы дисперсной фазы, окружены сольватной оболочкой (например, мыло в воде, глина в воде, желатин, красители). Такие системы являются термодинамически устойчивыми и образуются самопроизвольно,

Лиофобные (боящиеся растворения), для них характерно слабое межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы с дисперсионной средой, т. е. частицы, лишены сольватной оболочки (золи металлов, различных солей).

Частицы лиофобных золей движутся свободно в дисперсионной среде (т. к. несольватированы), поэтому могут встречаться, слипаться и выпадать в осадок, следовательно, лиофобные коллоидные системы – неустойчивы.

4. По взаимодействию между частицами дисперсной фазы

Свободнодисперсные (бесструктурные) – частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом и способны независимо передвигаться в дисперсионной среде. Например, с жидкой средой – золи, суспензии могут течь.

Связнодисперсные (структурированные) – частицы дисперсной фазы связаны друг с другом за счет межмолекулярных сил, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы (структуры). Частицы, образующие структуру, не способны к взаимному перемещению и могут совершать только колебательные движения. Например, пены, концентрированные эмульсии, гели, студни.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ

В связи с промежуточным положением коллоидных растворов между грубодисперсными системами и истинными растворами, их можно получить либо путем раздробления (диспергирования) первых, либо путем объединения молекул и ионов в более крупные частицы (конденсация).

ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Диспергационные методы – это способы получения золей путем дробления крупных по размеру частиц до коллоидной степени дисперсности. К ним относятся:

Механическое дробление грубодисперсных систем осуществляется путем: растирания, размалывания, распыления вещества дисперсной фазы и смешивания его с жидкой дисперсионной средой.

Электрическое диспергирование. Этим методом получают коллоидные растворы металлов путем распыления в вольтовой дуге электродов из металла, погруженных в воду. Таким образом получают гидрозоли щелочных и благородных металлов(Ag, Au, Pt).

Диспергирование ультразвуком происходит при помощи ультразвуковых колебаний, с частотой более 20 000 Гц в секунду. Этот метод применим и эффективен только при диспергировании малопрочных веществ (сера, графит, крахмал, краски, некоторые металлы (Hg, Pb)).

Метод пептизации формально можно отнести к методам диспергирования, но это неправильно, поскольку пептизируемый осадок – это уже диспергированный материал, доведенный до коллоидной степени измельчения, в котором частицы в результате слипания образовали крупные агрегаты. Пептизация – переход осадка, образовавшегося при коагуляции, в коллоидный раствор (т. е. процесс обратный коагуляции). При добавлении электролита (ионы которого имеются в составе агрегированных коллоидных частиц) к осадку, его ионы адсорбируются на частицах осадка и придают им заряд одного и того же знака, в результате между частицами происходит взаимное отталкивание, что приводит к переходу осадка в раствор.

КОНДЕНСАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Конденсационные методы – это способы получения коллоидных растворов путем объединения (конденсации) молекул и ионов в агрегаты коллоидных размеров. Система из гомогенной превращается в гетерогенную, т. е. возникает новая фаза (дисперсная фаза). Обязательным условием является пересыщенность исходной системы. Данные методы классифицируют по природе сил вызывающих конденсацию, на физические и химические.

Физическая конденсация осуществляется из паров (изменением температуры) или путем замены растворителя (например, образование золя серы в вводно-спиртовом растворе).

Химическая конденсация заключается в образовании молекул нерастворимых веществ в результате химических реакций с последующей конденсацией их до размеров коллоидных частиц. Чтобы в ходе реакции образовался коллоидный раствор (а не истинный или осадок), необходимо,

чтобы:

- вещество дисперсной фазы было нерастворимо в дисперсионной среде;

- концентрированный раствор одного компонента вливался в сильно раз-

бавленный раствор другого компонента при интенсивном перемешивании

- одно из исходных веществ было взято в избытке. Именно оно является

стабилизатором.

Методы химической конденсации разнообразны – практически любая химическая реакция (приводящая к образованию новой фазы), может служить способом получения коллоидного раствора. Например:

K4[Fe(CN)6] + 2CuCl2 = Cu2[Fe(CN)6] +4KCl (реакция обмена)

ЗОЛЬ

FeCl3 + 3H2O D Fe(OH)3+ 3HCl (реакция гидролиза)

ЗОЛЬ

2H2S + O2 = 2H2O + S (реакция окисления)

ЗОЛЬ

Ag2O + H2 = 2Ag + H2O (реакция восстановления)

ЗОЛЬ

СТРОЕНИЕ КОЛЛОИДНЫХ ЧАСТИЦ

Дисперсная фаза гидрофобных золей образована частицами, называемыми мицеллами.

Рассмотрим строение мицеллы на примере образования золя хлорида серебра, который получается при взаимодействии очень разбавленных растворов нитрата серебра и хлорида калия (реакция обмена).

AgNO3 + KCl = AgСl$ + KNO3

Ag+ + NO3‾ + K+ + Cl‾ = AgCl$ + K+ + NO3‾

Нерастворимые молекулы хлорида серебра образуют ядро коллоидной частицы. В рассмотренном примере ядро – мельчайший кристаллик хлорида серебра, состоящий из большого числа m молекул AgCl:

[mAgCl] - ядро коллоидной частицы

Полученное ядро коллоидной частицы является носителем свободной поверхностной энергии, поэтому на его поверхности идет адсорбционный процесс. Согласно правилу Пескова – Фаянса, на поверхности ядра обычно адсорбируются ионы, имеющиеся в составе ядра, в данном случае это ионы серебра или хлорид-ионы. Из двух сортов ионов адсорбируются те, которые находятся в избытке. Если получать коллоидный раствор при избытке хлорида калия KCl, то адсорбироваться будут хлорид - ионы Cl‾ ибо они находятся в избытке. Хлорид - ионы достраивают кристаллическую решетку ядра, прочно входят в его структуру, образуя адсорбционный слой, и придают ядру отрицательный заряд: [mAgCl] . nCl‾

Эти ионы, адсорбирующиеся на поверхности ядра и придающие ему соответствующий заряд, называются потенциалопределяющими ионами, их следует считать стабилизирующими.

В растворе находятся так же и ионы, противоположные по знаку потенциалопределяющим ионам, их называют противоионами. В данном примере противоионами являются катионы калия K+, которые электростатически притягиваются потенциалопределяющими ионами адсорбционного слоя. Часть противоионов K+ прочно связываются электрическими и адсорбционными силами, и входит в адсорбционный слой. Ядро с адсорбционным слоем называется коллоидной частицей или гранулой:

{[mAgCl] ∙ .nCl‾ ∙ (n-x)K+}x-

В адсорбционном слое гранулы преобладают потенциалопределяющие ионы, которые и придают ей заряд, в данном случае отрицательный. Оставшаяся часть противоионов образует диффузный слой ионов. Ядро с адсорбционным и диффузным слоями называется мицеллой, которую можно представить формулой:

{[mAgCl] ∙ nCl ‾ ∙ (n-x)K+ }x - .∙ х K+

¾¾ß¾¾ ¾¾ß¾¾ ¾¾¾¾ ß ¾¾¾¾¾¾

ЯДРО ПОТЕНЦИАЛ - ПРОТИВОИОНЫ

ОПРЕДЕЛЯЮ-

ЩИЕ ИОНЫ

¾¾¾¾¾ß¾¾¾¾¾ ¾¾ß¾¾

АДСОРБЦИОННЫЙ ДИФФУЗНЫЙ

СЛОЙ СЛОЙ

¾¾¾¾¾¾¾¾ß¾¾¾¾¾¾¾

ГРАНУЛА

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ß¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

МИЦЕЛЛА

Также строение мицеллы можно представить схемой, изображенной

на рис.1.

Рис. 1 Схема строения мицеллы золя AgСl

Таким образом, мицелла электронейтральна, а следовательно, электронейтрален и весь золь.

УСТОЙЧИВОСТЬ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Устойчивость дисперсных систем характеризуется постоянством во времени двух основных параметров:

- дисперсность;

- распределение частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде.

Все действия, проводимые с дисперсными системами, направлены на достижение одной из двух целей:

1. Создание условий для сохранения устойчивости (это имеет особенно важное значение при производстве, использовании и хранении строительных материалов, дисперсность - прямой показатель их качества). 2. Полное разрушение системы (применяется, например, при водоочистке).

Вопрос об устойчивости рассматривается с точки зрения следующих факторов:

 - термодинамический

Любая система стремится достичь минимальной энергии, поэтому дисперсные системы (особенно коллоиды), стремятся уменьшить свою межфазовую энергию за счет уменьшения поверхности, т. е. происходит самопроизвольное слипание, укрупнение частиц, что может привести к их оседанию.

 - молекулярно-кинетический

Фактор, противодействующий первому. Устойчивость систем определяется соотношением сил отталкивания и притяжения между частицами.

Силы притяжения действуют на малых расстояниях, но коллоидные частицы обычно не могут сблизится на такое расстояние, т. к. гранулы несут на себе одинаковый заряд и происходит электростатическое отталкивание. Оседанию препятствует так же броуновское движение.

Нарушение устойчивости коллоидной системы в сторону укрупнения частиц за счет их слипания называется коагуляцией.

Внешне коагуляция проявляется в помутнении золя, изменении окраски, расслоении или превращении его в гель (студнеобразная масса).

Коагуляция золя происходит при:

- добавлении электролита;

- добавлении противоположно заряженного золя;

- изменении температуры, встряхивании, вибрации, излучении и др.

Наибольший практический интерес вызывает коагуляция электролитами.

коагуляция под действием электролитов

Под действием электролита различают две стадии коагуляции: скрытую и явную.

Начальная стадия процесса коагуляции протекает незаметно для вооруженного глаза и называется скрытой коагуляцией.

Увеличение концентрации электролита ведет к дальнейшему развитию коагуляции, повышение её скорости сопровождается образованием более крупных частиц. При этом золь мутнеет или изменяет окраску. Эта стадия называется явной коагуляцией.

Минимальное количество электролита, которое надо добавить к коллоидному раство­ру, чтобы вызвать начало явной коагуляции – называется порогом коагуляции (СПК). Порог коагуляции можно рассчитать по формуле: ммоль/л.

где СЭЛ - исходная концентрация раствора электролита, моль/л;

VЭЛ - объем раствора электролита, добавленного к колло­идному

раствору, мл;

VЗОЛЯ - объем коллоидного раствора (золя), мл.

Иногда вместо порога коагуляции используют величину γ, называемую коагулирующей способностью: γ = 1 / СПК

Коагуляцию вызывает не весь электролит, а ион противоположный по знаку потенциалопределяющим ионам (а значит и заряду гранулы). Этот ион называют ионом – коагулянтом.

Под воздействием таких ионов изменяется строение мицелл. Ионы диффузной части начинают переходить в плотную часть и в какой-то момент

гранула будет иметь нулевой заряд, частицы при этом не отталкиваются, а слипаются (согласно действию молекулярно-кинетического фактора).

Чем выше заряд коагулирующего иона, тем сильнее выражена его коагулирующая способность и тем ниже порог коагуляции (правило Шульце - Гарди). Количественно эта закономерность порогов коагуляции для, одно-, двух-, трех-, четырехзарядных ионов соотносится как: или 1:0,016:0,0013:0,0002.

Коагуляцию можно наблюдать и в том случае, если к одному золю добавить другой золь с противоположным зарядом (взаимная коагуляция). В этом случае каждый золь по отношению к другому выполняет роль электролита – коагулянта. При взаимной коагуляции в осадок выпадают частицы обоих золей. Этим способом пользуются при осветлении питьевой воды от взвешенных частиц песка, глины и других веществ.

ЗАЩИТА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Для получения длительно сохраняющихся суспензий, эмульсий,

коллоидных растворов обычно добавляют в систему третий компонент -

стабилизатор. Часто это высокомолекулярные соединения или ПАВ (по-

верхностно-активные вещества), которые адсорбируются на границе

раздела фаз и создают либо механический, либо электростатический

барьер, который препятствует объединению частиц.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 ОПЫТ 1. Получение суспензии мела в воде.

Налить в пробирку до 1/2 ее объема дистиллированной воды, внести в нее одну ложечку растертого в порошок мела и сильно взболтать. Наблюдать постепенное расслоение полученной суспензии.

Что представляет собой эта суспензия? Что является в данной суспензии дисперсной фазой и дисперсионной средой? Почему такая дисперсная система быстро разрушается?

ОПЫТ 2. Получение коллоидного раствора методом пептизации.

К 3 мл 10% раствора FeCl3 добавить раствор гидроксида натрия до образования достаточного количества осадка гидроксида железа (III). От - фильтровать осадок внести в пробирку с 2 мл концентрированного раствора FeCl3, нагреть до кипения. Наблюдать изменение окраски раствора и исчезновение осадка.

Записать уравнение реакции получения гидроксида железа (III).

Составить формулу мицеллы Fe(OH)3.

 ОПЫТ 3. Получение золей методом конденсации.

а). Образование золя при замене растворителя.

Налить 1/2 пробирки воды и добавить в нее несколько капель спиртового раствора фенолфталеина. Встряхнуть и оставить на 2-3 минуты. Что происходит?

б). Образование золя реакцией обмена.

К 2-3 мл 0,05 М раствора иодида калия из пипетки по каплям добавить 4-10 капель 0,05 М раствора нитрата серебра, сильно встряхивая раствор.

Написать формулу мицеллы йодида серебра.

 ОПЫТ 4. Коагуляция золей электролитами.

Коллоидный раствор гидроксида железа разлить в четыре пробирки по 5 мл в каждую, затем из бюретки медленно приливать растворы электролитов:

1) NaCl,

2)Na2SO4

3) Na3PO4

4) контрольный раствор.

Признаком начала коагуляции считается помутнение раствора по всему объему. Вычислить порог коагуляции (СПК), и коагулирующую способность (γ) электролитов по формулам на стр.11.

Полученные результаты оформить в виде таблицы:

Электролит	Коагулирующий ион	СПК, ммоль/л.	γ, л/ммоль
NaCl,
Na2SO4
Na3PO4

Почему происходит коагуляция при добавлении электролитов?

Какой из ионов проявил большую коагулирующую способность?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Указать характерные свойства коллоидных систем и их отличие:

а) от истинных растворов;

б) от других дисперсных систем

2. Описать основные методы получения коллоидных систем.

3. Составить формулу мицеллы золя SiO2, стабилизированного Н2SiO3.

4. Какие ионы будет адсорбировать коллоидная частица BaSO4 в том случае, если при получении золя в избытке окажется BaCl2. Запишите формулу мицеллы.

5. Что такое коагуляция?

Какими способами можно вызвать коагуляцию коллоидного раствора?

6. Составить формулу мицеллы сульфида кадмия, полученного в из - бытке H2S. Какой из указанных ниже электролитов обладает наибольшей коагулирующей способностью по отношению к данному золю:

NaCl, Na3PO4 или СaCl2?

ЛИТЕРАТУРА

1. , , Юстратов химия. – СПб.: Издательство «Лань», 2003. – 336 с., ил. – (Учебник для вузов).

2. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. - Под ред. и . – М.: «Химия», 1986. – 216 с., ил.

3. , Фельдман по физической и колло-

идной химии. М.: Высшая шк., 19с.

4. Воюцкий коллоидной химии. М. "Химия", 19с.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ_________________________________________________3

Правила техники безопасности_________________________________4

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ____________________________________5

Принципы классификации дисперсных систем____________________5

Методы получения коллоидных систем__________________________7

Строение коллоидных частиц__________________________________8

Устойчивость дисперсных систем______________________________10

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ_____________________________13

Контрольные вопросы________________________________________15

Литература_________________________________________________16