ЗАНЯТИЕ №
Тема: Получение, свойства и очистка коллоидных растворов.
Мотивация изучения темы: «Жизнь – это особая коллоидная система,… это особое царство природных вод» (). Дисперсные системы, в частности коллоидные растворы, широко распространены в природе. Почва, глина, воздух, облака, дым, многие минералы – все это коллоидные системы.
Дисперсными являются все живые системы. Биологические жидкости, кровь, лимфа, спинномозговая жидкость представляют собой коллоидные системы, в которых белки, холестерин, гликоген, фосфаты, липиды и другие вещества находятся в коллоидном состоянии. В настоящее время особый интерес представляет разработка моделей клеток, живых мембран, нервных волокон, действующих по законам коллоидной химии. Примером сочетания диализа и ультрафильтрации является аппарат «искусственная почка».
Важнейшие пищевые продукты – хлеб, молоко, масло – коллоидные системы. От величины капелек жира может зависеть скорость их всасывания через стенки пищеварительных органов. Тонко раздробленный жир в молоке и сливочном масле усваивается организмом лучше, чем жир в сплошной массе, например, сало.
Цель: Научиться получать коллоидные растворы методом конденсации, очищать их от примесей низкомолекулярных веществ, записывать схему строения (формулу) мицеллы.
Задачи изучения:
1. Научиться характеризовать общие свойства дисперсных систем и классифицировать их.
2. Знать природу и общие свойства коллоидных растворов, методы их получения и очистки, строение мицелл, методы определения формы и размеров коллоидных частиц.
3. Знать строение двойного электрического слоя, влияние электролитов на электрокинетический потенциал.
Продолжительность занятия - 165 минут (135 учебного времени и 30мин перерыв).
Место проведения занятия - учебный практикум (кафедра общей химии)
Задания для самостоятельной работы студента во внеучебное время (самоподготовка).
А. Контрольные вопросы
1. Дисперсные системы и их классификация.
2. Методы получения коллоидных растворов: диспергирование и конденсация.
3. Методы очистки коллоидных растворов: фильтрация, диализ, электродиализ, компенсационный диализ, ультрафильтрация.
4. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов: броуновское движение, осмотическое давление, диффузия, седиментация, седиментационная устойчивость и равновесие.
5. Оптические свойства коллоидно-дисперсных систем: рассеяние сета (конус Тиндаля, закон светорассеяния Рэлея), опалесценция.
6. Электрические свойства дисперсных систем. Какие явления называют электрокинетическими?
7. Электрофорез и электроосмос.
8. Потенциалы: протекания, седиментации, электрокинетический или ζ-потенциал.
Б. Список рекомендуемой литературы:
1. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учебник для ВУЗов/ , , и др. - 2 изд. - М.: ВШ, 2000.
2. Практикум по общей химии. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов./под ред. , - М.: ВШ, 2006.
3. , , Филиппова задач и упражнений по общей химии. - М.: ВШ, 2007.
4. Практикум по общей и биоорганической химии /под ред. – 3-е изд.-М.: изд. центр «Академия», 2008.-240с
В. Обучающий материал.
Коллоидные растворы относятся к коллоидно-дисперсным системам с жидкой дисперсионной средой. Для получения коллоидных растворов необходимы следующие условия: достаточно малая растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде, определенная степень дисперсности (размер частиц м) и наличие в системе стабилизатора (электролита или высокомолекулярного соединения), препятствующего слипанию коллоидных частиц, сообщающего устойчивость коллоидным частицам.
Существуют два метода получения коллоидных систем: диспергирование и конденсация. Диспергирование – дробление крупных частиц до коллоидной степени дисперсности. Конденсационные методы разделяют на физические и химические. В основе химических конденсационных методов лежат химические реакции, приводящие к образованию труднорастворимых веществ в присутствии тех или иных стабилизаторов.
Реакцией гидролиза получают золи гидроксида железа(III) и алюминия, применяемые для очистки воды:
FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 + 3HCl
Стабилизатором этого золя является частично образующийся при реакции оксохлорид железа: Fe(OH)3 + HCl = FeOCl + 2H2O
Золь серы, используемый в медицине для лечения кожных заболеваний, получают реакцией окисления:
2H2S-2 + O20 = 2S0 + 2H2O-2
Коллоидные растворы серебра также получают окислительно-восстановительной реакцией:
Ag2+1O + H20 = 2Ag0 + H2+1O
Многие золи получают реакцией ионного обмена, например, золь иодида серебра:
AgNO3 + KI = AgI + KNO3
Коллоидные растворы всегда содержат примеси электролитов и других низкомолекулярных веществ. Их можно отделить от коллоидных частиц путем диализа, электродиализа или ультрафильтрацией.
Процесс ультрафильтрации лежит в основе функции почек. Пример сочетания диализа и ультрафильтрации – аппарат «искусственная почка», предназначенный для временной замены функции почек при острой почечной недостаточности. Аппарат оперативным путем подключают к системе кровообращения больного: кровь под давлением, создаваемым пульсирующим насосом («искусственное сердце»), протекает в узком зазоре между двумя мембранами, омываемыми снаружи физиологическим раствором. Благодаря большой рабочей площади мембран (≈ 15000см2) из крови достаточно быстро (3-4часа) удаляются продукты обмена и распада тканей (мочевина, креатинин, ионы калия и др.)
Всякий золь (коллоидный раствор) состоит из мицелл (дисперсная фаза) и интермицеллярной жидкости (дисперсионная среда). Мицелла имеет сложное строение:
{m[Формульные единицы]n Потенциалопреде - (n-x)Противоионы}х Противоионы
ляющие ионы
агрегат адсорбционный слой диффузный слой
ядро
коллоидная частица (гранула)
мицелла
Золи, образующиеся в результате обменной реакции, могут отличаться знаком заряда частиц дисперсной фазы. Например, золь гексацианоферрата (II) меди (II) можно получить по реакции:
2CuSO4 + K4[Fe(CN)6] → 2K2SO4 + Cu2[Fe(CN)6](тв)
либо в условиях избытка сульфата меди(II), либо гексацианоферрата (II) калия.
Золь полученный при избытке сульфата меди(II) имеет положительно заряженные частицы. CuSO4 → Cu2+ + SO42-
стабилизатор
В соответствие с правилом Панета - Фаянса кристаллическую решетку гексациано-феррата (II) меди (II) из присутствующих в растворе ионов могут достроить только ионы меди (II). Они и сообщают поверхности агрегатов положительный заряд. Противоионами в рассматриваемом примере являются сульфат-ионы. Строение мицеллы золя гексацианоферрата (II) меди (II) записывают следующим образом:
{m[Cu2[Fe(CN)6]]nCu2+(n-x)SO42-}2x+xSO42-
Золь, полученный при избытке гексацианоферрата (II) калия, имеет отрицательно заряженные частицы.
K4[Fe(CN)6] → 4K+ + [Fe(CN)6]4-
стабилизатор
Схема строения мицеллы:
{m[Cu2[Fe(CN)6]]n[Fe(CN)6]4- 4(n-x)К+}4x-4xК+
В этих формулах m означает количество молекул Cu2[Fe(CN)6] в агрегате, n - число потенциалопределяющих ионов, адсорбированных на поверхности агрегата, (n-x) – число противоионов в адсорбционном слое, х - их число в диффузном слое.
Г. Обучающие задачи
Задача №1. Изобразите строение мицеллы гидрозоля сульфата бария, который получается в результате реакции между растворами хлорида бария и сульфата натрия методом химической конденсации.
Решение. Записываем уравнение химической реакции между растворами хлорида бария и сульфатом натрия: BaCl2 + Na2SO4 = BaSO4(тв.) + 2NaCl
а) Пусть в избытке взят хлорид бария:
BaCl2⇄ Ba2+ + 2Cl -
стабилизатор
Труднорастворимый сульфат бария образует кристаллический агрегат, состоящий из m формульных единиц BaSO4 . на поверхности агрегата адсорбируется n ионов Ba2+. С поверхностью ядра связано 2(n-x) хлорид-ионов Cl-. Остальные (2х) противоионы распределяются в диффузном слое:
{m[BaSO4]nBa2+2(n-x)Cl-}2x+2xCl - 1- агрегат, 2- потенциалопределяющие ионы,
противоионы
Ядро адсорбционный диффузный
Слой слой
Гранула
Мицелла
Б) строение мицеллы золя барий сульфата, полученного при избытке натрия сульфата, записывают следующим образом:
{m[BaSO4]nSO42-2(n-x)Na+}2x-2xNa+ 1- агрегат, 2- потенциалопределяющие ионы,
противоионы
Ядро адсорбционный диффузный
Слой слой
Гранула
Мицелла
Задача 2. Золь иодида серебра получен смешиванием раствора нитрата серебра объемом 20мл с С(AgNO3) = 5,0·10-3 моль/л и раствора иодида калия объемом 30мл с С(KI)=6,0·10-3 моль/л. Назовите метод получения золя. Определите знак заряда коллоидных частиц. Представьте строение мицеллы гидрозоля иодида серебра.
Решение. Золь получен методом химической конденсации в результате реакции обмена: AgNO3 + KI = AgI(тв.) + KNO3 . Знак заряда коллоидных частиц зависит от того, какой электролит взят в избытке. Это определяют, рассчитав взятые количества вещества реагентов: n(X) = C(X)·V(X).
n(AgNO3) = 5,0·10-3 моль/л· 2·10-2 л = 1,0·10-4 моль;
n(KI) = 6,0·10-3 моль/л·3,0·10-3 л = 1,8·10-4 моль/л
n(KI)> n(AgNO3) KI = K+ + I-
После образования иодида сербра в избытке иодида калия в растовре останутся ионы К+, NO3-, I-. По правилу Панет-Фаянса на агрегатах AgI избирательно адсорбируются потенциалопределяющие ионы I-, обусловливающие отрицательный знак заряда коллоидных частиц.
Строение мицеллы золя иодида серебра:
{m[AgI]nI-(n-x)K+}x-xK+ 1- агрегат, 2- потенциалопределяющие ионы,
противоионы
Ядро адсорбционный диффузный
Слой слой
Гранула
Мицелла
Задача 3. при электрофорезе частицы золя хлорида серебра, полученного смешиванием равных объемов раствора нитрата серебра с концентрацией 0,005моль/л и хлорида натрия, перемещаются к катоду. В каком диапазоне находилось значение концентрации раствора хлорида натрия?
Решение. 1) Из анализа результатов электрофореза можно сделать вывод, что гранула мицеллы заряжена положительно.
2) стабилизатором является AgNO3
AgNO3→ Ag+ + NO3-
Формула мицеллы с положительным зарядом имеет вид:
{m[AgCl]nAg+(n-x)Cl-}x+xCl-
3) Чтобы образовалась мицелла подобного строения, хлорид натрия должен быть в недостатке. Так как объемы смешиваемых растворов одинаковы, то концентрация NaCl должна быть меньше концентрации AgNO3, т. е. меньше 0,005М
Ответ: С(NaCl)< 0,005 моль/л
Д. Задачи для самостоятельного решения.
Задача 1. Как можно получить гидрозоли сульфата кальция с различным знаком заряда коллоидных частиц, имея растворы CaCl2 и K2SO4? Напишите схемы строения мицеллы золя для каждого случая.
Задача 2. Золь гексацианоферрата (II) железа (III) получен смешиванием раствора хлорида железа (III) объемом 25мл с концентрацией FeCl3 равной 6,0·10-3моль/л и раствора гексацианоферрата (II) калия объемом 40мл с концентрацией K4[Fe(CN)6] равной 2,0·10-3 моль/л. Назовите метод получения золя. Определите знак заряда коллоидных частиц. Напишите схему строения мицеллы золя гексацианоферрата(II)железа(III)калия. Какое вещество служит стабилизатором? (Ответ: стабилизатор - FeCl3)
Задача 3. Золь кремниевой кислоты получили при взаимодействии растворов K2SiО3 и HCl. Напишите формулу мицеллы золя и определите, какой из электролитов был в избытке, если противоионы в электрическом поле движутся к катоду?(Ответ: в избытке был K2SiО3)
Тесты № 000-298
