Физическая и коллоидная химия (стр. 6 )

Стандартные электродные потенциалы при 250С

Электрод	Электродный процесс	Стандартный потенциал (в)
Ag/Ag+	Ag+ +ēAg0	+ 0,799
Cd/Cd2+	Cd2+ + 2ēCd0	- 0,402
Co/Co2+	Co2++ 2ē Co0	- 0,270
Cu/Cu2+	Cu2+ + 2ēCu0	+ 0,340
Ni/Ni2+	Ni2+ + 2ēNi0	- 0,240
Pb/Pb2+	Pb2+ + 2ē Pb0	- 0,126
Zn/Zn2+	Zn2+ + 2ēZn0	- 0,760

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Тема 8. Коллоидные системы

Основные вопросы по теме

1.  Поверхностные явления.

2.  Поверхностное натяжение.

3.  Зависимость от концентрации.

4.  Изотерма абсорбции Гиббса.

5.  Поверхностно-активные вещества.

6.  Абсорбция.

7.  Теория Лангмюра.

8.  Уравнения Лангмюра и Фрейндлиха.

9.  Коллоидные системы; получение.

10.  Оптические свойства коллоидов.

11.  Мицелла золя; строение.

12.  Электрокинетические свойства коллоидов.

13.  Коагуляция; порог коагуляции.

14.  Защитное число.

Вопросы для самоконтроля

1.  Что такое «поверхностное натяжение» и от чего оно зависит?

2.  Что такое «поверхностно-активное вещество»?

3.  Что такое «адсорбция» и от чего она зависит?

4.  Чем отличается адсорбция на границе газ – раствор от адсорбции на границе газ – твердое тело?

5.  Как получают коллоидные системы?

6.  В чем причина особенностей коллоидов?

7.  Как устроены мицеллы золей?

8.  Сформулируйте правило Пескова – Фаянса.

9.  Что такое «коагуляция»?

10. Что такое «защитное число»?

Ионная адсорбция

Ионная адсорбция – адсорбция из растворов сильных электролитов. В этом случае растворенное вещество адсорбируется в виде ионов.

Особенности ионной адсорбции

1.  Адсорбируются заряженные частицы (ионы), а не молекулы.

2.  Адсорбция происходит только на полярных адсорбентах.

3.  Адсорбция сопровождается образованием двойного электрического слоя.

4.  Адсорбция является избирательной, т. е. на каждом данном адсорбенте катионы и анионы адсорбируются неодинаково.

Влияние химической природы ионов

1. Особый интерес для коллоидной химии представляет адсорбция ионов поверхностью кристалла, в состав которого входят такие же или родственные ионы. В этом случае адсорбцию можно рассматривать как достройку кристаллической решетки способными адсорбироваться на ней ионами. Это позволило Пескову и Фаянсу сформулировать правило: на твердой поверхности преимущественно адсорбируются ионы, входящие в состав поверхности или имеющие родственную группировку (или изоморфные) ионам, входящим в состав поверхности.

2. Чем больше заряд иона, тем сильнее ион притягивается противоположно заряженной поверхностью твердого тела, тем сильнее адсорбция:

.

K+ << Ca2+ << Al3+ << Th4+

Усиление адсорбции

3. Чем больше кристаллический радиус иона при одинаковом заряде, тем лучше он адсорбируется. В соответствии с этим ионы можно расположить в ряды по возрастающей способности к адсорбции:

Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+

Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+

.

Cl - < Br - < NO < J-

Адсорбционная способность возрастает

Пример

Коллоидный раствор получен в результате реакции обмена при смешении равных объемов растворов:

а) 0,001Н Pb(NO3)2 и 0,0005H HJ;

б) 0,01H Pb(NO3)2 и 0,02H HJ.

Определить, какой из двух электролитов (K2SO4 или CaCl2) будет иметь меньший порог коагуляции.

Решение:

1. Пишем уравнение реакции:

Pb(NO3)2 +2HJ = PbJ2↓+2HNO3 .

При заданных концентрациях будет избыток Pb(NO3)2. В результате реакции в растворе останутся следующие ионы: Pb2+, H+, NO-3.

Твердые частицы PbJ2 будут составлять ядро мицеллы золя. Поскольку неизвестно, сколько молекул PbJ2 составят ядро, то ставят коэффициент m.

Таким образом, ядро – mPbJ2.

В соответствии с правилом избирательной адсорбции ионов Пескова-Фаянса на поверхности ядра будут адсорбироваться ионы Pb2+. Сколько – неизвестно, поэтому ставят коэффициент n.

Поэтому адсорбционный слой состоит из nPb2+. В результате адсорбции ядро приобретает положительный заряд (равный +2n). За счет электрического взаимодействия к положительно заряженному ядру будут притягиваться отрицательно заряженные ионы, т. е. NO; образуется слой противоионов. Известно (см. учебник), что полной компенсации заряда ядра в слое противоионов не происходит. Поэтому ставят коэффициент 2(n-x). Впереди коэффициент 2, так как для нейтрализации одного иона Pb2+ необходимо два иона NO.

Слой противоионов 2 (n-x) NO.

Сумма зарядов адсорбционного слоя и слоя противоионов будет составлять заряд гранулы:

(+2)∙ n + (-1) ∙ (2) ∙ (n - x) = +2n - 2n + 2x = +2x.

Окончательная нейтрализация заряда адсорбционного слоя ионов происходит в диффузионном слое ионов. Поскольку заряд гранулы +2х, то для нейтрализации понадобится 2∙х отрицательно заряженных ионов NO. В итоге диффузионный слой 2x NO. Составляем формулу мицеллы золя:

- гранула.

В соответствии с правилом Шульце-Гарди:

1) коагулирующий ион должен иметь заряд, противоположный заряду гранулы;

2) чем выше заряд иона, тем выше его коагулирующая способность.

Коагулировать этот золь будут отрицательно заряженные ионы.

Выше заряд у ионов SO. Поэтому меньший порог коагуляции будет иметь K2SO4.

2. В результате реакции при заданных концентрациях, в растворе останутся ионы: H+, J-, NO.

Ядро – mPbJ2.

В соответствии с правилом Пескова-Фаянса будут адсорбироваться ионы J-.

Адсорбционный слой n J-.

Слой противоионов (n - x)H+.

Заряд гранулы (-1) ∙ n + (+1)(n - x) = -x.

Диффузионный слой х ∙ Н+.

Составим схему строения мицеллы золя:

.

В соответствии с правилом Шульце-Гарди этот золь будут коагулировать положительно заряженные ионы. Выше заряд у иона Са2+. Поэтому меньше порог коагуляции будет иметь СаСl2.

Задание 8

Коллоидный раствор получен в результате реакции обмена при смешении равных объемов растворов А и В разных концентраций. Напишите и объясните формулу мицеллы золя и схему ее строения. Определите, какой из двух электролитов будет иметь меньший порог коагуляции.

Расчетные данные

№ п/п	Раствор А	Раствор В	Электролиты
8.1	0,005Н AgNO3	0,001H KJ	Ba(NO3)2, K2SO4
8.2	0,002H H2S	0,0001H Bi(OH)3	Ba(NO3)2, K2SO4
8.3	0,001H H3PO4	0,002H Bi(OH)3	K2SO4, BaCl2
8.4	0,09H Ba(OH)2	0,05H H2SO4	K2SO4, BaCl2
8.5	0,005H H2SO4	0,003H Ba(OH)2	AlCl3, KCl
8.6	0,008H AgNO3	0,004H HBr	Na2SO4, AlCl3
8.7	0,004H AgNO3	0,008H HBr	Ba(NO3)2, K2SO4

Продолжение
8.8	0,001H AuOH	0,003H HBr	MgCl2, K2SO4
8.9	0,005H H3AsO3	0,003H H2S	BaCl2, K2SO4
8.10	0,003H H3AsO3	0,005H H2S	BaCl2, K2SO4
8.11	0,005H Mg(OH)2	0,01H H3PO4	Na2SO4, AlCl3
8.12	0,01H Mg(OH)2	0,005H H3PO4	Na2SO4, AlCl3
8.13	0,0007H AgNO3	0,0001H KBr	Ca(NO2)3, K2SO4
8.14	0,0001H AgNO3	0,0008H KJ	AlCl3, K2SO4
8.15	0,003H FeCl3	0,001H NaOH	Al(NO3)3, NiSO4
8.16	0,005H Fe(NO3)2	0,008H KOH	K2SO4, MgCl2
8.17	0,002H Pb(NO3)2	0,001H H2S	MgCl2, CaCl2
8.18	0,001H Pb(NO3)2	0,0005H H2S	Ca(NO3)2, Na2SO4
8.19	0,002H Pb(NO3)2	0,001H KJ	Na2SO4, MgCl2
8.20	0,001H Pb(NO3)2	0,003H KJ	BaCl2, Na2SO4
8.21	0,005H CdCl2	0,001H H2S	AlCl3, K3PO4
8.22	0,01H Cd(NO3)2	0,03H H2S	Al(NO3)3, Na2SO4
8.23	0,003H AgNO3	0,002H HJ	AlCl3, K3PO4
8.24	0,01H AgNO3	0,002H HJ	MgCl2, K2SO4
8.25	0,003H AgNO3	0,01H H2S	Ca(NO3)2, Na2SO4

Тема 9. Микрогетерогенные системы.

Высокомолекулярные соединения

Основные вопросы по теме

1.  Эмульсии и пены; получение и разрушение.

2.  Набухание и виды набухания. Степень набухания.

3.  Гели (студни).

4.  Влияние концентрации, температуры и посторонних электролитов на застудневание.

5.  Синерезис и тиксотропия.

6.  Аэрозоли; получение и разрушение.

7.  Применение аэрозолей.

Вопросы для самоконтроля

1.  Что такое «эмульсии» и «пены»?

2.  Как получают и разрушают эмульсии и пены?

3.  Что такое «полимер»?

4.  Какие виды полимеров вам известны?

5.  Каковы виды растворов ВМС (высокомолекулярных соединений)?

6.  В чем принципиальное отличие коллоидного раствора от раствора ВМС?

7.  Что такое «набухание»?

8.  Что такое «гель», «студень»?

9.  Что такое «синерезис»?

10.  Что такое «тиксотропия»?

Набухание и растворение высокомолекулярных веществ

Растворению высокополимера предшествует его набухание. Набухание заключается в следующем: прежде чем перейти в раствор, полимер поглощает значительное количество низкомолекулярной жидкости – растворителя, увеличиваясь в объеме и весе.

Молекулы растворителя проникают в погруженный полимер. Это возможно потому, что цепочечные молекулы полимеров гибкие: их звенья, изгибаясь, создают неплотную упаковку макромолекул. Молекулы растворителя проникают в полимер, заполняют свободное пространство между макромолекулами полимера. Когда макромолекулы набухшего полимера достаточно отодвинуты друг от друга, они начинают отрываться и переходить в раствор.

Набухание не всегда заканчивается растворением.

Неограниченное набухание – это набухание, заканчивающееся растворением.

В этом случае связь между макромолекулами полимера слабая, межмолекулярная. Она примерно в 100 раз более слабая, чем химическая. Энергии теплового движения молекул растворителя достаточно, чтобы отделить друг от друга молекулы полимера.

Ограниченное набухание – это набухание, которое не переходит в растворение. Такие полимеры называют «сшитыми» (например, резина; в ней макромолекулы каучука соединены между собой через молекулы серы). Химическая связь гораздо прочнее межмолекулярной и энергии теплового движения недостаточно для отделения макромолекул друг от друга.