Обучающие задачи к модулю 9

Обучающие задачи к модулю 9

Коллоидные растворы

Задача 1. Определите заряд гранулы и запишите строение мицеллы для уравнения AlCl3 + 3NaOH → Al(OH)3 + 3NaCl, в котором:

а) избытком является AlCl3; б) NaOH.

Решение: а) агрегат Al(OH)3 в случае избытка AlCl3 будет адсорбировать на своей поверхности ионы, способные достроить его кристаллическую решетку (правило Панета–Фаянса). такими ионами будут ионы Al3+, они же будут ПОИ и будут определять заряд гранулы. таким образом, гранула будет иметь положительный заряд. Строение мицеллы

{m[Al(OH)3] nAl3+ 3(n – x)Cl–}3x+ 3xCl–;

б) агрегат Al(OH)3 в случае избытка NaOH будет адсорбировать на своей поверхности ионы, способные достроить его кристаллическую решетку. такими ионами будут ионы ОН–. таким образом, гранула будет иметь отрицательный заряд. Строение мицеллы

{m[Al(OH)3] nOH– (n – x)Na+}х- хNa+.

Задача 2. Определите, добавление какого из перечисленных электролитов NaCl, Na2SO4 , CaCl2, AlCl3, K[Fe(CN)6] быстрее всего приведет к разрушению золя {m[BaSO4]∙nSO42– ∙2(n – x)Na+}2x– ×2xNa+.

Решение. Так как гранула заряжена отрицательно, то ион электролита, вызывающий коагуляцию, должен быть заряжен положительно. Из положительно заряженных ионов электролитов NaCl, Na2SO4, CaCl2, AlCl3, K[Fe(CN)6] находим тот, у которого заряд будет выше (Na+, K+, Ca2+, Al3+). им является Al3+. Таким образом, электролит AlCl3 имеет наименьший порог коагуляции и быстрее всего приведет к разрушению данного золя.

Задача 3. Рассмотрим влияние величины заряда иона-коагулянта при концентрационной коагуляции.

При добавлении индифферентных одно - и двухзарядных противоионов происходит монотонное понижение ζ-потенциала и при критическом его значении золь переходит в неустойчивое состояние, наступает коагуляция. Скр= ; δ - заряд иона-коагулятора. (Ландау Дерягин)

Зависимость ζ потенциала золя {m[AgI]nI-(n-x)Na+}x - ∙xNa+ от концентрации введенных электролитов:

1-  KCl

2-  Ca(NO3)2

3-  Al(NO3)3

4-  Th(NO3)4 приведена на рисунке

В случае многозарядных ионов-коагуляторов, начиная с Al3+, отрицательный ζ-потенциал исходного золя понижается и доходит до критического значения, отвечающего первой зоне коагуляции. Затем идет дальнейшее понижение ζ-потенциала, его значение проходит через изоэлектрическую точку, в которой ζ=0. Затем происходит перезарядка гранул и понижение уже положительного ζ потенциала за счет сверхэквивалентной адсорбации ионов Al3+. Этот участок кривой отвечает пептизации коагулянта. Образуется золь с положительно заряженными гранулами, устойчивость которого и значение ζ потенциала достигают максимума, а затем уменьшаются до второго критического значения, при котором золь коагулирует уже под действием ионов NO3-.

Строение мицеллы после перезарядки:

{m[AgI]nI - kAl3+[3(k-x)-n]NO3-}3x+ ∙3xNO3-

Такое чередование зон устойчивого и неустойчивого состояний золей называется неправильными рядами, т. к. нельзя однозначно сказать, что с увеличением концентрации электролита стабильность золя снижается.

Задача 4. Рассмотрим влияние величины заряда иона-коагулянта при адсорбционной коагуляции.

Зависимость ζ потенциала от концентрации неиндифферентных электролитов, содержащих специфически адсорбируемые ионы, заряженные по отношению к заряду Скр=

1– одноименно(KI);

2-противоположно(AgNO3).

Допустим, что к золю AgI с отрицательно заряженными частицами: {m [AgI] n I - (n-x) Na+}x - ∙ x Na+ добавили KI.

Неиндифферентным ионом является ион I-. Если на поверхности агрегатов AgI имеются свободные адсорбционные центры, то происходит адсорбция ионов I - и достраивание кристаллической решетки. При этом увеличивается плотность заряда в первом электрическом слое и возрастают значения как φ-потенциала, так и ζ потенциала (аб). После насыщения адсорбционных центров, адсорбция ионов I - прекращается. Дальнейшее увеличение концентрации элемента приводит к снижению ζ-потенциала (при неизменном φ-потенциале) в результате сжатия диффузного слоя действием добавляемых ионов (бв). По достижении критического ζ-потенциала, золь начинает коагулировать.

При добавлении к такому же золю AgI нитрата серебра (AgNO3), неиндифферентным ионом будет ион Ag+. Ионы Ag+ взаимодействуют с потенциалопределяющими ионами I-, связывая их в труднорастворимый AgI, т. е. происходит нейтрализация отрицательных зарядов поверхности частицы и постепенное снижение φ-потенциала. Параллельно с этим снижается и отрицательный ζ-потенциал. При критическом значении ζ-потенциала, золь начинает коагулировать. Дальнейшее прибавление AgNO3 приводит к переходу через ИЭТ, где ζ=0. Затем происходит возрастание положительного заряда твердой поверхности частиц и положительный ζ-потенциал за счет избирательной адсорбции ионов Ag+, формируется новый ДЭС, внутренняя обкладка которого состоит из ионов Ag+, внешняя – из противоионов NO3-. При дальнейшем увеличении концентрации AgNO3, положительный ζ-потенциал уменьшается (при постоянном φ-потенциале) и вновь проходит через критическое значение, где золь коагулирует по концентрационному типу под действием ионов NO3- (вторая зона коагуляции).

Таким образом, под влиянием неиндифферентного иона, заряженного противоположно коллоидной частице, происходит перезарядка твердой поверхности и чередование зон коагуляции (неправильные ряды).

Мицеллы золя:

Исходного отрицательного золя: {m[AgI]nI-(n-x)K+}x - ∙xK+

Частица осадка в ИЭТ {m'[AgI]}0

Положительного золя после перезарядки: {m'[AgI]n'Ag+(n'-x)NO3-}x+ ∙x NO3-