Коллоидные растворы - Северский технологический институт

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
СЕВЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Утверждаю
зав. кафедрой ХиТМСЭ
д–р. техн. наук, профессор
Гузеев В.В.
»
2010 г.
«
А.В. Конькова
КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ
Руководство к лабораторной работе
Северск 2010
УДК
ББК
К
Конькова А.В. Коллоидные растворы: руководство к лабораторной работе. / А.В.
Конькова – Северск: Изд–во СТИ НИЯУ МИФИ, 2010. – 11 с.
Руководство содержит план коллоквиума, теоретическую часть, экспериментальную часть и список литературы.
Предназначено для студентов специальности 240601 СТИ НИЯУ МИФИ при выполнении лабораторных работ по курсу «Поверхностные явления и дисперсные системы».
Руководство одобрено на заседании кафедры ХиТМСЭ (протокол № 25 от 22 июня
2009 г.).
Печатается в соответствии с планом выпуска учебно – методической литературы на
2010 г., утверждённым Ученым советом СТИ НИЯУ МИФИ.
Рег. № 66/09 от « 15 » 12 2009
Рецензент О.А Ожерельев – доцент кафедры ХиТМСЭ СТИ НИЯУ МИФИ, канд.
техн. наук
Редактор Р.В. Фирсова
Подписано к печати_______ Формат 60х84/32
Гарнитура Times New Roman. Бумага писчая №2
Плоская печать. Усл. печ. л. 0,32 Уч. изд. л. 0,58
Тираж 50 экз.
Заказ_____
Отпечатано в ИПО СТИ НИЯУ МИФИ
636036, г. Северск Томской обл.,
пр. Коммунистический, 65
2
Содержание
1 План коллоквиума ................................................................................ 4
2 Теоретическая часть ............................................................................. 4
3 Экспериментальная часть ..................................................................... 9
3.1 Работа 1. Получение коллоидных растворов ............................ 9
3.2 Работа 2. Коагуляция коллоидного раствора .......................... 10
Рекомендуемая литература ................................................................ 11
3
1 План коллоквиума
1.1 Коллоидные системы, их специфические особенности.
1.2 Методы получения коллоидных растворов.
1.3 Методы очистки коллоидных растворов: диализ, ультрафильтрация.
1.4 Устойчивость и коагуляция коллоидных растворов.
1.5 Строение мицеллы.
1.6 Коагуляция электролитами. Порог коагуляции. Правило Шульца–
Гарди.
2 Теоретическая часть
Коллоидные системы, «коллоиды» – это не определенный класс веществ, а особое сильно раздробленное состояние вещества, в котором отдельные частицы представляют собой не отдельные молекулы или ионы, а
агрегаты, состоящие из большого числа частиц. Эти агрегаты, называются
мицеллами.
Основными специфическими особенностями коллоидных систем являются: гетерогенность, высокая дисперсность (раздробленность) и большая
поверхность раздела фаз, высокая свободная поверхностная энергия, термодинамическая неравновесность и невоспроизводимость.
Любая коллоидная система состоит из дисперсной фазы (сильно раздробленного вещества) и дисперсной среды, в которой равномерно распределена дисперсная фаза. Как среда, так и фаза могут быть в жидком, твердом и
газообразном состоянии. Поэтому коллоидные системы – это гетерогенные
системы, в которых обязательно есть поверхность раздела фаз между дисперсной фазой и дисперсионной средой.
Поскольку поверхность раздела фаз в коллоидных системах очень велика, то и свободная поверхностная энергия здесь имеет весьма большие значения. Свободная поверхностная энергия системы (F) равна произведению
поверхностного натяжения на границе раздела фаз (σ) на общую поверхность
раздела фаз S:
F = σ ⋅ S.
(1)
Согласно второму началу термодинамики, свободная энергия системы
всегда стремится к минимальному значению. Поэтому для коллоидных систем характерны самопроизвольные процессы, которые стремятся уменьшить
свободную энергию. К таким процессам относятся адсорбция и коагуляция.
Коагуляция – это процесс слипания частиц в более крупные агрегаты.
Устойчивость против коагуляции называется агрегатной. Все коллоидные
растворы из–за стремления к коагуляции агрегативно неустойчивы, термодинамически неравновесны.
4
Невоспроизводимость коллоидных систем заключается том, что практически невозможно получить два совершенно одинаковых коллоидных раствора из–за многообразия свойств, характеризующих его.
По степени раздробленности все дисперсные системы делятся на три
основные группы:
− грубодисперсные системы (суспензия, эмульсии) с довольно крупными частицами, условный радиус которых r > 10–5 см;
− коллоидные системы (r = 10–5–10–7 см);
− молекулярные системы (истинные растворы) с радиусом частиц
–7
r < 10 см.
Принципиально любое вещество можно перевести в коллоидное состояние. Для этого необходимо достичь определенной (коллоидной) степени
дисперсности и обеспечить агрегативную устойчивость системы.
В общем случае системы с коллоидной степенью дисперсности называют золями (гидрозоли, аэрозоли – по характеру дисперсионной среды). Золи, в которых дисперсионная среда жидкая, а дисперсная фаза твердая, называются коллоидными растворами.
Поскольку коллоидные растворы занимают промежуточное положение
между грубодисперсными и молекулярными системами, то к их получению
ведут два пути: дробление крупных частиц до нужной степени дисперсности
или объединение молекул в агрегаты коллоидных размеров. В соответствии с
этим существует две группы методов получения коллоидных растворов:
диспергационные и конденсационные.
В основе всех диспергационных методов лежит принцип механического измельчения веществ (в присутствии дисперсионной среды): раздавливание, истирание, расщепление, дробление т.п. Для этого как в лабораторных,
так и в промышленных масштабах пользуются мельницами и дробилками
различных конструкций. Применяется также электрический разряд, ультразвук. Диспергационные методы дают частицы размером r ≈ 10 см.
Частицы меньших размеров получают конденсационными методами, в
основе которых лежит объединение молекул в агрегаты. Конденсационные
методы делятся на физические и химические.
Важнейшие методы физической конденсации:
− конденсация паров;
− метод замены растворителя, основанный на различии растворимости
одного и того же вещества в различных растворителях и получении пересыщенных растворов.
5
Химическая конденсация также основана на пересыщении, но дисперсная фаза появляется не в результате простого укрупнения, слипания частиц, а
в результате химической реакции. Для этого используются реакции гидролиза, двойного обмена и др.:
AgNO3 + HCl = AgCl↓ + HNO3.
Для того, чтобы получить не обычные осадки, а почти прозрачные,
слегка мутноватые золи, необходимо соблюдать особые условия. Эти условия должны быть таковы, чтобы в растворе появлялось одновременно большое количество зародышей кристаллов. И чтобы скорость образования зародышей была намного больше скорости роста кристаллов.
Для большей устойчивости и устранения влияния примесей на свойства
коллоидных растворов их подвергают очистке (от молекул или ионов). Основными методами очистки являются диализ и ультрафильтрация. В этих методах используется свойство полупроницаемых мембран пропускать ионы и
небольшие молекулы, но задерживать более крупные частицы (в данном случае коллоидной степени дисперсности).
Для диализа коллоидный раствор наливается в сосуд, отделенный полупроницаемой перегородкой от другого сосуда, наполненного чистой дисперсионной средой, как показано на рисунке 1.
1
Н2О
2
Н2О
1 – коллоидный раствор; 2 – мембрана
Рисунок 1 – Схема простейшего диализатора
В результате диффузии ионы проходят через мембрану во внешний сосуд. Для ускорения процесса диффузии стремятся увеличить разность концентраций путем смены растворителя во внешнем сосуде.
Ультрафильтрация – это процесс разделения дисперсной фазы и дисперсионной среды путем фильтрования коллоидного раствора через полупроницаемую мембрану. При этом коллоидные частицы остаются на фильтре, а дисперсионная среда, содержащая примеси, переходит в фильтрат.
Ультрафильтрация всегда производится под давлением и по существу является не методом очистки золей, а методом их концентрирования.
От состава дисперсионной среды в очень большой степени зависит агрегативная устойчивость золей. Эта устойчивость обычно означает не термодинамическое равновесие системы, а медленность процесса коагуляции.
6
Коллоидные системы обладают различной агрегативной устойчивостью. Одни из них существуют лишь секунды после их получения, а другие могут
храниться годами.
Замечено, что агрегативная устойчивость золей резко изменяется при
добавлении электролита. Для того, чтобы понять, почему это происходит,
необходимо рассмотреть строение коллоидной частицы – мицеллы.
Мицелла представляет собой сложный комплекс структурно связанных
между собой разнородных частиц.
Удобнее всего рассмотреть ее строение на конкретном примере, например, на золе иодида серебра, полученного при избытке KJ по реакции:
AgNO3 + KJ = AgJ↓ + KNO3.
В результате образования малорастворимого вещества возникает зародыш кристалла, агрегат, состоящий из m молекул иодида серебра,
(m ≈ 102 ÷ 106), представленный на рисунке 2. На его поверхности адсорбируется n ионов J–, находящихся в избытке по сравнению с Ag+.
Ионы J– сообщают агрегату определенный заряд и называются потенциалопределяющими. Так образуется ядро мицеллы, имеющее в данном случае отрицательный заряд. Положительные ионы K+ образуют вокруг ядра
слой противоионов, состоящий из двух частей: более плотного адсорбционного слоя, прочно связанного с ядром мицеллы силами адсорбции и электростатического притяжения, и менее плотного диффузионного слоя противоионов, слабо связанного с гранулой. (Гранулой называется ядро мицеллы вместе с адсорбционным слоем противоионов).
Рисунок 2 – Схематическое изображение строения мицеллы
Для такой системы формула мицеллы запишется так:
7
{1
m[AgJ ]
424
3
агрегат
}
x−
(1
nJ −
n − x )K +
xK +
42
4
43
4
14
4244
3
14243
адсорбцион ный
слой потенциал диффузиорн ный
слой
определяющ их ионов
слой
{1m42
[AgJ43
]nJ (n − x )K }xK
−
+
+
14ядро
4424443
гранула
1444
4244443
мицелла
Гранулу еще называют просто коллоидной частицей. В отличие от
электронейтральной мицеллы гранула всегда имеет заряд (в рассматриваемом случае отрицательный). (Если золь AgJ получен при избытке AgNO3, то
агрегат адсорбирует ионы Ag+, и гранула получает положительный заряд).
Адсорбционный слой противоионов настолько прочно связан с ядром,
что в электрическом поле движется вместе с ним к определенному электроду.
Противоионы же диффузионного слоя относительно свободны и в электрическом поле движутся к противоположно заряженному электроду. Поэтому
граница между гранулой и диффузионным слоем получила название границы
или плоскости скольжения.
Наличие одноименного заряда у гранул препятствует коагуляции коллоидного раствора. Для того, чтобы золь коагулировал, заряд гранулы необходимо уменьшить до определенного для каждой системы значения, названного критическим. Это можно достичь, например, добавлением электролита.
Каждый электролит вызывает коагуляцию того или иного коллоидного
раствора лишь при концентрации, превышающий некоторый минимум. Минимальная концентрация электролита, вызывающая явную и быструю коагуляцию, называется порогом коагуляции (выражается в молях на 1 л коллоидного раствора). Коагулирующая способность электролита связана с валентностью его ионов правилом Шульце–Гарди: чем больше валентность коагулирующего иона, тем больше его коагулирующая сила и меньше порог коагуляции.
Порог коагуляции рассчитывается по уравнению:
γ=
где γ
С
V
W
8
–
–
–
–
C⋅V
,
W+V
порог коагуляции, моль/л;
концентрация раствора электролита, моль/л;
объем раствора электролита, вызвавший коагуляцию, л;
объем золя, л.
(2)
3 Экспериментальная часть
3.1 Работа 1. Получение коллоидных растворов
Цель работы: получение коллоидных растворов различными способами (замена растворителя, химическая конденсация, пептизация), определение
знака заряда гранулы методом капилляризации, очистка золя методом диализа.
3.1.1 Получение золя серы методом физической конденсации
(замена растворителя)
К 50 мл воды добавляют 4–5 мл насыщенного раствора серы в ацетоне). Образуется голубовато–белый золь серы в воде с отрицательно заряженными коллоидными частицами.
3.1.2 Получение золя гидроксида железа (III) методом химической
конденсации (реакция гидролиза)
В конической колбе нагревают до кипения 85 мл дистиллированной
воды. К кипящей воде, отключив электроплитку, приливают по каплям 15 мл
2%–ного раствора FeCl3. После нескольких минут кипячения в результате
гидролиза получается красно–коричневый золь гидроксида железа (III), мицелла которого имеет структуру:
{mFe (OH ) nFeO
3
+
(n − x )Cl− }
x+
xCl.
Частицы образующегося золя имеют положительный заряд, так как поверхностные молекулы агрегата Fe(OH)3 вступают во взаимодействие с соляной кислотой.
При этом идут следующие реакции:
FeCl + 3H2O = Fe(OH)3 + 3HCl;
Fe(OH)3 + HCl = FeOCl + 2H2O;
FeOCl ⇄ FeO+ + C–.
3.1.3 Получение золя берлинской лазури методом пептизации.
К 5 мл 2%–ного раствора FeCl3 прибавляют 1 мл насыщенного раствора K4[Fe(CN)6], отфильтровывают и промывают осадок дистиллированной
водой. При обработке осадка на фильтре 0,1 н щавелевой кислотой (пептизатор) фильтруется золь берлинской лазури. Часто пептизация происходит уже
при промывании.
3.1.4 Определение знака заряда коллоидных частиц методом
капилляризации
На листок фильтровальной бумаги капают исследуемый золь или раствор красителя. После всасывания капли положительно заряженные золи и
9
основные красители дают окрашенное в центре и бесцветное по краям пятно;
отрицательно заряженные золи и кислые красителя дают равномерно до краев окрашенное пятно. Это объясняется тем, что отрицательно заряженные
капилляры фильтровальной бумаги притягивают положительные частицы и
отталкивают отрицательные.
Определяют знак заряда частиц золя гидроксида железа, берлинской
лазури и т.д. и красителей метиленового синего, эозина, флюоресценна и т.д.,
подразделив их на основные и кислые красители.
3.1.5 Диализ коллоидного раствора
Коллоидный раствор, полученный при выполнении работы 1, подвергают очистке методом диализа. Так как при охлаждении равновесие гидролиза смещается влево, диализу подвергают еще горячий золь. Для этого в диализатор наливают горячий золь, погружая его в сосуд с горячей дистиллированной водой. При многократном опускании и поднимании даилизатора в
воде происходит очистка гидрозоля: загрязняющие ионы переходят через
мембрану в оду, а очищенный золь остается в диализаторе. В процессе очистки коллоидного раствора воду во внешнем сосуде меняют несколько раз.
За ходом диализа следят следующим образом: время от времени пипеткой отбирают пробу из внешнего сосуда, переносят ее в пробирку и с помощью капли раствора нитрата серебра устанавливают наличие (или отсутствие) хлорид–иона в промывной воде. Попутно отмечают отсутствие окрашивания воды, так как окрашенные частицы золя (гранулы) через мембрану не
проходят.
Диализ заканчивают, когда качественная реакция на удаляемые ионы
дает отрицательный результат.
3.2 Работа 2. Коагуляция коллоидного раствора
Коагуляции подвергают коллоидный раствор, приготовленный следующим образом: к 20 мл 0,1 н раствора K4[Fe(CN)6] добавляют 140 мл дистиллированной воды; в другом сосуде к 4 мл 0,1 н CuCl2 добавляют 16 мл
дистиллированной воды.
Приготовленные растворы смешивают. В результате реакции обмена
образуется коллоидный раствор гексацианно–(II)–феррата меди.
2CuCl2 + K4[Fe(CN)6] = Cu2[Fe(CN)6] + 4KCl.
Записывают формулу мицеллы этого золя, учитывая, что K4[Fe(CN)6]
взят в избытке.
Коагуляцию полученного золя проводят электролитами с одинаковыми
зарядами анионов, но с разными зарядами катионов (NaCl, BaCl2, FeCl3). Для
этого в три разные колбы наливают по 10 мл золя. Заполняют бюретки растворами: 2 н NaCl; 0,01 н BaCl2; 0,01 н FeCl3. Затем осторожно, по каплям,
10
титруют золь до первых признаков явной коагуляции (помутнение или изменение окраски).
Вычисляют порог коагуляции каждого электролита по уравнению (2),
пересчитав предварительно нормальность каждого раствора на его молярность (С). Затем рассчитывают коагулирующую способность (Р) каждого катиона как величину, обратную порогу коагуляции:
1
P= .
γ
Результаты заносят в таблицу.
Таблица 1 – Результаты расчета
Электролит V, мл Н, г–экв/л
NaCl
BaCl2
FeCl3
С, моль/л
γ, моль/л
Р = 1/γ
lnP
Z
Примечание - Z – валентность коагулирующего иона
Полученные результаты изображают графически, откладывая по оси
абсцисс значения Z, а по оси ординат значения величины lnP.
В заключении делают вывод о зависимости коагулирующей способности иона от величины его заряда.
Рекомендуемая литература
1 Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1975. – С. 9–20,
255–260, 286–295.
11