Получение и очистка коллоидных растворов. Коагуляция золей

Министерство здравоохранения и социального развития России
ГОУ ВПО «Иркутский государственный медицинский университет
Минздравсоцразвития России»
Кафедра бионеорганической и биоорганической химии
Романовская В.Г., Колесниченко Л.С.
Методические рекомендации к лабораторным занятиям
по бионеорганической химии
для студентов лечебного, педиатрического, медикопрофилактического, стоматологического факультетов
Получение и очистка коллоидных растворов. Коагуляция
золей при добавлении электролитов
Иркутск – 2010
Получение и очистка коллоидных растворов
Теоретическая часть
Системы: раз, жидкости, растворы, состоят из молекул или ионов. Эти
системы называются молекулярными или истинными системами. Наряду с
ними существуют системы с частицами, образованными большим числом
молекул. Системы, у которых вещество раздроблено до частиц размером от 10-7
м до 10-9 м или от 100 нм до 1 нм, находящихся в какой-либо среде (ж, т, г) во
взвешенном состоянии, называются коллоидными или дисперсными.
В коллоидно-дисперсной системе раздробленное вещество называется
дисперсной фазой. Среда, в которой эти частицы взвешены, называется
дисперсионной средой. Дисперсная фаза нерастворима в дисперсионной среде
и отделена от дисперсионной среды поверхностью раздела. Поэтому
коллоидно-дисперсные системы являются гетерогенными, состоящими из двух
или большего числа фаз в отличие от истинных, молекулярных систем.
Молекулярные системы однородные, гомогенные.
При дроблении вещества резко увеличивается поверхность раздела фаз.
Любая поверхность раздела имеет избыток свободной поверхностной энергии и
поэтому при дроблении вещества возрастает запас энергии в системе. Любая
система, имеющая избыток энергии является термодинамически неустойчивой.
По второму закону термодинамики система, имеющая избыток энергии
стремится уменьшить запас энергии и в коллоидно-дисперсных системах это
происходит за счет самопроизвольного слипания частиц, т.е. коагуляции. При
коагуляции частицы укрупняются, объединяясь в агрегаты, т.е. коллоиднодисперсная система теряет устойчивость. Укрупнение коллоидных частиц за
счет их слипания приводит к полному разрушению системы на две фазы и
выпадению частиц всей дисперсной фазы в осадок.
Для получения устойчивой коллоидной системы необходимо соблюдать
три обязательных условия:
1-условие. Вещество дисперсной фазы не должно растворяться в
дисперсионной среде.
2-условие. Необходимо присутствие стабилизатора.
Стабилизаторами могут быть избытки реагентов, из которых получен золь,
продукты реакции при получении золя, примеси и специально вводимые
вещества, ионы или молекулы которых могут адсорбироваться на поверхности
частиц, придавая им устойчивость.
3-условие. Каким-либо путем достигнуть коллоидной степени
дисперсности. Дисперсность - раздробленность.
Системы, имеющие коллоидную степень дисперсности называются золями,
т.е. коллоидный раствор - золь.
К коллоидной степени дисперсности вещества можно подойти двумя
путями: путем дробления крупных частиц до размера коллоидных –
2
диспергационными методы или путем объединения атомов, молекул или
ионов до размера коллоидных частиц - конденсационные методы
Коллоидное состояние вещества
(размер частиц в пределах от 10-7 м до 10-9 м)
Дисперсионные методы
Механическое диспергирование
вещества проводят в специальных
промышленных и лабораторных
устройствах ( шаровых, коллоидных
мельницах ). Высокой дисперсности
можно достичь ультразвуковым диспергированием.
Конденсационные методы
Физические методы
Конденсация пара
вещества в какой-либо
среде; метод замены растворителя
Химические методы
Проведение химических
реакций:
восстановления,
окисления, гидролиза,
двойного обмена
Значение темы
Дисперсные системы широко распространены в природе. Природными
дисперсными системами являются почва, облака, туман, пыль. Продукты
питания (хлеб, молоко, мясо, масло, маргарин и др.), текстильные ткани,
искусственные волокна, каучук, резина, лекарственные формы представляют
собой разнообразные дисперсные системы. Дисперсными являются все живые
системы. Мышечные и нервные клетки, волокна, гены, вирусы, протоплазма,
все это - высокодисперсные образования. В крови, лимфе, спинно-мозговой
жидкости находится в коллоидном состоянии ряд веществ, например, липиды.
Особый интерес представляет в настоящее время разработка моделей
клеток, живых мембран, нервных волокон. Примером сочетания диализа и
ультрафильтрации является аппарат "искусственная почка".
Перечень вопросов и задач для самоподготовки к занятию
1.
2.
3.
4.
5.
Корда вещество находится в коллоидном состоянии?
Какие системы называются дисперсными?
Что такое дисперсная фаза и диперсионная среда?
Что понимают под коллоидными растворами?
Каковы основные свойства коллоидных растворов, в чем их отличие от
истинных растворов? объясните возникновение конуса Фарадея-Тиндаля.
6. Перечислить основные условия, необходимые для получения коллоидных
растворов.
7. Почему при получении коллоидных растворов необходимо присутствие
стабилизатора?
8. Назовите основные методы получения лиофобных золей.
3
9. К какому методу диспергационному или конденсационному следует отнести
образование тумана в природе?
10. В чем суть конденсационного получения золей? Приведите примеры
получения золей методами физической и химической конденсации.
11. Сущность метода пептизации.
12. Можно ли реакцией двойного обмена получить устойчивый золь, если
реагенты взять в строго эквивалентных количествах. Ответ поясните.
13. Научиться писать мицеллы Полученных золей
14. Что такое диализ, и для каких целей он применяется? Как устроен
простейший диализатор? От каких факторов зависит скорость диализа?
15. Опишите принцип ультрафильтрации. Применение ультрафильтрации в
медико-биологических исследованиях.
16. От каких примесей можно очистить коллоидные растворы посредством
электродиализа?
17. Объясните сущность капиллярного метода определения заряда
коллоидных частиц.
ЗАДАЧИ
1. Золь сульфата бария получен при сливании 10 см3 раствора BaCl2 с С(1/2
ВаС12) = 0,015 моль/дм3 и 40 см3 раствора K2SO4 с С(1/2 K2SO4) «= 0,002
моль/дм3. Написать формулу мицеллы золя и определить знак заряда его
частиц.
2. Какой объем раствора нитрата серебра с концентрацией 0,005 моль/дм3
надо прибавить к 20 см3 раствора иодида калия с концентрацией 0,015
моль/дм3, чтобы получить положительный золь иодида серебра? Написать
формулу мицеллы.
3. Золь гидроксида железа Fe(OH)3 получен при добавлении к 85 см3 кипящей
дистиллированной воды 15 см3 раствора хлорида железа с массовой долей
2%. При этом хлорид железа частично подвергается гидролизу:
FeCl3 + 3H2O ↔ Fe (ОН)3+ 3HC1
Написать формулу мицеллы золя Fe (ОН)3, учитывая, что при образовании
частиц гидроксида железа в растворе присутствовали следующие ионы:
FeO+, Н+, С1-.
Обучающая задача и эталон ее решения
Задача. Для получения золя иодида серебра смешали 15 см3 раствора иодида
калия с концентрацией 0,025 моль/дм3 и 85 см3 раствора нитрата
серебра с концентрацией 0,005 моль/дм3. Написать строение мицеллы
полученного золя.
Решение
4
Согласно мицелярной теории лиофобный золь состоит из двух частей:
мицеллы и межмицеллярной жидкости - среды. Мицелла - это сложное
образование, которое состоит из внутренней и внешней части, внутренняя часть
мицеллы - это агрегат из большого числа молекул трудно растворимого
вещества, окруженного ДЭС (двойной электрический слой). ДЭС - это внешняя
часть мицеллы.
Между веществами, указанными в условии задачи, протекает реакция:
KI + AgNO3→ AgI + KNO3
Находим содержание молей KI в 15 см3 раствора.
n(КI) = 0,015 дм3 . 0,025 моль/дм3 = 0,000375 моль = 0,375 ммоль = 375 μмоль.
Определяем содержание молей AgNO3 в 85 см3 раствора. n(AgNO3) = 0,085 дм3 .
0,005 моль/дм3 = 0,000425 моль = 0,425 ммоль = 425 μмоль.
Расчеты показывают, что в растворе избыток AgNO3. Следовательно AgNO3 в
данном случае будет стабилизатором.
Центром мицеллы является кристаллический агрегат, состоящий из m
молекул вещества AgI, плохо растворимого в данной среде. Нерастворимый
агрегат m(AgI) мицеллы окружен ионами ДЭС. Ионы эти получаются при
диссоциации стабилизатора. В данном случае AgNO3: AgNO3 = Ag+ + NO3-.
Согласно правила избирательной адсорбции Пескова-Фаянса на агрегате
адсорбируется n ионов Ag+, которые входят в состав кристаллической решетки
AgI.
Ионы
Аg+
сообщают
заряд
агрегату
и
называются
потенциалопределяюшими
ионами.
Агрегат
вместе
с
+
потенциалопределяюшими ионами образует ядро: m[AgI]∙nAg .
Заряд ядра компенсируется эквивалентным зарядом противоположно
заряженных ионов - противоионов, в данном случае NO3- (количество
противоионов токе равно n). Часть противоионов прочно связана с ядром и
находится непосредственно у поверхности ядра. Эти противоионы помимо
электростатических сил испытывают силы адсорбционного притяжения
поверхности и называются противоионами адсорбционного слоя, их число
равно (n-x). Остальная часть противоионов, число которых равна
x.
расположена диффузно относительно поверхности и составляет диффузный
слой.
Таким образом, формулу мицеллы иодида серебра, полученного при
избытке AgNO3 можно записать следующим образом:
{m [AgI] ∙ nAg+ ∙ (n-x) NO3-)}+x xNO3агрегат
ядро
частица
мицелла
Примечание: потенциалопределяжщие ионы и противоионы записываются с
учетом стехеометрических коэффициентов.
Например, формула мицеллы золя сульфата
5
бария,
полученного при
сливании Na2SO4 и ВаС12 в избытке сульфата натрия записывается:
{m [BaSO4] ∙ nSO42- ∙ (n-x) Na+)}-2x 2xNa+,
а в избытке хлорида бария: {m [BaSO4] ∙ nBa2+ ∙ 2(n-x) Cl-)}+2x 2xClПосле изучения темы студент должен знать:
- что такое коллоидное состояние вещества;
- коллоидный раствор;
- методы получения коллоидных растворов;
- свойства коллоидных растворов;
- определение заряда коллоидных частиц;
- что кровь человека коллоидно-дисперсная система;
- мицелярную теорию строение лиофобных золей;
- писать мицеллы золей;
- методы очистки коллоидных растворов от ионов электролитов;
- что метод диализа лежит в основе работы «искусственной почки».
Лабораторная работа
Получение и очистка коллоидных растворов
Цель работы: научиться получать коллоидные растворы различными
методами, отличать их от истинных растворов и
грубодисперсных систем, а также очищать от примесей
низкомолекулярных веществ. Научиться писать мицеллы.
Ход работы
Физическая конденсация
Метод замены растворители
Многие золи можно получать приливанием какого-либо растворителя к
истинному раствору вещества в другом растворителе. Если растворенное
вещество плохо растворяется в добавленном растворителе, а растворители
смешиваются между собой, то при таком приливании растворителя к раствору
растворенное вещество выпадает из раствора и образует золь.
ЗАДАНИЕ 1. Получить гидрозоль канифоли методом замены
растворителя
В пробирку налить приблизительно 5 см3 (мл) дистиллированной воды и
добавить по каплям (5 капель) спиртового раствора канифоли, смесь энергично
перемешать и затем нагреть до кипения для удаления избытка спирта. (При
нагревании открытый конец пробирки должен быть обращен в сторону от
работающего и от соседей по столу). Записать, что наблюдается.
6
Химические методы конденсации
ЗАДАНИЕ 2. Получить золь серы по реакции окисления
В пробирку к 5 мл раствора Na2S2О3 с
молярной
концентрацией
3
эквивалента 0,005 моль/дм прилить 0,5 мл раствора H2SO4 с молярной
концентрацией эквивалента 2 моль/л; раствор слабо нагреть на спиртовке и
дать постоять. Через некоторое время посмотреть образовавшийся золь.
Уравнение реакции: Na2S2O3 + H2SO4→ S + SO2 + Na2SO4 + H2O
Что является стабилизатором в данном случае при получении золя серы?
Написать строение мицеллы полученного золя серы.
ЗАДАНИЕ 3. Получить золь гидроксида железа по реакции гидролиза
В пробирку налить 10 мл дистиллированной
воды
и
нагреть на
спиртовке до кипения. В кипящую воду добавить 1-2 мл раствора FeCl3
W(FеС13) = 2% Полученный золь гидроксида железа имеет красно-коричневый
цвет.
Реакции: FeCl3 + 3H2O → Fe(OH)3 + 3HCl
Fe(OH)3 + HCl → FeOCl +2H2O
FeOCl → FeO+ + ClСтабилизатором в данном случае является FeOCl.
Написать строение мицеллы полученного золя.
ЗАДАНИЕ 4. Получить гидрозоль серебра по реакции восстановления
В пробирку налить 10 мл дистиллированной воды, добавить 10 капель
раствора AgNO3 с молярной концентрацией эквивалента 0,01 моль/дм3 и 15
капель раствора Na2CO3 с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/дм3,
полученный раствор нагреть до кипения и по каплям с интервалом в 1 минуту
добавить раствор танина (C75H52O46) с массовой долей равной 0,1% до
появления устойчивой желтой окраски.
Реакции: AgNO3 + Na2CO3 → NaAgO + NaNO3 + CO2
6NaAgO + C75H52O46 + 3H2O → 6Ag + C75H52O49 + 6NaOH
золь
NaAgO = Na+ + AgOСтабилизатором в данном случае является NaAgO.
7
NaAgO = Na+ + Ago+
Написать строение мицеллы золя серебра.
ЗАДАНИЕ 5. Получить золь иодида серебра по реакции двойного обмана
В пробирку налить 10 мл раствора KI с молярной концентрацией
эквивалента 0,002 моль/дм3 и прибавить 1 мл раствора AgNO3 с молярной
концентрацией эквивалента 0,01 моль/дм3.
Реакция: AgNO3 + KI → AgI + KNO3
золь
Что является стабилизатором в данном случае?
Написать строение мицеллы золя AgI.
ЗАДАНИЕ 6. Реакцией двойного обмена подучить два гидрозоля
берлинской лазури при различных условиях
Смещать в двух пробирках заранее отмеренные растворы хлорида
железа FeCl3 и гексацианоферрата (П)
калия K4[Fe(CN)6] с
одинаковой молярной концентрацией эквивалента равной 0,005 моль/дм3 в
следующих соотношениях:
Таблица
№ пробирки
первая
вторая
V (FeCl3), cm3
1
3
V (K3[Fe(CN)6]), cm3
3
1
Уравнение реакции: FeCl3 + K4[Fe(CN)6] → KFe[Fe(CN)6] + 3KCl
золь
Что является стабилизатором для 1-го и 2-го золя?
Напишите формулы мицелл 1-го и 2-го золя. (Золи сохранить для
следующего опыта).
ЗАДАНИЕ 7. Определить знак заряда коллоидных капиллярным методом
золей полученных в задании 6
Сущность капиллярного катода
Метод основан на том, что целлюлозные стенки капилляров
фильтровальной бумаги заряжаются отрицательно, а пропитывающая бумагу
вода - положительно. Если на лист фильтровальной бумаги нанести каплю
золя, то после растекания капли золь с положительно заряженными частицами
адсорбируется на бумаге и дает окрашенное в центре и бесцветное по краям
пятно, золь с отрицательно заряженными частицами не адсорбируется бумагой
и образует равномерно окрашенное пятно.
8
Определить знак заряда частиц золей берлинской
методом, полученных в предыдущем опыте.
лазури капиллярным
ЗАДАНИЕ 8. Очистка коллоидных растворов
При получении коллоидных растворов нельзя избежать попадания в этот
раствор посторонних электролитов, присутствие которых сильно снижает
устойчивость золя. Для отделения этих электролитов пользуются различием в
размерах коллоидных частиц и ионов. Коллоидные частицы не проходят через поры некоторых мембран (коллодий, животный пузырь, пергамент,
целлофан), но через которые легко проходят ионы электролитов.
Если горячий красно-бурый золь Fe(OH)3 с примесями электролитов
налить в коллодиевый мешочек (полупроницаемая мембрана), а мешочек
поместить в стаканчик с чистой водой, то ионы электролитов будут
диффундировать через поры мембраны в воду, а золь, таким образом, будет
очищаться от примесей электролита. Такой процесс называется диализом.
Через 10-20 минут можно отметить отсутствие окрашивания воды в стаканчике и установить наличие ионов С1- в воде с помощь раствора нитрата
серебра AgNО3.(Рис.)
AgNO3 + Cl- → AgCl↓ + NO3-
Fe(OH)3 золь
Cl-
Рис.
Почему в опыте используется горячий золь Fe(OH)3?
Выводы по проделанной работе.
9
Тесты исходного уровня знаний
По теме: Получение и очистка коллоидных растворов
1. Вещество находится в коллоидном состоянии, когда размер частиц
а) от 10-5 до 10-8 м
б) от 10-3 до 10-5 м
в) от 10-7 до 10-9 м
г) от 10-6 до 10-7 м
2. Коллоидная система:
а) гомогенная
б) многокомпонентная
в) гетерогенная
г) однокомпонентная
3. Как можно отличить коллоидный раствор от истинного – молекулярного
а) охлаждением растворов
б) фильтрованием растворов через бумажный фильтр
в) пропуская пучок света через раствор
г) перемешиванием растворов
4. При получении коллоидного раствора методом химической конденсации
должно образоваться:
а) вода
б) трудно растворимые вещества
в) выделиться газообразный продукт
г) хорошо растворимые вещества
5. Почему необходим стабилизатор при получении коллоидных растворовзолей:
а) чтобы не изменилась окраска
б) чтобы коллоидные частицы не слипались
в) чтобы коллоидные частицы сохраняли размер
г) чтобы коллоидные частицы изменили заряд на противоположный
6. Согласно мицелярной теории строения лиофобных гелей мицелла:
а) положительна
б) отрицательна
в) нейтральна
г) подвижна в электрическом поле
7. Заряд на поверхности коллоидной частиц появляется:
а) при пропускании электрического тока
б) при добавлении раствора неэлектролита
в) при адсорбции какого-либо иона стабилизатора из раствора
10
г) при добавлении раствора электролита
8. Какова формула мицеллы золя, если для его получения взяты серная
кислота и избыток хлорида бария:
а) {m [BaSO4] ∙ nSO42- ∙ 2(n-x) Н+)}-2x 2xН+,
б) {m [BaSO4] ∙ nBa2+ ∙ (n-x) Cl-)}+2x xClв) {m [BaSO4] ∙ nBa2+ ∙ 2(n-x) Cl-)}+2x 2xClг) {m [BaSO4] ∙ nН+ ∙ (n-x) SO42-)}+x xSO42-,
9. Если золь положительный, какая часть мицеллы будет перемещаться к
отрицательному электроду:
а) диффузионный слой
б) агрегат мицеллы
в) ядро мицеллы
г) частица с плотным слоем
10. Какой способ очистки золей лежит в основе работы аппарата
«искусственная почка»:
а) фильтрование золя через бумажный фильтр
б) электрофорез
в) электроосмос
г) фильтрованием золя через полупроницаемые мембраны
Итоговый контроль
Написание формул мицеллы полученных золей при выполнении лабораторной
работы.
11
Коагуляция коллоидных растворов
Теоретическая часть
Процесс слипания коллоидных частиц, образование более крупных
агрегатов с потерей седиментационной устойчивости золя и последующим
разделением фаз называется коагуляцией.
Коагуляция может быть вызвана различными факторами: механическим
{удар, встряхивание, перемешивание), действием различных видов энергии
(лучистой, электрической, магнитного поля), изменением температуры,
добавлением электролитов.
Различают явную и скрытую коагуляцию. Скрытая предшествует явной.
Скрытая коагуляция - когда идет процесс слипания частиц, но видимых
изменений в золе не наблюдается.
Явная коагуляция - когда идет процесс слипания частиц и видны
изменения в золе невооруженным глазом (появляется помутнение, осадок,
может измениться цвет золя).
Коагуляция золей при добавлении электролитов получила название
электролитной коагуляции.
Многочисленные наблюдения коагуляции лиофобных золей при
добавлении электролитов позволили сделать ряд выводов, которые получили
название правил коагуляции.
1. Каждый электролит вызывает коагуляцию золя в пороговой
концентрации.
Пороговая концентрация (Спорог) или порог коагуляции - это
минимальная концентрация электролита, при которой начинается (явная) за
короткий промежуток времени коагуляция золя.
Пороговую концентрацию можно вычислить по уравнению:
С
V ( эл  та )
3
( эл  та )
Спорог  V ( сумарный
объем золя )  1000 ммоль / дм , где
С(эл-та) - концентрация добавленного электролита, моль/дм3;
V(эл-та) - наименьший объем раствора электролита, достаточный для
начала коагуляции, см3;
V - суммарный объем золя (золь + вода + электролит), см3;
1000 - переводной множитель для выражения Спорог в ммоль/дм3.
Величина, обратная порогу коагуляции называется коагулирующая
способность (К.С.). К.С. = 1/Спорог
12
2. Правило Шульца-Гарди
В 1900 г Гарди показал, что все электролиты вызывают коагуляцию золей,
но коагулирующим действием обладает тот ион электролита, который имеет
заряд, противоположный заряду частицы золя.
Например, золь AgI с положительно заряженными частицами. Если к этому
золю добавить электролит КС1, то коагуляцию будут вызывать отрицательные
ионы хлора (ион хлора - ион коагулятор).
Чем выше величина заряда иона-коагулятора, тем больше его
коагулирующая способность. Например, коагулирующая способность Fe3+ >
Ba2+ > К+. Коагулирующая способность иона пропорциональна некоторой
высокой степени его заряда (правило Шульце).
Если к золю добавить электролит в пороговой концентрации, то
произойдет коагуляция. Но если к золю перед добавлением электролита в
пороговой добавить ВМС (высокомолекулярное соединение), то коагуляции
золя не наблюдается. Таким образом, ВМС является стабилизатором защищает золь от коагуляции. Это явление получило название колодной
защиты, количественной характеристикой которой является защитное число.
Защитное ВMС в мг. Которая защищает 10 мл зола от коагуляции при
добавлении электролитов в пороговой концентрации.
Значение темы
Для биологов и медиков представляет большой интерес изучение
процессов коагуляции и пептизации.
Механизм коагуляции имеет значение в заключительном этапе выпадения
фибрина (свертывание крови) и возможно при образовании камней.
В основе процесса растворения тромба лежит явление пептизации. В
гигиене и санитарии применяют коагуляцию для очистки питьевых и сточных
вод.
ЭТАЛОНЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача 1.
Пороги коагуляции электролитов для некоторого золя равны:
Cпорог (СaCl2) = 0,3 моль/дм3,
Cпорог(Na2SO4) = 0,029 моль/дм3. Какой по
знаку заряд несут частицы золя?
Решение.
Порог коагуляции у электролита Na2SO4 меньше, чем СаС12, а
коагулирующая способность соответственно больше. По правилу Гарди
коагулирующая способность электролита тем больше, чем выше заряд
коагулирующего иона. Значит, коагулирующими ионами являются аниона.
Следовательно, частицы золя заряжены положительно.
13
Задача 2.
Золь иодида серебра, полученный по реакции:KI + AgNО3 = AgI + KNO3
при некотором избытке KI, коагулируют растворами сульфата натрия и
ацетата кальция. У какого электролита коагулирующая способность
больше?
Решение
Так как стабилизатором золя является
KI,
то мицелла имеет
+ -x ∙
+
строение:
{m[AgI]∙nI (п-х)К } хK ;
частицы
золя заряжены
отрицательно. Следовательно,
коагулирующими
ионами являются
2+
катионы электролитов. Так как заряд иона Са выше заряда иона
Na+, то коагулирующая
способность
ацетата кальция больше, чем
сульфата натрия.
Задача 3
в трех колбах находится по 100 см3 золя Fe(OH)3. Чтобы вызвать
коагуляцию золя потребовалось добавить в первую колбу 10,5 см3 раствора с
молярной концентрацией эквивалента КС1 1 моль/л, во вторую 62,5 см3
раствора с молярной концентрацией эквивалента Na2SO4 0,01 моль/дм3, в
третью 37 см3 раствора с молярной концентрацией эквивалента Na3PO4 0,001
моль/дм3. Вычислить порог коагуляции каждого электролита и определить
знак заряда частиц золя.
Решение.
Вычисляем порог коагуляции для каждого электролита по
уравнению:
С
V ( эл  та )
3
( эл  та )
Спорог  V ( сумарный
объем золя )  1000 ммоль / дм
3
3
3
3
/ дм 10, 5 см
Спорог ( KCl )  1моль

1000
ммоль
/
дм

95
ммоль
/
дм
3
(10010, 5) см
Спорог ( Na2SO4 ) 
0 , 01 моль / дм3 62, 5см3
(10062 , 5) см3
1000 ммоль / дм3  3,8 ммоль / дм3
Спорог ( Na3PO4 ) 
0, 001 моль / дм3 37 см3
(10037 ) см3
1000 ммоль / дм3  0,27 ммоль / дм3
Электролиты КС1, Na2SO4, Na3PO4 содержат катионы одинакового заряда,
а анионы - разного заряда. Расчет порогов
коагуляции показал, что
2ионами-коагуляторами являются анионы С1 , SO , PO43-. Чем выше заряд
иона-коагулятора,
тем меньше порог коагуляции. Самый наименьший
порог коагуляции и максимальная коагулирующая способность у ионов
РО43-. Следовательно, частицы золя Fe(OH)3 заряжены положительно (по
правилу Шульце-Гарди).
14
Перечень вопросов и задач для самостоятельной подготовки к занятию
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Какое явление называется коагуляцией?
Какие факторы вызывают коагуляцию лиофобных золей?
Скрытая и явная коагуляция
Воздействием, каких факторов можно вызвать коагуляцию лиофобных
золей.
Что называется порогом коагуляции? В каких единицах выражается
его величина?
От каких факторов зависит коагулирующая способность электролита?
Правила электролитной коагуляции
Явление коллоидной защиты.
После изучения темы студент должен знать:
- какой процесс называется коагуляцией;
- чем завершается процесс коагуляции
- воздействие, каких факторов может вызвать коагуляцию золей;
- какие стадии коагуляции, чем они отличаются;
- что называется порогом коагуляции;
- правила электролитной коагуляции;
- что такое порог коагуляции и как определить порог коагуляции;
- как определить величину коагулирующей способности электролита;
- что такое коллоидная защита;
- какие вещества в крови обуславливают коллоидную защиту.
Лабораторная работа
Изучение коагуляции
Цель работы: научиться определять порог коагуляции золей, определять
коагулирующую способность электролитов и выявить ее
зависимость от знака и величины заряда иона-коагулятора.
Ход работы
Расположить пробирки в штативе в три ряда по 7 штук в каждом. Пробирки
заполнить растворами в соотношениях, указанных в таблице 1.
Золь Fe(OH)3 положительный, т.е. частицы в золе имеют положительный
заряд.
Через 10 минут отметить, в каких пробирках появилось помутнение или осадок.
Знаком "+" отметить помутнение, т.е. коагуляцию, а знаком отсутствие
коагуляции. Результаты наблюдений занести в таблицу 1.
15
Таблица 1
№ пробирки
1-ряд Объем золя Fe(OH)3, cm3
Объем раствора KCl, cm3 (конц. 2 моль/л)
Объем воды, cm3
Помутнение (+) отсутствие (-)
2-ряд Объем золя Fe(OH)3, cm3
Объем раствора K2SO4 , cm3 (конц. 0, 002 моль/л)
Объем воды, cm3
Помутнение (+) отсутствие (-)
3-ряд Объем золя Fe(OH)3, cm3
Объем раствора K3[Fe(CN)6] , cm3 (конц. 0,0002
моль/л)
Объем воды, cm3
Помутнение (+) отсутствие (-)
1
5
5
0
2
5
4
1
3
5
3
2
4
5
2
3
5
5
1
4
6
5
0,5
4,5
7
5
0,3
4,7
5
5
0
5
4
1
5
3
2
5
2
3
5
1
4
5
0,5
4,5
5
0,3
4,7
5
5
5
4
5
3
5
2
5
1
5
0,5
5
0,3
0
1
2
3
4
4,5
4,7
Используя результаты таблицы 1, найти наименьший объем электролита,
который вызвал коагуляцию золя в каждом ряду. Результаты занести в
таблицу2.
Рассчитать порог коагуляции золя Fe(OH)3 , для каждого электролита,
используя уравнение:
Ñïîðîã 
Ñ ( ýëåêòðîëèò à )
ìîëü
ë
 V ( ýëåêòðîëèò à ) ñì
V ( çîëÿ ) ñì
3
3
 1000 ììîëü
/ äì 3 ,
где С(электролита) – молярная концентрация раствора электролита, моль/дм3;
V(электролита) – наименьший объем раствора электролита, вызывающий
коагуляцию данного золя, см3;
V(золя) – суммарный объем золя (золь + вода + электролит) см3.
Рассчитать коагулирующую способность
относительно золя Fe(OH)3 по уравнению:
ê.ñ. 
(К.С.)
каждого
электролита
1
Ñ ïîðîã
дм3/моль
Результаты расчета занести в таблицу 2
Таблица 2
Золь
Электролит
Fe(OH)3
Fe(OH)3
Fe(OH)3
KCl
K2SO4
K3[Fe(CN)6]
ИонНаименьший объем
коагулятор
электролита
вызывающий
коагуляцию
Исходя из результатов работы сделать выводы.
16
Порог
Коагулирующая
коагуляции
способность
Тесты исходного уровня знаний
По теме: Коагуляция коллоидных растворов
1. Будет ли наблюдаться коагуляция в золе, если к нему добавить:
а) раствор белка
б) раствор глюкозы
в) раствор электролита
г) раствор неэлектролита
2. Будут ли наблюдаться видимые изменения в золе, если добавить раствор
хлорида калия с концентрацией:
а) 0,1 моль/дм3
б) 1 моль/дм3
в) пороговой
г) менее пороговой
3. При коагуляции в золе:
а) уменьшается размер частиц
б) увеличивается заряд на поверхности частиц
в) уменьшается заряд на поверхности частиц
г) увеличивается размер частиц
4. У какого из растворов пороговая концентрация меньше относительно
крови – как коллоидно-дисперсной системы:
а) хлорид натрия (физиологического)
б) хлорид кальция
в) хлорид магния
г) хлорид железа (III)
5. Будут ли наблюдаться коагуляция в золе, если перед добавлением
электролита в пороговой концентрации добавить ВМВ
а) коагуляция
б) нет коагуляции
в) частицы оседают
г) частицы всплывают
6. При каком критическом значении электрокинетического потенциала в
коллоидных системах наступает коагуляция:
а) 3 мВ
б) 0,3 мВ
в) 30мВ
г) 300 мВ
17
7. Золь получен по реакции: AgNO3 + KI → AgI + KNO3
избыток
золь
Какой ион добавленного раствора может вызвать коагуляцию:
а) Mg+2
б) Ca+2
в) Clг) Au+1
Итоговый контроль
БИЛЕТ 1
Написать формулу мицеллы золя Fe(0H)3 стабилизированного избытком FeCl3.
В три пробирки налит положительный золь Fe(OH)3. Коагуляция наступила
после добавления в первую пробирку NaCl, во вторую Na2S04 и в третью
Na3РО4. Будут ли одинаковы пороги коагуляции электролитов? Дать
объяснение.
БИЛЕТ 2
Коллоидный раствор получен в результате реакции обмена при смешивании
равных объемов растворов: AgN03 с концентрацией 0,001 моль/л и KI с
концентрацией 0,008 моль/л. Написать формулу мицеллы полученного золя.
Какой из двух электролитов А1С13 или КС1 будет иметь меньший порог
коагуляции относительно полученного золя? Дать объяснение.
БИЛЕТ 3
Коллоидный раствор получен в результате реакции обмена при смешении
равных объемов растворов: H2S с концентрацией 0,0001 моль/л и Вi(ОH)3 с
концентрацией 0,002 моль/л. Написать формулу мицеллы полученного золя.
H2S = Н+ + HS-.
Определить какой из двух электролитов K2S04 или ВаС12 будет иметь меньший
порог коагуляции относительно полученного золя? Дать объяснение.
БИЛЕТ 4
При длительном стоянии сероводородной воды в результате окисления
сероводорода (H2S) кислородом воздуха образуется коллоидная сера.
Написать формулу мицеллы золя серы. Определить знак заряда частиц. H2S =
H+ + HS-.
Какой из двух электролитов K2SO4 или К3РО4 будет иметь меньший порог
коагуляции относительно полученного золя серы? Дать объяснение.
БИЛЕТ 5
Получен золь Si02 стабилизированный Н2SiO3.
Н2SiO3 = Н+ + HSiO318
Написать формулу мицеллы полученного золя.
Какого электролита из двух: MgCl2 или Na2SO4 нужно добавить к полученному
золю в меньшем количестве, чтобы произошла его коагуляция? Дать
объяснение.
19
Литература
1. Конспекты лекций.
2. Ю.А. Ершов, В.А. Попков и др. Общая химия, Биофизическая
химия. Химия биогенных элементов. – М.: Высшая школа, 1993.
3. Ю.Г. Фролов. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1982.
4. В.Н. Захарченко, Коллоидная химия. – М.: «Высшая школа» 1989.
5. В.А. Попков, С.А. Пузаков Общая химия, - М.: 2007.
20