2.Цель: Научиться получать коллоидные растворы и знать свойства золей. Научиться определять электрокинетический потенциал частиц золя методом электрофореза.

3.Задачи обучения:

Коллоидная химия изучает физико-химические свойства гетерогенных высокомолекулярных соединений в твердом состоянии и в растворах. Многие лекарственные препараты выпускают в форме эмульсии, суспензии, коллоидных растворов. Умение приготовить эти препараты, знать сроки годности и условия хранения их невозможно без знания теоретических основ коллоидной химии. Знание электрофореза, гельфильтрации и электродиализа, ультрафильтрации будет нужно непосредственно в практической работе фармацевта.

4.Основные вопросы темы:

1. Предмет коллоидной химии, ее значение в фармации.

2. Дисперсные системы. Дисперсная фаза и дисперсионная среда.

3. Классификация коллоидных систем.

4. Методы получения коллоидных систем.

5. Методы очистки коллоидных систем.

6. Оптические свойства коллоидных систем.

7. Что называется электрокинетическим потенциалом.

8. От каких факторов зависит величина потенциала.

9. Какие существуют методы определения потенциала.

10. Что такое электрофорез.

11. Как связаны электрофоретическая скорость и потенциал.

5. Методы обучения и преподавания: семинар, лабораторная работа, работа в малых группах, обучающее тестирование по теме занятия.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Лабораторная работа: «Получение коллоидных растворов».

Применяемые реактивы и растворы:

Исходные реактивы для получения коллоидных систем:

FeCl 3 , AgNO 3 , KI – 0,1н.

K 4 – 0,1 н;

K 4 – насыщенный раствор;

Насыщенный раствор серы в спирте:

Na 2 S 2 O 3 – 1%

H 2 C 2 O 4 – 1%

Применяемые приборы и оборудование:

1. Конические колбы

2. Штатив с пробирками

3. Цилиндры мерные на 50 и 100 мл.

Последовательность выполнения работы:

Опыт № 1: Получение гидрозоли серы и канифоли методом замены растворителя.

Канифоль и сера растворяются в этиловом спирте с образованием истинных растворов. Т.к. в воде сера и канифоль практически нерастворимы, то при добавлении их спиртовых растворов к воде происходит конденсация их молекул в более крупные агрегаты.

Описание опыта.

Насыщенный раствор серы в абсолютном спирте приливают по каплям в дистиллированную воду. При взбалтывании получается молочно-белый опалесцирующий золь.

Получение золя гидрата окиси железа методом гидролиза.

В пробирку с кипящей водой добавляют по каплям 2%-ный раствор хлорида железа до образования прозрачного красно-бурого золя гидрата окиси железа.

Сущность реакции.

Под действием высокой температуры реакция гидролиза хлорного железа сдвигается в сторону образования гидроокиси железа:

FeCl 3 + 3H 2 O Fe(OH) 3 + 3HCl

Молекулы нерастворимого в воде гидрата окиси железа образуют агрегаты коллоидных размеров. Устойчивость эти агрегатам придает хлорное железо, имеющееся в растворе, причем ионы железа адсорбируются на поверхности частиц, а ионы хлора являются противоионами.

Строение получившихся мицелл схематически выражается следующей формулой:

Опыт № 2. Получение золя двуокиси марганца.

Получение золя двуокиси марганца основано на восстановлении перманганата калия тиосульфатом натрия:

8KMnO 4 + 3Na 2 S 2 O 3 + H 2 O 8MnO 2 + 3Na 2 SO 4 + 3K 2 SO 4 + 2KOH

В присутствии избытка перманганата образуется золь марганца с отрицательно заряженными частицами:

Описание опыта:

В коническую колбу с помощью пипетки вносят 5 мл. 1,5% раствора перманганата калия и разбавляют водой до 50 мл. Затем в колбу по каплям вводят 1,5 – 2 мл раствора тиосульфата натрия. Получается вишнево-красный золь двуокиси марганца.

Опыт № 3. Получение золя иодистого серебра по реакции двойного обмена.

По реакции двойного обмена можно получить золь путем смешивания разбавленных растворов AgNO 3 и KI. При этом необходимо соблюдать условия, чтобы одно из исходных веществ было в избытке, так как при смешивании в эквивалентных количествах реагентов образуется осадок AgI.

AgNO 3 + KI AgI + KNO 3

Описание опыта:

В колбу наливают 2 мл. 0,1н раствора KI и разбавляют его водой до 25 мл. В другую колбу наливают 1 мл. 0,1н раствора AgNO 3 и также разбавляют водой до 25 мл. Полученные растворы делят пополам и проводят два опыта:

a) постепенно приливают при взбалтывании раствор AgNO 3 в раствор KI, получая золь следующего строения:

b) постепенно приливают при взбалтывании раствор AgNO 3 в раствор KI, получая золь такого строения:

Опыт № 4. Получение золя берлинской лазури по реакции двойного обмена.

Соблюдая условия получения растворов по реакции двойного обмена, описанных в предыдущих опытах, получают золь берлинской лазури сначала в избытке FeCl 3 , затем в избытке K 4 .

Описание опыта:

Опыт проводят следующим образом: к 20 мл. 0,1% K 4 прибавляют при перемешивании 5-6 капель 2% раствора FeCl 3 . Получают золь темно-синего цвета, мицелла которого имеет строение:

Опыт № 5. Получение золя берлинской лазури методом пептизации.

Получение коллоидного раствора берлинской лазури методом пептизации сводится к переводу в коллоидное состояние осадка K Fe, полученного при сливании концентрированных растворов K 4 и FeCl 3 .

Описание опыта:

В пробирку с 5 мл. 2%-ного раствора K 4 . Полученный осадок отфильтровывают, промывают дистиллированной водой и обрабатывают осадок на фильтре 3 мл. 0,1н раствором щавелевой кислоты. В пробирку фильтруется золь берлинской лазури синего цвета.

Строение мицеллы написать самостоятельно.

6. Литература:

Евстратова К.И. и др. Физическая и коллоидная химия. М., ВШ, 1990, с. 365 – 396.

Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. 1980, с. 300 – 309.

Д.А.Фридрихсберг, Курс коллоидной химии, Санкт-Петербург, Химия, 1995, с.7-47,196-62

Патсаев А.К., Шитыбаев С.А., Нарманов М.М. Руководство к лабораторно-практическим занятиям по физколлоидной химии 1-часть. Шымкент, 2002г., с.24-31

Тесты по теме занятия.

7. Контроль:

1. Коллоиды как мыла, являются диполем, хорошо адсорбируются с частицами грязи, сообщают им заряд, способствуют их:

А) коагуляции; В) пептизации; С) коацервации;

2. Способность золя сохранять данную степень дисперсности называют:

А) седиментационной устойчивостью;

В) агрессивной устойчивостью;

С) диссолюционной устойчивостью.

3. По наличию и отсутствию взаимодействия между частицами фазы системы классифицируют на:

A) лиофильные и лиофобные;

B) молекулярнодисперсные и коллоидодисперсные;

C) свободнодисперсные и связнодисперсные.

4. Пептизация свежеприготовленного осадка гидроксида железа действием на него раствором относится FeCl 3 к:

A) химической; B) адсорбционной; C) физической;

5. Способность частиц фазы не оседать под действием силы тяжести называют:

А) химической устойчивостью;

В) диссолюционной устойчивостью;

C) седиментационной устойчивостью.

6. Мицелла гидрозоля железа полученного из осадка Fe(OH) 3 пептизацией раствором FeCl 3 имеет форму:

A) {mFe(OH) 3 nFeO + (n-х)Cl - } + х хCl - ;

B) {mFe(OH) 3 nFe +3 3(n-х)Cl - } +3 х 3хCl - ;

C) {mFe(OH) 3 3nCl - (n-х)Fe +3 } - х х Fe +3 .

Урок по химии в 11 классе: «Дисперсные системы и растворы»

Цель - дать понятие о дисперсных системах, их классификация. Раскрыть значение коллоидных систем в жизни природы и общества. Показать относительность деления растворов на истинные и коллоидные.

Оборудование и материалы:

Технологические карты: схема-таблица, лабораторная работа, инструкции.

Оборудование для лабораторных работ:

Реактивы: раствор сахара, раствор хлорида железа (III), смесь воды и речного песка, желатин, клейстер, нефть, раствор хлорида алюминия, раствор поваренной соли, смесь воды и растительного масла.

Химические стаканы

Бумажные фильтры.

Черная бумага.

Фонарики

Ход урока по химии в 11 классе:

Формы и методы контроля:

Технологические схемы для заполнения (ПРИЛОЖЕНИЕ №4).

Лабораторная работа (ПРИЛОЖЕНИЕ №2)

Контроль осуществляется фронтально в устной и письменной форме. По итогам выполнения лабораторной работы карты с лабораторными работами сдаются учителю на проверку.

1. Введение:

Ответьте, чем отличаются мрамор и гранит? А минеральная и дистиллированная вода?

(ответ: мрамор - чистое вещество, гранит - смесь веществ, дистиллированная вода - чистое вещество, минеральная вода - смесь веществ).

Хорошо. А молоко? Это чистое вещество или смесь? А воздух?

Состояние любого чистого вещества описывается очень просто - твердое, жидкое, газообразное.

Но ведь абсолютно чистых веществ в природе не существует. Даже незначительное количество примесей может существенно влиять на свойство веществ: температуру кипения, электро- и теплопроводимость, реакционную способность и т.д.

Получение абсолютно чистых веществ - одна из важнейших задач современной химии, ведь именно чистота вещества определяет возможность проявления им своих индивидуальных средств (демонстрация реактивов с маркировкой).

Следовательно, в природе и практической жизни человека встречаются не отдельные вещества, а их системы.

Смеси разных веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы. Гомогенными системами являются растворы, с которыми мы ознакомились на прошлом уроке.

Сегодня мы познакомимся с гетерогенными системами.

2. Тема сегодняшнего урока - ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ.

Изучив тему урока, вы узнаете:

значение дисперсных систем.

Это, как вы понимаете, наши основные задачи. Они прописаны в ваших технологических картах. Но чтобы наша работа была более продуктивной и мотивированной, я предлагаю вам рядом с основными задачами написать не менее трех вопросов, на которые вы бы хотели найти ответ в процессе данного урока.

3. Теоретическая часть.

Дисперсные системы - что это?

Попробуем вместе вывести определение, исходя из построения слов.

1) Систе́ма (от др.-греч. «система» — целое, составленное из частей; соединение) — множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определённую целостность, единство.

2) Дисперсия - (от лат. dispersio — рассеяние) разброс чего-либо, дробление.

Дисперсные системы - гетерогенные (неоднородные) системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц равномерно распределено в объёме другого.

Если мы опять обратимся к повторению и предыдущему уроку, мы сможем вспомнить, что: растворы состоят из двух компонентов: растворимое вещество и растворитель.

Дисперсные системы, как смеси веществ, имеют аналогичное строение: состоят из мелких частиц, которые равномерно распределены в объеме другого вещества.

Взгляните в свои технологические карты, и попробуйте из разрозненных частей составить две аналогичные схемы: для раствора и для дисперсной системы.

Проверим получившиеся результаты, сверив их с изображением на экране.

Итак, дисперсионная среда в дисперсной системе выполняет роль растворителя, и является т.н. непрерывной фазой, а дисперсная фаза - роль растворенного вещества.

Так как дисперсионная система - гетерогенная смесь, то между дисперсной средой и дисперсионной фазой есть поверхность раздела.

Классификация дисперсных систем.

Можно изучать каждую дисперсную систему по отдельности, но лучше их классифицировать, выделить общее, типичное и это запомнить. Для этого нужно определить, по каким признакам это сделать. Вы объединены в группы, каждой из которых дано задание и прилагающаяся к нему блок-схема.

Руководствуясь предложенной вам литературой, найдите в тексте, предложенный Вам для изучения признак классификации, изучите его.

Создайте кластер (блок-схема), указав признаки и свойства дисперсных систем, приведите к нему примеры. Для помощи в этом вам уже предоставлена пустая блок-схема, которую вам предстоит заполнить.

4. Вывод по теоретическому заданию.

Давайте подведем итоги.

От каждой команды прошу выйти по одному человеку и заполнить схемы, вывешенные на доске.

(ученики подходят и маркером заполняют каждую из схем, после чего отчитыватся по проведенной работе)

Молодцы, теперь давайте закрепим:

Что является основой для классификации дисперсных систем?

На какие виды делятся дисперсные системы?

Какие особенности коллоидных растворов вы знаете?

Как иначе называются гели? Какое значение они имеют? В чем их особенность?

5. Практическая часть.

Теперь, когда вы знакомы с особенностями дисперсных систем и их классификацией, а также определили по какому принципу классифицируются дисперсные системы, предлагаю вам закрепить это знание на практике, выполнив соответствующую лабораторную работу, предложенную вам на отдельном бланке.

Вы объединены в группы по 2 человека. На каждую группу у вас приложен соответствующий бланк с лабораторной работой, а также определенный набор реактивов, которые вам нужно изучить.

Вам выдан образец дисперсной системы.

Ваша задача: пользуясь инструкцией, определить, какая дисперсная система вам выдана, заполнить таблицу и сделать вывод об особенностях дисперсионной системы.

6. Обобщение и выводы.

Итак, на данном уроке мы с вами изучили более углубленно классификацию дисперсных систем, важность их в природе и жизни человека.

Однако следует отметить, что резкой границы между видами дисперсных систем нет. Классификацию следует считать относительной.

А теперь вернемся к поставленным на сегодняшний урок задачам:

что такое дисперсные системы?

какими бывают дисперсные системы?

какими свойствами обладают дисперсные системы?

значение дисперсных систем.

Обратите внимание на вопросы, которые вы записали для себя. В рамке рефлексии отметьте полезность данного урока.

7. Домашнее задание.

Мы постоянно сталкиваемся с дисперсными системами в природе и быту, даже в нашем организме существуют дисперсные системы. Для того, чтобы закрепить знания о значимости дисперсных систем, вам предлагается выполнить домашнее задание в форме эссе/

Выберите дисперсную систему, с которой вы постоянно сталкиваетесь в своей жизни. Напишите эссе на 1-2 страницы: «Какое значение имеет данная дисперсная система в жизни человека? Какие похожие дисперсные системы с похожими функциями еще известны?»

Спасибо за урок.

Оборудование и реактивы: спиртовой раствор серы, спиртовой раствор канифоли, золь гидроксида железа, КNO 3 , K 2 SO 4 , К 3 , масло, ПАВ, ВaCl 2 Na 2 SO 4 .

Теоретическая часть:Эмульсиями называются дисперсные системы, в которых дисперсионная среда и дисперсная фаза находятся в жидком состоянии. На практике чаще всего встречаются водные эмульсии, т.е. эмульсии в которых одной из двух жидкостей является вода. Такие эмульсии подразделяются на два типа: масло в воде (сокращенно — м/в) и вода в масле (м/в). Малополярные органические жидкости — бензол, бензин, керосин, анилин, масло и др.,- независимо от их химической природы, называют маслом.
В эмульсиях первого типа (прямых) масло является дисперсионной фазой, а вода — дисперсионной средой. В эмульсиях второго типа (обратных) вода является раздробленной …
в виде капелек дисперсной фазой, а масло — дисперсионной средой.
В зависимости от содержания дисперсной фазы эмульсии классифицируют на разбавленные [содержание дисперсной фазы (φ менее 1 % (об.)], концентриро­ванные [φ до 74 % (об.)] и высококонцентрированные [φ свыше 74 % (об.)].

Потеря агрегативной устойчивости эмульсий обусловлена процессами изотермической перегонки или коалесценции и обычно сопровождается потерей седиментационной устойчивости (расслоением системы). В качестве меры устойчивости эмульсии можно принять время существования ее определенного объема до полного расслое­ния.

Устойчивость эмульсии повышают введением в систему стабилизатора (эмульгатора), в качестве которого можно использовать электролиты, ПАВ и высокомолекулярные соединения. Агрегативная устойчивость эмульсий определяется теми же факторами, которые обусловливают устойчивость к коагуляции золей.

Разбавленные эмульсии достаточно устойчивы в присутствии электролитов, так как устойчивость связана с наличием двойного электрического слоя. Устойчивость концентрированных и высококонцентрированных эмуль­сий определяется действием структурно-механического барьера при образовании адсорбционных слоев эмульгато­ра. Наиболее сильное стабилизирующее действие оказывают ВМС и коллоидные ПАВ (мыла, неионогенные ПАВ), адсорбционные слои которых имеют гелеобразную структуру и сильно гидратированы.

Тип эмульсии, образующейся при механическом диспергировании, в значительной мере зависит от соотно­шения объемов фаз. Жидкость, содержащаяся в большем объеме, обычно становится дисперсионной средой. При равном объемном содержании двух жидкостей при диспергировании возникают эмульсии обоих типов, но «выжи­вает» из них та, которая имеет более высокую агрегативную устойчивость и определяется природой эмульгатора. Способность эмульгатора обеспечивать устойчивость эмульсии того или иного типа определяется энергетикой взаимодействия его с полярной и неполярной средами, которая может быть охарактеризована при помощи полу­эмпирической характеристики — числа гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ) поверхностно-активных ве­ществ. ПАВ, имеющие низкие значения ГЛБ (2…6), лучше растворимы в органических средах и стабилизируют эмульсии в/м, тогда как при ГЛБ = 12.. .18 ПАВ лучше растворяются в воде и стабилизируют эмульсии м/в.

Щелочные соли жирных кислот средней молекулярной массы всегда дают эмульсии типа м/в, а соли двухва­лентных металлов, например магния, — эмульсии в/м. При постепенном увеличении концентрации двухвалентных ионов в эмульсии м/в, стабилизированной мылом с катионом однозарядного металла, происходит обращение эмульсии и ее переход в эмульсию типа в/м.

Особый случай представляет стабилизация эмульсий высокодисперсными порошками. Такая стабилизация возможна при ограниченном избирательном смачивании порошков (при краевом угле 0° < 9 < 180°). При этом порош­ки лучше стабилизируют ту фазу, которая хуже смачивается. Краевой угол, характеризующий избирательное смачива­ние, при объяснении стабилизации эмульсий тонкодисперсными порошками является аналогом ГЛБ молекул ПАВ.

На практике тип эмульсий определяют следующими методами. По методу разбавления каплю эмульсии вно­сят в пробирку с водой. Если капля равномерно распределяется в воде, — это эмульсия м/в. Капля эмульсии в/м диспергироваться в воде не будет. Согласно методу окрашивания непрерывной фазы несколько кристаллов водорас­творимого красителя, например, метилового оранжевого окрашивают эмульсию м/в равномерно по всему объему. Эмульсия в/м равномерно окрашивается по всему объему жирорастворимым красителем. Тип эмульсий можно опре­делить по ее электропроводности. Высокие значения электропроводности указывают на то, что дисперсионной сре­дой является полярная жидкость, а эмульсия относится к типу м/в. Малые значения электропроводности показы­вают на образование обратной эмульсии.

Эмульсии со временем разрушаются. В некоторых случаях возникает необходимость ускорить разрушение эмульсий, например, разрушение эмульсии в сырой нефти. Ускорить процесс разрушения можно всеми путями, ведущими к уменьшению прочности защитной пленки эмульгатора и увеличению возможности соприкосновения частиц друг с другом.
Методов разрушения эмульсии (деэмульгирования) очень много. Наиболее важными из них являются следующие:

1. Химическое разрушение защитных пленок эмульгатора, например, действием сильной минеральной кислоты.

2. Прибавление эмульгатора, способного вызвать обращение фаз эмульсии и снижающего этим прочность защитной пленки.

3. Термическое разрушение — расслоение эмульсий нагреванием. С повышением температуры уменьшается адсорбция эмульгатора, что ведет к разрушению эмульсии.

4. Механическое воздействие. К этому методу относится механическое разрушение стабилизированных пленок, например, сбивание сливок в масло. Центрифугирование также относится к механическому воздействию.

5. Действие электролитов вызывает разрушение эмульсий, стабилизированных электрическим зарядом частиц.

Экспериментальная часть:

Опыт 1. Получение дисперсных систем:

В пробирку налейте 1 мл дистиллированной воды, добавьте туда 2 капли спиртового раствора канифоли или серы. Что наблюдаете? Каким способом получена данная дисперсная система? Что является дисперсной фазой и дисперсионной средой? К какому типу относится полученная дисперсная система?

В пробирку налейте раствор ВаСl 2 и добавьте 3 капли раствора сульфат натрия. Напишите уравнение происходящей реакции, изобразите схему полученной мицеллы. Какой заряд имеет дисперсная частица? Какие ионы образуют диффузный слой мицеллы? Оставьте пробирку на 5-10 мин. Что вы можете сказать о кинетической устойчивости полученного золя и предполагаемом размере частиц дисперсной фазы?

Опыт 2. Коагуляция золей электролитами.

В три пробирки налейте по 15 капель золя гидроксида железа, полученного в результате полного гидролиза хлорида железа (III). В первую пробирку добавьте 1 каплю нитрата калия, во вторую – сульфата калия, в третью – К 3 при интенсивном встряхивании. Каждую следующую каплю добавляйте через 1-2 мин, после предыдущей до тех пор, пока не будет наблюдаться помутнение содержимого в пробирке. Запишите результаты каждого опыта в таблицу.

Таблица 1. Коагуляция золей электролитами

Рассчитайте порог коагуляции по формуле:

Где с- концентрация электролита, n-число капель электролита, вызвавших коагуляцию.

Ион какого знака вызывает коагуляцию? Сделайте вывод о знаке заряда частицы золя гидроксидажелеза, изобразите схему данной частицы.

Опыт 3. Стабилизация дисперсных систем адсорбционным методом.

Налейте в пробирку по 3 мл воды и 7 капель масла, а во вторую- 3 мл масла и 7 капель воды. После тщательного встряхивания определите тип эмульсии. Что является дисперсионной фазой и дисперсной средой в полученных эмульсиях? Что можно сказать о ее устойчивости? Добавьте в каждую пробирку 5 капель раствора ПАВ. Оставьте пробирки на 1-2 мин. Что происходит? Оцените устойчивость дисперсных систем в каждой пробирке. Изобразите схематически строение стабилизированных частиц дисперсной фазы.

Вопросы к защите

1. Что такое дисперсные системы, приведите примеры разных типов дисперсных систем.

2. Признаки дисперсных систем.

3. Понятие эмульсий, их классификация.

4. Охарактеризуйте методы получения дисперсных систем.

5. Что такое коагуляция? Порог коагуляции?

6. Как происходит коагуляция золей электролитами?

Цельработы

Знакомство с методами получения дисперсных систем, строением мицелл, устойчивостью коллоидных растворов.

Краткиетеоретическиесведения

Дисперсные системы – это гетерогенные системы, состоящие как минимум из двух фаз, одна из которых (дисперсная фаза ) является раздробленной, прерывной, а другая (дисперсионная среда ) представляет собой нераздробленную, непрерывную часть.

По размеру частиц дисперсные системы классифицируются так:

Коллоидными растворами называют высокодисперсные гетерогенные системы, в которых хотя бы одно вещество находится в коллоидном состоянии. Вещество раздроблено до частиц размером 10–7 –10–9 м (дисперсная фаза), невидимых в оптический микроскоп, распределенных в дисперсионной среде.

Коллоидные растворы по размеру частиц занимают промежуточное положение между истинными растворами (10–10 м) и грубодисперсными системами (более 10–7 м), поэтому методы получения коллоидных систем можно разделить на две основные группы:

1) диспергирование – дробление крупных частиц до коллоидной дисперсности;

2) конденсация – соединение отдельных частиц растворенного вещества в более крупные частицы (агрегаты) коллоидных размеров.

Диспергационные методы включают прежде всего механические способы измельчения. Это истирание, дробление, удар, расщепление. В лабораториях и промышленности для этих целей используются дробилки, жернова

и мельницы различного типа (шаровые, коллоидные).

Для уменьшения затрат энергии применяют поверхностно-активные вещества, присутствие которых облегчает диспергирование и наблюдается эффект адсорбционного понижения прочности, или эффект П. А.Ребиндера.

В настоящее время широко используется ультразвуковой метод, в котором разрывающие усилия возникают вследствие чередующихся локальных сжатий и расширений жидкости при прохождении волны.

Находит применение также метод вольтовой дуги, возникающей между электродами в жидкости (электрическое диспергирование ). Таким образом получают гидрозоли щелочных металлов.

В основе конденсационных методов получения дисперсных систем лежат процессы образования новой фазы из молекул, ионов, атомов в гомогенной среде. При этом система должна находиться в пересыщенном состоянии. Если химический потенциал вещества в новой фазе меньше, чем в исходной, то процесс возможен

По природе сил, вызывающих конденсацию, различают физическую и химическую конденсацию.

Физическая конденсация требует создания условий, при которых молекулы или ионы будут конденсироваться, образуя дисперсную фазу, причем конденсация должна прекратиться, когда частицы достигнут коллоидных размеров. Физическая конденсация может осуществляться из паров или путем замены растворителя.

Конденсация из паров достигается изменением параметров системы. Например, при понижении температуры пар становится пересыщенным и частично конденсируется, что приводит к возникновению новой фазы.

В методе замены растворителя изменяют состав и свойства среды. Например, в насыщенный раствор молекулярной серы в этиловом спирте вливают большой объем воды. Новый смешанный раствор оказывается пересыщенным, молекулы серы образуют частицы новой фазы. Этим методом получают золи серы, фосфора, мышьяка, канифоли, ацетилцеллюлозы, органических веществ. При этом исходные растворы веществ в этиловом спирте или ацетоне вливают в воду.

Методы химической конденсации также основаны на выделении новой фазы из пересыщенного раствора, но она образуется в результате химической реакции, например, реакций окисления, гидролиза, диссоциации, двойного обмена. Размер образующихся частиц зависит от соотношения скоростей образования зародыша и его роста. Для того чтобы получались мелкие частицы, первый фактор должен быть преобладающим. Реакцию надо

вести в разбавленном растворе, чтобы снизить скорость роста кристаллических частиц. Это позволяет получить частицы размером 10–7 –10–9 м, что обеспечивает седиментационную устойчивость системы.

Другое условие: одно из реагирующих веществ необходимо взять в избытке, чтобы сформировать на поверхности двойной электрический слой (ДЭС), который обеспечит агрегативную устойчивость. Например, реакция

AgNO3 + KCl = AgCl + KNO3 при определенных условиях приводит к получению новой фазы. При избытке хлорида калия на поверхности кристаллов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Краткие теоретические сведения

хлорида серебра образуется двойной электрический слой. Кристалл вместе с двойным электрическим слоем называется мицеллой. Его изображают в виде формулы мицеллы, в нашем случае она имеет вид

{m nCl– (n – x)K+ }x– xK+ .

В центре мицеллы находится кристаллическое тело, называемое агрегатом, на нем адсорбируются ионы, способные достраивать его кристаллическую решетку. Эти ионы сообщают агрегату электрический заряд и называются потенциалопределяющими, вместе они образуют ядро мицеллы. Ядро создает электростатическое поле, под действием которого к нему притягиваются из раствора противоионы, образующие адсорбционный и диффузный слои. Выражение в фигурных скобках представляет собой коллоидную частицу. Она состоит из кристалла m, потенциалопределяющих ионов nCl– , противоионов адорбционного слоя (n – x)K+ и ионов диффузного слоя мицеллы xK+ .

Мицелла электронейтральна, но коллоидная частица имеет заряд. Если заряды ионов внутренней и наружной обкладки неодинаковы, в формуле ставятся коэффициенты. Например, коллоидный раствор берлинской лазури можно получить по реакции

4FeCl3 + 3K4 = Fe4 3 + 12 KCl

Для случая избытка хлорида железа (III) формула мицеллы имеет вид

{m3 ] nFe3+ 3(n – x)Cl– } 3xCl–

Для получения дисперсных систем используется физико-химическое дробление осадков, или пептизация . Формально пептизацию можно отнести к методам диспергирования, но пептизируемый осадок – это уже диспергированный материал, доведенный до коллоидной степени измельчения, в котором частицы в результате слипания образовали крупные агрегаты. Существует три способа перевода такого осадка в коллоидный раствор.

Первый способ – адсорбционная пептизация . К осадку добавляется пептизатор, ионы которого образуют двойной электрический слой на поверхности частиц, что способствует их отталкиванию друг от друга. Например, к свежему рыхлому осадку гидроксида железа (III) прибавляют раствор хлорида железа (III), при этом возникает двойной электрический слой, и частицы уходят в раствор.

Второй способ – пептизация путем поверхностной диссоциации. При добавлении кислоты или щелочи к амфотерному гидроксиду алюминия образуются растворимые соединения, которые формируют двойной электрический слой.

Третий способ – пептизация путем промывания осадка. Он использу-

ется в том случае, когда из-за высокой концентрации электролита двойной электрический слой на поверхности частиц сжат. Промывание способствует снижению концентрации электролита и, как следствие, росту толщины двой-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Краткие теоретические сведения

ного электрического слоя, что приводит к увеличению расстояния действия сил отталкивания, а это вызывает коллоидное растворение осадка.

Важнейшей и сложнейшей проблемой коллоидной химии является устойчивость дисперсных систем. В коллоидных системах различают два вида устойчивости – седиментационную и агрегативную.

Дисперсная система считается седиментационно-устойчивой , если частицы не оседают и находятся в стабильном равновесии. Это возможно, если размеры частиц постоянны. Но частицы дисперсной фазы склонны укрупняться путем их слипания или перекристаллизации, что приводит к нарушению седиментационной устойчивости и выпадению осадка.

Агрегатная устойчивость – способность дисперсной системы сохранять неизменными размеры частиц. Устойчивость может быть потеряна за счет коагуляции , которая представляет собой процесс слипания частиц с образованием более крупных агрегатов. При этом теряется седиментационная устойчивость и наступает разрушение дисперсной системы с образованием осадков различной структуры, которые называются коагулятами. Коагуляция может наступить под воздействием температуры (нагревание, замораживание), химических агентов, механических факторов и других причин, способных разрушить энергетический барьер.

Все электролиты вызывают коагуляцию после достижения критического значения концентрации Ск , которое называют порогом коагуляции – это минимальная концентрация электролита в коллоидном растворе, вызывающая его коагуляцию. Коагулирующим действием обладает тот ион электролита, который имеет заряд, одинаковый с зарядом противоионов мицеллы. Коагулирующая способность ионов возрастает с ростом их заряда и размера.

Различают концентрационную и нейтрализационную коагуляции электролитами.

Концентрационная коагуляция наблюдается при увеличении концентрации электролита, при этом диффузный слой противоионов мицеллы сжимается, переходя в адсорбционный слой. В результате уменьшается электрокинетический потенциал, что приводит к коагуляции.

При нейтрализационной коагуляции ионы прибавляемого электролита нейтрализуют потенциалопределяющие ионы, они теряют заряд и слипаются.

Современная теория устойчивости дисперсных систем или теория ДЛФО (Дерягин, Ландау, Фервей, Овербек) утверждает, что между частицами дисперсной фазы действуют силы межмолекулярного притяжения и отталкивания. Их баланс определяет поведение системы. Согласно этой теории порог коагуляции определяется по формуле

Сk = const/z6 ,

где z – валентность иона – коагулятора.

Если принять Ск для одновалентного иона за единицу, то согласно уравнению

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Краткие теоретические сведения

C1 k : С2 k : С3 k = 729: 114: 1

Как правило, экспериментальные и теоретические данные хорошо совпадают.

Экспериментальнаячасть

Опыт 1 Приготовлениедисперсныхсистем

методомфизическойконденсации(заменарастворителя)

Золь канифоли . К 10 мл дистиллированной воды добавьте при взбалтывании 15 капель 5 %-го раствора канифоли в этиловом спирте. Образуется молочно-белый золь канифоли в воде с отрицательным зарядом частиц. Почему в спирте канифоль образует истинный раствор, а в воде – коллоидный?

Золь серы . К 50 мл воды добавьте при взбалтывании 1 мл насыщенного раствора серы в ацетоне. Образуется голубовато-белый опалесцирующий золь серы с отрицательным зарядом коллоидных частиц.

Золь серы . К 50 мл воды добавьте при взбалтывании 4-5 мл насыщенного раствора серы в этиловом спирте. Образуется голубоватый опалесцирующий золь серы в виде отрицательно заряженных коллоидных частиц.

Золь антрацена . К 50 мл воды добавьте из капельницы при взбалтывании 0,5 мл насыщенного раствора антрацена в этиловом спирте. Образуется бело-голубой опалесцирующий золь антрацена в воде с отрицательно заряженными коллоидными частицами.

Золь парафина . К 50 мл воды добавьте из капельницы при взбалтывании 1 мл насыщенного раствора парафина в этиловом спирте. Образуется опалесцирующий золь парафина в виде отрицательно заряженных коллоидных частиц.

Опыт 2 Приготовлениедисперсныхсистем методомхимическойконденсации

Золь металлического серебра . Соль серебра восстановите танином в щелочной среде до металла. Для этого 2 мл 1,7 %-го раствора нитрата серебра разбавьте водой до 100 мл и введите 1 мл 0,1 %-го раствора танина, затем 3-4 капли 1 %-го раствора карбоната калия. Образуется красно-коричневый отрицательный золь металлического серебра. Реакция в щелочной средебудет

6AgNO3 + C76 H52 O46 + 3K2 CO3 =

6Ag + C76 H52 O49 + 6KNO3 + 3CO2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Экспериментальная часть

Внутренняя обкладка ДЭС образована, видимо, ионами ОН– , которые адсорбированы на серебре.

Золь диоксида марганца. 5 мл 1 %-го раствора перманганата калия разбавьте водой до 50 мл и по каплям добавьте 2 мл 1 %-го раствора тиосульфата натрия. Образуется вишнево-красный золь диоксида марганца.

Золь диоксида марганца . 5 мл 1,5 %-го раствора перманганата калия разбавьте водой до 100 мл, нагрейте до кипения. В течение 15 мин введите небольшими порциями (по 0,5 мл) 5 мл концентрированного аммиака. Образуется красно-коричневый золь диоксида марганца.

Золь иодида серебра . 10 капель 1,7 %-го раствора нитрата серебра разбавьте водой до 100 мл и добавьте по каплям при взбалтывании 1 мл 1,7 %-го раствора иодида калия. Образуется голубоватый опалесцирующий золь иодида серебра.

Золь берлинской лазури . 0,1 мл насыщенного раствора FeCl3 разведите в 100 мл воды. В разбавленный раствор введите при взбалтывании 1 каплю 20 %-го раствора K4 . Образуется золь берлинской лазури синего цвета Fe4 3 .

Золь гидроксида железа . К 50 мл кипящей дистиллированной воды прибавьте небольшими порциями 5–10 мл 2 %-го раствора FeCl3 . В результате гидролиза образуется золь гидроксида железа вишнево-красного цвета.

Опыт 3 Получениедисперсныхсистемметодомдиспергирования

Золь флуоресцеина . К 5 мл дистиллированной воды добавьте 2-3 капли раствора соды и внесите маленькую крупинку флуоресцеина. Встряхните раствор, обратите внимание на его цвет в проходящем и отраженном свете.

Золь крахмала . 0,5 г крахмала тщательно разотрите в фарфоровой ступке, перенесите в фарфоровую чашку и перемешайте с 10 мл дистиллированной воды, после чего добавьте еще 90 мл воды. При постоянном перемешивании доведите смесь до кипения. Получится 0,5 %-й золь крахмала.

Золь желатина . 0,5 г желатина залейте 50 мл дистиллированной воды и нагрейте на водяной бане при 40–50 о С до полного растворения набухшего желатина.

Золь яичного альбумина . В мерную колбу на 100 мл внесите 10 г порошка альбумина или белок куриного яйца и взболтайте с 50 мл холодной дистиллированной воды до полного растворения. Долейте водой колбу до метки. Получается золь белка.

Суспензия мела. Налейте в 2 пробирки дистиллированной воды до половины объема, в одну из них добавьте 1 мл 0,5 %-й раствор желатина. Затем внесите в пробирки по 2 г мела и сильно взболтайте. В пробирке с желатином (стабилизатор суспензии) образовалась устойчивая суспензия мела.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Экспериментальная часть

Получениезолягидроксидажелеза(III) пептизацией

К 5 мл 2 %-го раствора FeCl3 добавьте 20 мл воды, затем добавляйте концентрированный раствор аммиака до образования осадка Fe(OH)3 . Полученный осадок промойте дистиллированной водой и отделите декантацией (декантация – сливание жидкости с отстоявшегося осадка). Для этого осадок взболтайте с большим количеством воды, а после отстаивания прозрачную жидкость над осадком осторожно слейте. О конце отмывания судят по отсутствию запаха аммиака. Промытый осадок разлейте в две колбы. В одну прибавьте в качестве пептизатора раствор хлорида железа (III) (2 мл насыщенного раствора разводят водой до 100 мл), а другую оставьте для сравнения. Осадок с пептизатором взболтайте и осторожно нагрейте до кипения. При наступлении пептизации получается красно-коричневый золь гидроксидажелеза (III).

Опыт 5 Коагуляциязолейэлектролитамииопределениепорогакоагуляции

Налейте в пробирку 5 мл золя гидроксида железа (III), а в бюретку – 0,002 М раствора сульфата натрия. Из бюретки медленно приливайте раствор сульфата натрия в пробирку с золем гидроксида железа (III) при тщательном перемешивании. Признаком начала коагуляции считается помутнение золя по всему объему раствора. Вычислите порог коагуляции по формуле

C k = 5 1000 ,

где с – концентрация электролита, моль/л; ν – объем израсходованного электролита, мл; Ck – порог коагуляции, моль/л.

Повторите опыт, взяв в качестве коагулирующего электролита 0,002 М раствора Na3 PO4 . Определите порог коагуляции. Данные опытов занесите в таблицу:

Относительная коагулирующая способность вычисляется делением более высокого порога коагуляции на более низкий порог коагуляции. Объясните, почему коагулирующая способность одного иона выше, чем другого?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Примерырешениятиповыхзадач

П р и м е р 1. Напишите формулу мицеллы для реакции

Na2 SO4 + BaCl2 = BaSO4 ↓ + 2NaCl – стабилизатор (избыток) Na2 SO4 .

Р е ш е н и е. Сульфат бария выпадает в осадок, его молекулы объединяются и образуют ядро коллоидной частицы m. На поверхности ядра адсорбируются из раствора ионы стабилизатора SO4 2– , близкие по природе к составу ядра, и частица приобретает отрицательный заряд. Эти адсорбированные ионы называются потенциалопределяющими. Отрицательно заряженная частица притягивает из раствора ионы противоположного знака – противоионы Ва2+ . Противоионы находятся в движении и часть их адсорбируется на частице. Адсорбированные потенциалопределяющие ионы и противоионы образуют адсорбционный слой. Другая часть противоионов находится в жидкой фазе и образует подвижный диффузионный слой. Ядро вместе с адсорбционным слоем называется коллоидной частицей и имеет заряд, одинаковый с зарядом потенциалопределяющего иона. Коллоидная частица и противоионы диффузного слоя образуют мицеллу. Заряд мицеллы равен нулю.

Строение мицеллы золя BaSO4 можно представить следующей схе-

{m nSO 2 4 − (n – x)Na+ }x– xNa+ .

П р и м е р 2. В каком порядке следует сливать растворы Na2 SO4 и BaCl2 , чтобы получить коллоидную частицу, несущую положительный электрический заряд?

Р е ш е н и е. В примере 1 получена коллоидная частица с отрицательным зарядом. Чтобы перезарядить ее, необходимо взять в качестве стабилизатора (в избытке) раствор BaCl2 и к нему приливать раствор Na2 SO4 . В данном случае в качестве потенциалопределяющих ионов будут адсорбироваться ионы Ва2+ , и частица приобретет положительный заряд, противоионы

– Cl– . Формула образующейся мицеллы будет иметь вид

{m nBa2+ (n – x)Cl– }x+ xCl– .

П р и м е р 3. Золь иодида серебра, получаемый по реакции

KJ + AgNO3 = AgJ + KNO3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Примеры решения типовых задач

при некотором избытке KJ, коагулируют растворами сульфата калия и ацетата кальция. Коагулирующее действие какого электролита сильнее?

Р е ш е н и е. Строение мицеллы золя следующее:

{m (n – x)J– xK+ }x– nK+ .

Ионами, образующими диффузный слой, т. е. противоионами, являются катионы К+ . Следовательно, при выяснении коагулирующего действия необходимо сравнить заряды катионов вводимого электролита. Так как заряд иона Са2+ выше заряда иона К+ , то в соответствии с правилом Шульце-Гарди коагулирующее действие Са(СН3 СОО)2 сильнее.

П р и м е р 4. Как изменится порог коагуляции золя As2 S3 , если для коагуляции 10 10–6 м3 золя потребуется 1,2 10–6 м3 раствора NaCl с концентрацией 0,5 кмоль/м3 ? Определите порог коагуляции под действием раствора MgCl2 концентрацией 0,036 кмоль/м3 (его потребуется 0,4 10–6 м3 на

10 10–6 м3 золя) и раствора AlCl3 концентрацией 0,01 кмоль/м3 (его потребуется 0,1 10–6 м3 на 10 10–6 м3 золя). Проверьте выполнение условия C1 k : С2 k : С3 k = = 729: 114: 1 = 1: (1/26 ) : (1/36 ) = 1: 0,016: 0,0014.

Р е ш е н и е. Воспользуемся формулой

Ck = cV w ,

где с – концентрация электролита (кмоль.м-3 ); V – объем раствора электролита; w – объем золя.

Формула справедлива при (V << w):

Ck (NaCl): Ck (MgCl2 ): Ck (AlCl3 ) = 6 10–2 :1,44 10–3 :1 10–4 = 1:0,024:0,0017.

Из полученных расчетов следует, что условие коагуляции разноименно заряженными ионами удовлетворительно выполняется.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Контрольныевопросыизадачи

1. Какие системы называются дисперсными?

2. Чем отличаются истинные растворы, коллоидные и грубодисперсные системы?

3. Назовите методы получения дисперсных систем.

4. Чем объясняется устойчивость золей?

5. Что такое пептизация? Каковы виды пептизации?

6. Что такое химическая и физическая конденсация?

7. Какие условия должны соблюдаться при получении золя методом химической конденсации?

8. Напишите формулу мицеллы для реакций:

а) AgNO3 + NaCl = AgCl + NaNO3 – стабилизатор NaCl.

б) K4 + 2CuSO4 = Cu2 + 12KCl – стабилизаторCuSO4 .

9. Какой процесс называют коагуляцией и какой седиментацией?

10. Что такое порог коагуляции?

11. Как меняется коагулирующее действие электролита с ростом заряда ионакоагулятора и его размера?

12. На каких представлениях базируется теория ДЛФО?

13. Почему электролиты вызывают коагуляцию дисперсных систем?

14. Что такое нейтрализационная коагуляция и чем она отличается от концентрационной коагуляции?