Лабораторна робота 1

Отримання колоїдних розчинів

Ціль роботи:

• отримати колоїдні розчини різними методами, надати опис зовнішніх властивостей, привести будову міцели.

1.1 Обґрунтування запропонованої методики

Існують два способи отримання ліофобних систем: конденсаційний і диспергаційний. Загальним для них є виділення нової фази внаслідок пересичення середовища відносно фази, яка утворюється, та наявність стабілізатора. Конденсаційний спосіб полягає в утворенні нової фази з молекулярно диспергованої речовини. Відрізняють конденсацію хімічну та фізичну.

При хімічній конденсації нова фаза виникає внаслідок перебігу хімічної реакції з утворенням малорозчинної речовини.

Наприклад: AgNO₃ + KI → AgI↓ + KNO₃

Тут деяка кількість (m) молекул AgI складає так званий полімолекулярний агрегат. Для отримання агрегативно стійкого колоїду беруть невеликий надлишок одного із вихідних електролітів, в даному випадку КІ (стабілізатор). Згідно з правилом Фаянса-Панета на поверхні полімолекулярного агрегату адсорбуються і входять у склад ядра в першу чергу ті іони, які можуть добудувати кришталеву решітку твердої фази, або ізоморфні іони.

В прикладі, наведеному вище, на поверхні ядра будуть адсорбуватися іони йоду (у деякій кількості - n іонів), які називають потенціалвизначаючими. Полімолекулярний агрегат разом з потенціалвизначаючими іонами створюють ядро міцели.

Потенціалвизначаючі іони за рахунок електростатичної взаємодії притягують протиіони (іони калію) до ядра, створюючи внутрішню частину подвійного електричного шару (ПЕШ); інша частина цих іонів (х) за рахунок теплового руху розташовується на деякій відстані від ядра у рідині (дифузна частина ПЕШ)

[ (m AgI) n I^- (n-x) K⁺] xK⁺

ядро

частинка

міцела

Ядро з потенціалвизначаючими іонами і зв’язаними протиіонами складають власне частинку, а частинка разом з дифузійно розташованими протиіонами – міцелу. Міцела завжди електронейтральна, а частинка – заряджена.

Фізичну кнденсацію можна здійснити двома засобами: прямою конденсацією з пари за умови зниження температури та заміною розчинника.

Пептизацію можна використовувати для перетворення осадів, первинні частинки яких мають колоїдні розміри, на колоїдний розчин.

1.2 Виконання роботи насичений розчин FeCI₃

Для виконання роботи потрібні:

20%-ний розчин К₄ [ Fe(CN)₆]

1,7%-ний розчин AgNO₃

1,7%-ний розчин КІ

1,5%-ний розчин КМnO₄

1%- ний розчин Na₂S₂O₃

10%- ний розчин CuSO₄

1%- ний розчин каніфолю у етиловому спирті

насичений (без нагріву) розчин сірки у етиловому спирті

концентрований розчин аміаку

бензол або соняшникове масло

10%- ний розчин олеату натрію

1.2.1 Отримання золів методом хімічної конденсації

1.2.1.1 Золь гідроксиду заліза (ІІІ). До 100 см³ води, яка кипить, добавляють 3-4 краплі насиченого розчину FeCI₃. При цьому енергійно протікає гідроліз хлорного заліза, появляються молекули гідроксиду заліза, які конденсуються в колоїдні частки. Отриманий золь гідроксиду заліза має вишнево-червоний колір.

1.2.1.2 Золь гексаціаноферату (ІІ) заліза.

0,25 см³ 20%-ного розчину К₄ [ Fe(CN)₆] розводять водою до 50 см³. До одержаного розчину додають при перемішуванні 1-2 краплі насиченого розчину FeCl₃. Утворюється прозорий золь гексаціаноферату (ІІ) заліза синього кольору.

1.2.1.3 Золь йодиду срібла.

0,5 см³ 1,7%-ного розчину AgNO₃ розводять водою до 50 см³. До одержаного розчину AgNO₃ додають краплями при перемішуванні 0,5 см³ 1,7%-ного розчину КІ. Створюється голубуватий опалесцюючий золь йодиду срібла.

1.2.1.4 Золь йодиду срібла.

5 см³ 1,7%-ного розчину КІ розводять до 50 см³ водою і до розведеного розчину добавляють при розмішуванні 0,5 см³ 1,7%-ного розчину AgNO₃. Створюється голубуватий опалесцюючий золь йодиду срібла.

1.2.1.5 Золь діоксиду марганцю.

Сіль марганцю відновлюють тіосульфатом, для чого 5 см³ 1,5%-ного розчину КМnO₄ розводять водою до об’єму 50 см³. В цей розчин вводять по краплям 1-2 см³ 1%-ного розчину Na₂S₂O₃. Створюється вишнево-червоний золь діоксиду марганцю.

1.2.1.6 Золь гексаціаноферату (ІІ) міді.

0,25 см³ 20%-ного розчину К₄[Fe(CN)₆] розводять до 50 см³ водою. В цей розчин прибавляють 1-2 краплі 10%-ного розчину CuSO₄ при розмішуванні. Створюється золь гексаціаноферату (ІІ) міді червоно-бурого кольору.

1.2.2 Отримання золів методом фізичної конденсації

1.2.2.1 Золь каніфолю.

До 50 см³ води додають 10-15 крапель 1%-ного розчину каніфолю у етиловому спирті. Утворюється золь каніфолю у воді з негативно зарядженими колоїдними частками.

1.2.2.2 Золь сірки. До 50 см³ води додають при розмішуванні 1-2 см³ насиченого (без нагріву) розчину сірки у етиловому спирті (із крапельниці). Створюється голубуватий опалесцюючий золь сірки з негативно зарядженими колоїдними частками.

1.2.3 Отримання золів методом пептизації.

1.2.3.1 Золь гексаціаноферату (ІІІ) заліза .

До 10-15 см³ 20%-ного розчину гексаціаноферату (ІІІ) калію додають 2-3 краплі насиченого розчину хлориду заліза (ІІІ). На дно опадає темно-синій осад гексаціаноферату (ІІІ) заліза, який швидко переходить в стан гелю. Рідину, яка знаходиться над гелем, обережно зливають, невелику кількість гелю скляною лопаточкою переносять у стакан з дистильованою водою та перемішують. Гель пептизується з утворенням синього золю гексаціаноферату (ІІ) заліза.

1.2.3.2 Золь гідроксиду заліза (ІІІ).

1 см³ насиченого розчину FeCI₃ розводять водою до 20 см³ в цей же розчин додають концентрований розчин аміаку до повного осадку Fe(OH)₃. Рідину над осадом обережно зливають, осад промивають водою декілька раз декантацією. 20 см³ 0,1 н. розчину НСІ розводять до 50 см³ водою і заносять в колбу з осадом гідроксиду заліза. При розмішуванні утворюється золь вишнево-червоного кольору.

1.2.4 Отримання емульсії

До 50 см³ води додають 5-10 см³ бензолу або соняшникового масла і 0,3 см³ 10%-ного розчину олеату натрію. Суміш ретельно перемішують. Отримують стійку емульсію.

Для визначення типу емульсії на поверхню однієї частки відібраної емульсії вводять барвник судан Ш, а на поверхню другого – метиленовий голубий. Якщо емульсія зафарблюється суданом Ш, то це емульсія типу в/м (вода у маслі), а в випадку забарвлення метиленовим голубим – типа м/в (масло у воді).

Контрольні питання

1 Які чинники визначають розмір частинок золю, отриманого конденсаційним методом?

2 Як отримати високодисперсний золь?

3 Як можна стабілізувати золі, отримані конденсаційним методом?

4 Що таке пептизація? Які види пептизації існують?

5 Які види пептизації застосовують в даній роботі?

6 Як класифікують емульсії? Які речовини використовують для стабілізації прямих та зворотних емульсій?

Література

1. Фролов Ю.Г Курс коллоидной химии.- М.:Химия,1989,с.115-128.

2. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии.-Под ред. Ю.Г. Фролова.-М.:Химия.1986, с171-173.

Лабораторна робота 2

Вивчення адсорбції поверхнево-активних речовин (ПАР)

на межі розділу рідина-газ

Ціль роботи:

• побудувати ізотерму поверхневого натягу σ= f (с);

• побудувати ізотерму адсорбції ПАВ Г = f (с);

• розрахувати значення граничної адсорбції Г_∞;

• розрахувати площу, яку займає молекула адсорбата в поверхневому шарі S₀;

• розрахувати товщину адсорбційного шару δ.

2.1 Обґрунтування запропонованої методики

Для вимірювання поверхневого натягу в роботі використовується метод максимального тиску пухирців повітря, яке видувається в досліджуваний розчин через капіляр. Тиск Р в момент відриву пухирця максимальний і зв’язаний з поверхневим натягом співвідношенням

σ= Кр, (2.1)

де: К – коефіцієнт пропорційності, який визначається з виміру величини тиску р для рідини з відомим значенням поверхневого натягу σ, наприклад води, для якої σ = 72,75 · 10^-3 Н/м при Т = 293 К. Знаючі поверхневий натяг води і вимірявши для неї величину тиску р у момент відриву пухирця, на підставі (1) отримуємо

σ = (2.2)

Коефіцієнт К залежить від форми капіляру, його розміру та глибини занурення в розчин, який досліджується.

Результати виміру σ використовують для побудови ізотерми поверхневого натягу в координатах σ – с (рисунок 2.1)

Адсорбцію визначають за рівнянням Гіббса:

Г = ; (2.3)

де с – концентрація розчину, кмоль/м³;

R – універсальна газова стала, яка дорівнює 8,314 Дж/(мольК) або 8314 Дж/(кмоль К);

- поверхнева активність



₀

Z x



с_x с

Рис 2.1 Ізотерма поверхневого натягу.

Для визначення поверхневої активності проводять графічне диференціювання залежності σ = f(с). Якщо в точці х провести дотичну до ізотерми поверхневого натягу, то тангенс кута нахилу ( кут φ) її до осі абсцис буде дорівнювати dσ/dc.

З графіка видно, що відрізок Z, який відтинається на осі ординат ординатою точки х та дотичною, яка проведена через цю точку

Z = - с_x· tgφ = - с_x·dσ/dc, (2.4)

де: с_х – концентрація ПАВ, яка відповідає точці х.

Звідки:

- dσ/dc = Z/с_x (2.5)

Підставивши останній вираз в рівняння (2.3), одержуємо Г, кмоль/м²:

Г= (2.6)

Обробивши описаним способом в 6-8 точках побудовану за експериментальними даними криву σ = f (с), будують ізотерму адсорбції (рисунок 2.2).

Г

Г_

с

Рисунок 2.2 Ізотерма адсорбції

Ізотерма адсорбції такого вигляду може бути описана рівнянням Ленгмюра:

Г= Г∞ (2.7)

де: Г - максимальна адсорбція ПАВ, яка відповідає утворенню насиченого мономолекулярного адсорбційного шару;

К – константа адсорбційної рівноваги.

Для того, щоб знайти Г і К, рівняння Ленгмюра перетворюють на рівняння прямої (рисунок 2.3).

(2.8)

Відрізок, який відтинається прямою на осі ординат, дорівнює , а

tg =

с/Г m



l n

с

Рисуонок 2.3 Ізотерма адсорбції в координатах лінійної форми

рівняння Ленгмюра.

Визначене таким чином значення Г_∞ використовують для розрахунку площі S₀, яку займає молекула ПАР на поверхні розділу фаз, та товщини адсорбційного шару δ, яка відповідає довжині молекули ПАР.

S₀ = (2.9)

δ = (2.10)

де N_A - стала Авогадро;

М – молекулярна маса;

р – густина ПАР кг/м³

Значення молекулярної маси і густини деяких ПАР, необхідні для розрахунку товщини адсорбційного шару, наведені у таблиці 1.

Таблиця 2.1 - Молекулярна маса та густина ПАР

Назва ПАР	Молекулярна маса М · 103 кг/моль	Густина р · 10-3 кг/м3
Аміловий спирт	88,10	0,815
Бутиловий спирт	74,04	0,804
Валер’янова кислота	102,08	0,932

Продовження таблиці 2.1

Назва ПАР	Молекулярна маса М · 103 кг/моль	Густина р · 10-3 кг/м3
Ізоаміловий спирт	88,10	0,810
Ізобутиловий спирт	74,08	0,800
Оцтова кислота	60,03	1,040
Етиловий спирт	46,05	0,780
Ізопропіловий спирт	60,09	0,789
Пропіловий спирт	60,09	0,804
Масляна кислота	88,10	0,9587

2.2 Виконання роботи

Для виконання роботи потрібні:

прилад для вимірювання поверхневого натягу;

вихідні розчини ПАР;

бюретка для дистильованої води;

піпетки

2.2.1 Опис установки

Для вимірювання поверхневого натягу використовують установку, запропоновану Ребіндером (рисунок 2.4). Установка містить вимірювальну комірку 1 з капіляром 2, аспіратор 4, за допомогою якого створюють зовнішній тиск, і манометр 3.

Рисунок 2.4 Схема установки для визначення поверхневого натягу

методом максимального тиску:

Досліджувану рідину заливають у комірку 1. Капіляр шляхом обертання в отворі гумової пробки розміщують так, щоб він занурювався у рідину не більш ніж на 1 мм. Відкривши кран 5 встановлюють меніск на нульовій відмітці. Кран 5 закривають і відкривають кран 6 аспіратора. В устаноавці створюється розрядження, внаслідок чого манометрична рідина піднімаються у трубці манометра.

Пухірець повітря, який сформувався на кінці капіляру, при досягненні р_max пробивши поверхневий шар лопається. В цей момент в системі зменшується і манометрична рідина починає опускатися, але внаслідок утворення нового пухирця знов починає підніматися. Таким чином, рівень манометричної рідини весь час колихається. Щоб зменшити пульсацію у вимірювальній трубці, слід домагатися рівномірного проскоку пухирців з інтервалом 5 – 20 с. Час утворення і відриву пухирців регулюють шляхом змінення швидкості витікання води із аспіратора.