Получение гидрофобных золей и определение заряда коллоидных частиц

Цель работы: познакомиться с методами получения гидрофобных золей и способами определения заряда коллоидных частиц.

Оборудование и реактивы: пробирки, 5 стаканов на 100 мл, пипетки, воронка для фильтрования, электроплитка, полоски фильтровальной бумаги (0,5´10 см), бумажные фильтры, 2%-ный раствор серы в спирте, спиртовой раствор фенолфталеина, 2%-ный раствор FeCl₃, насыщенный на холоде раствор FeCl₃, 0,02н. растворы KI и AgNO₃, 2н. раствор NaOH, 20%-ный раствор K₄[Fe(CN)₆], 10%-ный раствор CuSO₄, 0,05 М раствор щавелевой кислоты, устройство для проведения электрофореза, состоящее из U-образной трубки, двух электродов и источника постоянного тока, дающего напряжение около 100В.

Теоретические пояснения

Коллоидные раствора или золи – это микрогетерогенные системы, в которых дисперсная фаза в виде частиц (размером порядка 10^-9 – 10^-7 м) нерастворимого твердого вещества равномерно распределена в жидкой дисперсионной среде.

Частицы дисперсной фазы золя вместе с окружающей их сольватной оболочкой из ионов и молекул дисперсионной среды называются мицеллами.

Золи подразделяются на лиофильные и лиофобные (в случае водной дисперсионной среды – на гидрофильные и гидрофобные). В лиофильных золях частицы дисперсной фазы сильно взаимодействуют со средой (например, образуют водородные связи), или же межмолекулярное взаимодействие по обе стороны поверхности раздела «дисперсная фаза – дисперсионная среда» различается незначительно. Поэтому удельная свободная поверхностная энергия чрезвычайно мала, и межфазная граница может быть размыта. Такие золи образуются самопроизвольно и при сохранении условий их образования могут существовать сколь угодно долго. Примером лиофильных золей могут служить мицеллярные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ).

В лиофобных коллоидах межмолекулярное взаимодействие в дисперсионной среде и дисперсной фазе существенно различно, удельная свободная поверхностная энергия велика, граница раздела фаз выражена достаточно четко. Избыток свободной поверхностной энергии обусловливает стремление частиц перейти в энергетически более выгодное состояние с меньшей поверхностью. Происходит укрупнение частиц. Чтобы лиофобные коллоиды были устойчивы, необходимо присутствие стабилизатора. Такие золи самопроизвольно не образуются, для их получения требуется затрата энергии.

Лиофобные золи можно получить следующими способами: 1) диспергирование (измельчение вещества); 2) конденсация (объединение молекул или атомов); 3) пептизация (разъединение слипшихся частиц).

Диспергирование можно осуществить механическим раздроблением вещества в специальных коллоидных мельницах, в результате применения ультразвука, методом электрического распыления. Два последних метода диспергирования проводят в дисперсионной среде в присутствии стабилизатора.

Конденсационные методы включают в себя: 1) физическую конденсацию (испарение вещества с последующей конденсацией в более крупные частицы); 2) химическую конденсацию (проведение реакции образования труднорастворимого вещества в разбавленном растворе, что обеспечивает малую скорость роста агрегатов, а, следовательно, и малые их размеры (10^–9 – 10^–7 м), в присутствии одного из компонентов реакции, выполняющего функцию стабилизатора коллоидных частиц); 3) метод замены растворителя (раствор вещества постепенно при перемешивании прибавляется к жидкости, в которой это вещество нерастворимо).

При пептизации происходит дробление рыхлых осадков, в которых имеются отдельные частицы дисперсной фазы, разъединенные прослойками дисперсионной среды. Их непосредственному соприкосновению могут мешать двойные ионные слои малой толщины, которые обеспечивают отталкивание частиц на близких расстояниях, но на более далеких расстояниях преобладают силы межмолекулярного притяжения, не дающие частицам разойтись за счет теплового движения. Препятствовать окончательному слипанию могут также сольватные оболочки, имеющиеся на поверхности частиц.

Пептизировать такие осадки можно несколькими способами. Адсорбционная пептизация происходит за счет адсорбции ионов добавляемого электролита-пептизатора. Образующиеся двойные электрические слои способствуют отталкиванию слипшихся частиц и переводу их во взвешенное состояние. Пептизация может происходить за счет поверхностной диссоциации молекул твердой фазы с образованием двойных электрических слоев. Пептизатор в этом случае вызывает образование на поверхности растворимых диссоциирующих соединений. Пептизация может происходить при промывании осадка водой. Этот метод применяется, когда на поверхности частиц имеются двойные ионные слои, но они сжаты за счет высокой концентрации электролита.

К лиофобным золям относятся почвенные коллоиды, природные воды, с коллоидно-химическими процессами связано производство вяжущих неорганических веществ, керамики, стекла и др. Сложные коллоидные системы содержат в своем составе животные и растительные организмы. Многие лекарственные вещества, средства борьбы с вредителями и сорняками применяются в коллоидном состоянии.

Рассмотрим строение мицеллы лиофобного золя на примере образования коллоидного раствора иодида серебра при сливании разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия, причем KI взят в избытке и выполняет функцию стабилизатора. Иодид серебра образуется в результате обменной реакции:

AgNO₃+KI=AgI+KNO₃.

Микрокристалл малорастворимого иодида серебра, состоящие из m частиц AgI, называется агрегатом. На поверхности агрегата могут избирательно адсорбироваться ионы из раствора, причем в первую очередь адсорбируются те из них, которые присутствуют в избытке и родственны составу агрегата (правило Панета-Фаянса). В нашем примере – это анионы иода. Их называют потенциалопределяющими ионами. Допустим их n. Агрегат вместе с потенциалопределяющими ионами является частицей твердой фазы и называется ядром.

За счет электростатического притяжения анионы иода будут удерживать возле себя катионы калия, которые также присутствуют в избытке. Эти катионы называются противоионами. Противоионы, наиболее близко расположенные к ядру, находятся в слое жидкости, смачивающей его поверхность, и испытывают не только электростатическое, но и ван-дер-ваальсово притяжение ядра. Поэтому эти ионы наиболее прочно связаны с ядром. Они называются противоионами адсорбционной сферы. Однако их количество недостаточно для полной нейтрализации суммарного заряда потенциалопределяющих ионов. Образование, состоящее из ядра и адсорбционной сферы противоионов, носит название коллоидной частицы или гранулы. Она несет заряд, равный алгебраической сумме зарядов ионов адсорбционной сферы.

Остальные противоионы, слабее связанные с ядром, под действием теплового движения располагаются в жидкой фазе диффузно, то есть размыто. Они образуют диффузную сферу, нейтрализуя заряд коллоидной частицы.

Гранула в совокупности с диффузной сферой образуют мицеллу. Мицелла электронейтральна. Схематично строение мицеллы рассматриваемого золя приведено на рисунке 6.1.

{[AgI]_m, n I^–, (n-x) K⁺}^{x –} x K⁺

агрегат потенциал- противоионы противоионы

о пределяющие адсорбционной диффузной

ионы сферы сферы

ядро

коллоидная частица (гранула)

мицелла

Рисунок 6.1 – Схема строения мицеллы золя AgI при избытке KI

При движении дисперсной фазы относительно дисперсионной среды граница скольжения проходит вблизи раздела между адсорбционным и диффузным слоем противоионов. То есть гранула движется как целое, а диффузный слой противоионов непрерывно переформировывается во время движения.

Устойчивость гидрофобного золя не всегда обусловливается введением стабилизатора. Двойной электрический слой может образовываться и за счет ионогенных продуктов взаимодействия поверхности ядра с дисперсионной средой (например, золь гидратированного оксида кремния (IV)).

Методика проведения опытов

1. Образование золей при замене растворителя

Налить в пробирку 2 мл воды и добавить несколько капель насыщенного раствора серы в спирте. Встряхнуть содержимое пробирки, при необходимости дать раствору постоять в течение 2 – 3 минут. Что происходит? Запишите свои наблюдения и объясните их.

Проделайте аналогичный опыт со спиртовым раствором фенолфталеина.

2. Получение золя гидроксида железа (III) гидролизом соли

Нагрейте до кипения в маленьком стаканчике около 50 мл воды. В кипящую воду медленно, по каплям добавьте 2%-ный раствор хлорида железа (III) до получения коллоидного раствора гидроксида железа (III) цвета крепкого чая.

Напишите уравнение гидролиза хлорида железа (III), учитывая, что высокая температура благоприятствует смещению равновесия этой реакции в сторону образования гидроксида железа. Составьте схему строения мицеллы золя. Полученный коллоидный раствор сохраните для последующих опытов.

3 Получение золя иодида серебра

Налейте в пробирку 2 мл 0,02н. раствора иодида калия, прибавьте 2 – 3 капли 0,02н. раствора нитрата серебра, все время встряхивая содержимое пробирки. Записать в тетрадь уравнение реакции. Указать цвет золя.

Повторить опыт, прибавив теперь к раствору нитрата серебра 2 – 3 капли раствора иодида калия.

Изобразить схемы строения мицелл для первого и второго случая, учитывая, что заряд коллоидной частицы определяется тем ионом, родственным составу ядра, который имеется в избытке.

4 Получение золя берлинской лазури

В стаканчик прилейте 1 мл насыщенного на холоде раствора FeCl₃, разбавьте его водой до 100 мл. К этому раствору добавьте при взбалтывании одну каплю 20%-ного раствора K₄[Fe(CN)₆]. Образуется прозрачный синего цвета золь берлинской лазури. Сохраните зольдля последующих опытов.

Напишите уравнение протекающей реакции, изобразите схему мицеллы золя.

5 Получение золя Cu2[Fe(cn)6]

В стаканчик прилейте 0,5 мл 20%-ного раствора K₄[Fe(CN)₆], разбавьте его до 100 мл. В разбавленный раствор при взбалтывании прибавьте 3 – 4 капли 10%-ного раствора CuSO₄. Образуется коллоидный раствор Cu₂[Fe(CN)₆] красно-бурого цвета. Сохраните золь для последующих опытов.

Напишите уравнение протекающей реакции, изобразите схему мицеллы золя.

6 Получение золя гидроксида железа (III) путем пептизации

Приготовьте осадок гидроксида железа (III) действием щелочи на раствор хлорида железа(III). Напишите уравнение реакции.

Отфильтруйте осадок, перенесите небольшое его количество в стаканчик с несколькими мл концентрированного раствора хлорида железа (III) и нагрейте раствор до кипения. При кипячении наблюдается исчезновение осадка и изменение цвета раствора вследствие образования золя гидроксида железа (III). Причиной образования золя является адсорбция твердыми частицами осадка ионов железа из раствора. Адсорбированные ионы сообщают частицам осадка одноименные заряды, в результате чего они начинают отталкиваться друг от друга, постепенно равномерно распределяясь по всему объему. Происходит пептизация.

7 Получение золя берлинской лазури путем пептизации

В стакан прилей те 5 капель насыщенного раствора FeCl₃ и одну каплю раствора K₄[Fe(CN)₆]. Осадок размешивают палочкой и разбавляют большим количеством воды. Получают синий золь берлинской лазури.

В стаканчик прилейте 1,5 мл 20%-ного раствора K₄[Fe(CN)₆], разбавьте его водой до 100 мл. В разбавленный раствор при взбалтывании прибавьте 5 капель насыщенного раствора FeCl₃. Выпадает осадок берлинской лазури, который переносят на фильтровальную воронку с бумажным фильтром, промывают водой и заливают на фильтре 0,05 М раствором щавелевой кислоты. Осадок пептизируется. Через фильтр проходит золь берлинской лазури.