Лабораторна робота № 3 визначення електрокінетичного потенціалу золю гідроксиду заліза
Мета. Визначити електрокінетичний потенціал золю гідроксиду заліза (ІІІ) методом макроелектрофорезу.
1. Одержання та будова міцели золю гідроксиду заліза (ііі)
Яскравим прикладом золю є гідроксид заліза (ІІІ), який широко поширений в природі тому, що утворюється в процесі окиснення і гідролізу гідрокарбонату заліза, розчиненого в гідротермальних водах при виході їх в поверхневі шари:
4Fe(НCО3)2 + О2 + H2O 4Fe(OH)3 + 8СО2
Колоїдна система золь гідроксиду заліза (ІІІ) стала класичним об’єк-том наукових та лабораторних досліджень. В лабораторних умовах синтез золю Fe(OH)3 проводять гідролізом хлориду заліза (ІІІ) у воді за реакцією
FeCl3 + H2O Fe(OH)3 + 3HCl (1)
утворюється колоїдна часточка міцела золю гідроксиду заліза (ІІІ), хімічний склад якої можна описати наступною формулою
{
[Fe(OH)3]m
nFeO+
(nx)
Cl}x
n
Cl
(2)
Продукти реакції взаємодіють між собою
Fe(OH)3 + HCl FeOCl + 2H2O.
Один із продуктів - хлороксид заліза, що утворився є стабілізатором:
FeOCl FeO+ + Сl.
Кристали Fe(OH)3, що утворились, знаходяться в розчині, який містить іони FeO+, Сl.
Ядром міцели є кристалик – агрегат із молекул гідроксиду заліза, який межує із розчином. В літературі можна зустріти й інше твердження – ядро міцели це агрегат разом з адсорбованими на ньому потенціал визначаючими іонами. FeO+ іони є потенціал визначаючими іонами міцели золю стабілі-зуючими іонами.
Гідрозолі зазвичай синтезують при надлишку одного із компонентів, котрий припиняє ріст кристалика, надає йому заряд і проявляє стабілізуючу дію на агрегативну стійкість утворених часточок.
Залежно від умов синтезу склад міцели золю Fe(OH)3 може бути виражений наступними формулами:
{ m[Fe(OH)3] nFeO+ (nx)Cl} хCl
{ m[Fe(OH)3] nFe3+ 3(nx)Cl} 3хCl
{ m[Fe(OH)3] nН3О+ 3(nx)Cl} хCl
Як видно стабілізаторами виступають різні часточки, а саме FeO+, коли синтез проводять в киплячій воді. В цьому випадку НCl видаляється із розчину разом із парами води. У другому випадку стабілізатором може виступати сам FeCl3. Хлороводень можна видаляти діалізом. У цьому випадку проблематичною є наявність у водному розчині іонів Fe3+. У третьому випадку стабілізатором є НCl. Прихильники цієї теорії вважають, що на поверхні кристаликів є велика кількість гідроксидних груп – ОН, здатних адсорбувати водневий іон (іон гідроксонію), який є завжди присутнім в системі в момент утворення золю.
2. Виникнення подвійного електричного шару на ядрі золю
Виникнення подвійного електричного шару (ПЕШ) на поверхні криста-лика (ядра) зумовлено переходом зарядів (іонів) із однієї фази в іншу, причи-ною чого є відмінність в значеннях хімічного потенціалу компонента (іона) в межуючих фазах; іони переходять із фази із більшим значенням хімічного потенціалу у фазу, де має менше значення. В результаті на межі розділу фаз виникає скачок потенціалу, який призупиняє дальший перехід іонів.
В залежності від співвідношення їх хімічних потенціалів іони переходять із розчину на поверхню кристалу або з його поверхні в розчин. В обох випадках поверхня набуває надлишкового заряду, який компенсується іонами протилежного знаку – на межі розділу фаз утворюється ПЕШ.
Перший шлях утворення ПЕШ називають адсорбційним (асоціатив-ним), другий - поверхневою дисоціацією (дисоціативним).
1). Добудова кристалика золю іонами, що утворюють із другим іоном, що входить до складу кристалу нерозчинну сполуку. Перебіг цього процесу визначається правилом Панета Фаянса. Суть якого полягає в наступному – ядро добудовують іони, які входять до його складу є ідентичними по розмірах і властивостях, або є ізоморфними до часточок ядра. У випадку утворення золю гідроксиду заліза (ІІІ) такими часточками є іони FeO+.
2). Вибіркова адсорбція одного із іонів з розчину.
3). Часткова дисоціація якій піддається частина поверхневих молекул ядра. У випадку золю Fe(OH)3, при дисоціації утворюються Fe(OH)2+ іони.
Іони, що утворюють внутрішню обкладку адсорбційного шару (ближчу до ядра) називаються потенціалвизначаючими. Заряди, що утворюються на ядрі миттєво компенсуються силами електростатичної взаємодії із іонами, що знаходяться в розчині утворюючи при цьому щільний шар протиіонів (зовнішну обкладку).
Основна частина всіх протиіонів адсорбованих на ядрі колоїдної часточки, утворює разом із потенціалівизначаючими іонами адсорбційний шар (схема 2).
У випадку міцели золю гідроксиду заліза потенціалвизначаючим іоном буде FeO+ тому, що іони Cl протиіони не входять до складу ядра колоїдної часточки, а їх частина (nx) утворює разом із іонами FeO+ адсорбційний шар. Друга частина (n) іонів Cl утворює дифузійний шар міцели (схема 2).
Міцела золю в цілому – електронейтральна частинка.
Будова міцел золів залежить від умов синтезу, тобто котра із реагуючих речовин є в надлишку. У випадку еквівалентних кількостей речовин взятих для реакції зазвичай частинки – кристали досягають великих розмірів і випадають в осад. Та речовина котра взята в надлишку виступає стабілізатором, що забезпечує агрегативну стійкість колоїдним часточкам. Надлишок речовин також визначає, який іон буде визначати потенціал міцели – її заряд, а який іон буде протиіоном.
Наявність електричного заряду у колоїдних частинок (гранул) зумовлює можливість їх руху в постійному електричному полі. При цьому протиіони дифузного шару рухаються в напрямку, протилежному гранулі. При дифузії і броунівському русі переміщення колоїдних частинок відбувається разом із їх дифузними шарами. Оскільки протиіони захоплюють із собою свої гідратні оболонки, відбувається переміщення молекул води до полюса зарядженого одноіменно із гранулою.