Введение

Настоящее учебное пособие предназначено для подготовки к выполнению лабораторных работ по курсу «Коллоидная химия» студентов обучающихся по специальности 320700 – «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов». Также может быть использовано студентами других специальностей, в учебной программе которых предусмотрен данный курс.

В пособии содержатся шесть лабораторных работ, охватывающих практически все разделы курса «Коллоидная химия». Каждая работа состоит из теоретической и практической частей. В первой части рассмотрены теоретические предпосылки, необходимые для выполнения экспериментальных исследований, дающие объяснения сущности физико-химических процессов, происходящих в ходе работы. Для проверки усвоения изложенного материала в конце работы приведены вопросы для контроля. В практической части дается цель работы, необходимые реактивы и оборудование, описание и порядок проведения работы, требования к оформлению отчетов.

Основные цели лабораторных работ по коллоидной химии – привить студентам навыки самостоятельной экспериментальной работы и помочь усвоению основного теоретического материала, рассматриваемого на лекциях.

Лабораторная работа №1 получение золей методом замены растворителя. Перезарядка золей

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Предмет коллоидной химии

Наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах называется коллоидной химией.

К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на поверхности раздела фаз, в межфазном поверхностном слое и возникающие в результате взаимодействия сопряженных фаз. Каждое тело ограничено поверхностью, поэтому объектами коллоидной химии могут быть тела любого размера. Однако поверхностные явления проявляются сильнее всего в телах с высокоразвитой поверхностью, которая придает им новые важные свойства.

Дисперсные системы, рассматриваемые в коллоидной химии, состоят как минимум из двух фаз. Одна из них является сплошной и называется дисперсионной средой. Другая фаза раздроблена и распределена в первой, ее называют дисперсной фазой [1].

Классификация дисперсных систем

Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсной фазы и дисперсионной среды. Три агрегатных состояния (твердое, жидкое и газообразное) позволяют выделить девять типов дисперсных систем (табл. 1.1). Для краткости их условно обозначают дробью, числитель которой указывает на агрегатное состояние дисперсной фазы, а знаменатель – дисперсионной среды. Например, дробью Т/Ж обозначают системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (твердое в жидкости). Одно из девяти сочетаний Г/Г в обычных условиях не может образовать коллоидной системы, так как газы при любых соотношениях дают истинные растворы. Однако и газы могут проявлять некоторые свойства коллоидных систем благодаря непрерывным флуктуациям плотности и концентрации, вызывающим неоднородности в системе.

Из представленной классификации видно, что все дисперсные системы по кинетическим свойствам дисперсной фазы можно разделить на два класса: свободнодисперсные системы, в которых дисперсная фаза подвижна, и связнодисперсные системы – системы с твердой дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной фазы не могут свободно передвигаться. К свободнодисперсным системам относятся золи, к связнодисперсным – гели.

Дисперсные системы классифицируют по дисперсности. Для свободнодисперсных и связнодисперсных систем классификации по дисперсности имеют существенные различия.

Таблица 1.1

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

Условное обозначение системы	Название системы и примеры
Т/Т	Твердые гетерогенные системы: минералы, сплавы, бетон, композиционные материалы
Ж/Т	Капиллярные системы: жидкость в пористых телах, адсорбенты в растворах, почвы, грунты
Г/Т	Пористые тела: адсорбенты и катализаторы в газах
Т/Ж	Суспензии и золи: промышленные суспензии, пульпы, взвеси, пасты, илы
Ж/Ж	Эмульсии: природная нефть, кремы, молоко
Г/Ж	Газовые эмульсии и пены: флотационные, противопожарные, мыльные пены
Т/Г	Аэрозоли (пыли, дымы), порошки
Ж/Г	Аэрозоли, туманы, в том числе промышленные, облака
Г/Г	Коллоидные системы отсутствуют

Свободнодисперсные системы подразделяются на ультрамикрогетерогенные, размер частиц которых лежит в пределах от 10^–7 до 10^–5 см (от 1 до 100 нм), микрогетерогенные с размером частиц от 10^–5 до 10^–3 см (от 0,1 до 10 мкм) и грубодисперсные с частицами, размер которых превышает 10^–3 см.

Ультрамикрогетерогенные системы часто называют истинно коллоидными или просто коллоидными, так как раньше только такие системы считались объектом коллоидной химии. Сейчас термин «коллоидный» стал применяться в широком смысле, равноценном термину «гетерогенно-дисперсный», а за ультрамикрогетерогенными системами осталось название «золи».

Связнодисперсные системы, точнее, пористые тела, классифицируют на микропористые – с размерами пор до 2 нм, переходно-пористые – от 2 до 200 нм и макропористые – выше 200 нм. Системы Т/Т часто удобнее подразделять по дисперсности так же, как и свободнодисперсные системы.

По термодинамической устойчивости дисперсные системы классифицируют на лиофильные (термодинамически устойчивые) и лиофобные (термодинамически неустойчивые) [2].