625
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»
Кафедра «Инженерная экология и химия»
ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ И АДСОРБЦИЯ |
||||
|
|
|
|
и |
|
|
|
д |
|
Лабораторный практ кум |
||||
|
|
а |
|
|
|
б |
|
|
|
и |
|
|
|
|
Состав тель В.А. Хомич |
||||
С |
|
|
|
|
Омск ♦ 2016
1
УДК 54 24.6(075)
ББК 24.6 541.18я73
Согласно 436-ФЗ от 29.12.2010 «О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию» данная продукция маркировке не подлежит.
Рецензенты:
канд. хим. наук, доц. Л.Н. Котова (ФГБОУ ВПО ОГТУ); канд. хим. наук, доц. Е.А. Стрижак
(СКИТУ (филиал) ФГБОУ ВО МГУТУ им. Разумовского)
Работа утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве лабораторного практикума.
Дисперсные системы и адсорбция |
[Электронный ресурс] |
: лабораторный |
|||
Сибади |
|
|
|||
практикум / сост. В.А. Хомич. – Электрон. дан. − Омск : СибАДИ, 2016. – URL: http:// |
|||||
bek.sibadi.org/cgi-bin/irbis64r plus/cgiirbis 64 ft.exe. |
- |
Реж м |
доступа: |
для |
|
авторизованных пользователей. |
|
|
|
|
|
Предназначен для выполнения лабораторных работ по |
исциплине «Физическая и |
||||
коллоидная химия». Практикум включ ет |
5 л бораторных работ по разделам: |
«Гетерогенно-дисперсные системы», «Поверхностные явления и адсорбция». Рекомендован для обучающихся напр вления «Техносферная безопасность» профили: «Защита окружающей среды» и «Безоп сность техносферных процессов и производств».
Имеет интеракт вное оглавлен е в виде закладок.
Текстовое (с мвольное) издание (800 КБ)
Системные требования : Intel, 3,4 GHz ; 150 МБ ; Windows XP/Vista/7 ; DVD-ROM ;
1 ГБ свободного места на жестком диске ; программа для чтения pdf-файлов
Adobe Acrobat Reader ; Google Chrome
Редактор И.Г. Кузнецова
Техническая подготовка − Т.И. Кукина Издание первое. Дата подписания к использованию 11.11.2016
Издательско-полиграфический центр СибАДИ. 644080, г. Омск, пр. Мира, 5 РИО ИПЦ СибАДИ. 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1
© ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2016
2
ВВЕДЕНИЕ
Лабораторный практикум по дисциплине «Физическая и коллоидная химия» охватывает материал второй части курса, а именно коллоидной химии, и включает два раздела: «Гетерогеннодисперсные системы» и «Поверхностные явления и адсорбция».
Лабораторные работы выполняются по следующим темам: 1. Классификация гетерогенно-дисперсных систем.
2. Электрические и электрокинетические свойства коллоидных систем.
3. |
Устойчивость и коагуляция коллоидных систем. |
|
4. |
Адсорбция. |
|
5. |
Поверхностно-активные вещества. |
и |
Перед выполнением каждой лабораторной работы сдается |
коллоквиум |
по |
теоретическим |
основам |
её |
выполнения. |
|
|
|
д |
|
|
Теоретический материал в краткой форме пр вод тся в практикуме. |
Выполненная лабораторная работа оформляется в в де письменного |
||
отчета с последующей защитой. |
а |
|
|
||
|
б |
|
и |
|
|
С |
|
|
3
Лабораторная работа № 1
ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
План коллоквиума
1.Классификация дисперсных систем.
2.Коллоидные растворы, строение мицелл.
3.Способы получения коллоидных систем.
Теоретические основы выполнения работы
Гетерогенная дисперсная система – это система, в которой одна фаза в виде отдельных очень мелких частиц распределена в
другой. В этой системе выделяют: |
|
|
||
дисперсную фазу – |
|
дисперсионную среду – среда, в |
|
|
раздробленное вещество |
|
|
и |
|
|
которой н хо ится раздробленное |
|||
(частицы) определенного |
|
(диспергированное) вещество. |
|
|
размера и формы. |
|
|
д |
|
Важнейшей характеристикойадисперсных систем является |
||||
степень дисперсности ( |
ли степень раздробленности) D – величина, |
|||
обратная среднему размеру част ц дисперсной фазы. |
|
|||
|
б |
1а , |
|
|
и |
D = |
(1) |
||
где а равно либо диаметру сферических или волокнистых частиц, |
||||
либо длине ребра кубических частиц, либо толщине пленок. |
|
|||
Степень дисперсностиС D численно равна числу частиц, которые |
||||
можно уложить плотно в ряд (или в стопку пленок) на протяжении |
||||
единицы длины (1 м или 1 см). |
|
|
|
|
С повышением дисперсности все больше число атомов вещества |
находится в поверхностном слое – на границе раздела фаз, по сравнению с их числом внутри объема частиц дисперсной фазы.
Классификация дисперсных систем. Существует несколько классификаций дисперсных систем по различным признакам.
1. Дисперсные системы классифицируют по топографическому строению: пленочно-дисперсные или ламинарные, волокнисто-
4
дисперсные или фибриллярные, корпускулярно-дисперсные или корпускулярные.
2. Дисперсные системы классифицируют по степени дисперсности (табл. 1).
Таблица 1
Классификация дисперсных систем по степени дисперсности
|
|
|
|
|
Размер |
Степень |
|
Число |
||
Системы |
Раздробленность |
|
частиц а, |
дисперс- |
|
атомов |
||||
|
|
нм |
ности D, м-1 |
|
в одной |
|||||
|
вещества |
|
|
|
|
|
|
|
частице |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Грубодисперсные |
Макроскопическая |
107 – 105 |
102 – 104 |
|
> 1018 |
|||||
|
|
|
|
|
(1 – 10-2 см) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
Микроскопическая |
105 – 102 |
104 – 107 |
|
> 109 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Высокодисперсные |
Коллоидная |
|
|
д |
107 – 109 |
|
109 – 103 |
|||
|
|
100 – 1 |
|
|||||||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ультрадисперсные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
||
Истинные |
Молекулярная и |
|
1 – 10-1 |
|
> 109 |
|
< 103 |
|||
растворы |
ионная |
б |
|
|
|
|
|
|
||
(молекулярные и |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ионные) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
по однородности |
||||
3. Дисперсные с стемы классифицируют |
||||||||||
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
размеров частиц: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
монодисперсные – все частицы |
|
полидисперсные – частицы |
|
|||||||
дисперсной фазы имеют |
|
|
дисперсной фазы неодинакового |
|||||||
одинаковые размеры. |
|
|
размера. |
|
|
|
|
4. Дисперсные системы классифицируют по агрегатному состоянию (табл. 2): т – твердое состояние; ж – жидкое состояние; г – газообразное состояние.
5
Таблица 2
Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды
Дисперсная |
Дисперсионная |
|
|
Тип системы |
|
Примеры |
||
фаза |
среда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ж |
г |
|
|
|
Аэрозоль – |
|
Аэрозоли |
|
|
|
|
|
коллоидно-дисперсные |
|
|
||
|
|
|
|
|
Грубодисперсные |
|
Туман, облако |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т |
г |
|
|
|
Аэрозоль – |
|
Аэрозоли |
|
|
|
|
|
коллоидно-дисперсные |
|
|
||
|
|
|
|
|
Грубодисперсные |
|
Пыль, дым, смог |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г |
ж |
|
|
|
Пена – |
|
|
Пены мыльные, |
|
|
|
|
|
грубодисперсные |
|
противопожарные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ж |
ж |
|
|
|
Лиозоли – |
|
Молоко, майонез |
|
|
|
|
|
коллои носперсные |
|
|
||
|
|
|
|
|
Эмульсия – |
|
Капли масла в воде |
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
грубо исперсные |
|
|
|
т |
ж |
|
|
|
Лиозоли, |
|
Золи металлов |
|
|
|
|
|
|
д |
|
|
|
|
|
|
|
коллоидные р створы |
|
|
||
|
|
|
|
|
Суспензия (взвесь) – |
|
Взмученная глина |
|
|
|
|
|
|
агру одисперсные |
|
в воде |
|
г |
т |
|
|
Пористые системы – |
|
Гель цементного |
||
|
|
|
|
бКоллоидно-дисперсные |
|
камня |
||
|
|
и |
Твердые пены – |
|
Пенобетон, |
|||
|
|
грубодисперсные |
|
пенопласт, пемза |
||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ж |
т |
|
|
|
Гель – |
|
|
Гель |
|
С |
|
коллоидно-дисперсные |
|
|
|||
|
|
|
Жидкие включения в |
|
Почва |
|||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
твердых телах – |
|
|
|
|
|
|
|
|
грубодисперсные |
|
|
|
т |
т |
|
|
|
Твердые коллоидные |
|
Рубин |
|
|
|
|
|
|
растворы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Твердые включения в |
|
Минералы |
|
|
|
|
|
|
твердых телах – |
|
|
|
|
|
|
|
|
грубодисперсные |
|
|
6
5. Дисперсные системы классифицируют по отличию во взаимодействии между частицами дисперсной фазы (ДФ) и дисперсионной среды (ДС):
лиофобные дисперсные системы лиофильные дисперсные системы или коллоидные растворы: или растворы высокомолекулярных
соединений (ВМС):
- частицы ДФ не |
|
|
- частицы ДФ взаимодействуют с |
|||
взаимодействуют или слабо |
|
частицами ДС; |
||||
взаимодействуют с частицами |
|
|
|
|
||
ДС; |
|
|
|
|
|
|
- системы получают с затратой |
|
- системы образуются |
||||
энергии; |
|
|
|
самопроизвольно; |
||
- структурная частица системы |
|
- структурная част ца системы – |
||||
мицелла – сложный |
|
|
|
д |
||
|
|
это одна макромолекула ВМС. |
||||
многокомпонентный агрегат с |
а |
и |
||||
переменным числом |
|
|||||
адсорбированных ионов или |
|
|
|
|
||
молекул. |
|
б |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
6. Дисперсные системы кл ссифицируют по наличию или |
||||||
|
и |
|
|
|
|
|
отсутствию взаимодействия между частицами дисперсной фазы (ДФ): |
||||||
|
С |
|
|
|
|
|
свободнодисперсные: |
|
|
связнодисперсные: |
|||
- частицы ДФ не имеют |
|
|
- возникают при контактах частиц |
|||
контактов между собой, |
|
|
ДФ, приводящих к образованию |
|||
участвуют в беспорядочном |
|
коагуляционной структуры в виде |
||||
тепловом движении, свободно |
|
каркаса или сетки – геля |
||||
перемещаются под действием |
|
(полутвердое – полужидкое |
||||
силы тяжести; |
|
|
|
состояние); |
||
- системы текучи. |
|
|
- возникают при срастании или |
|||
|
|
|
|
склеивании частиц ДФ, |
||
|
|
|
|
приводящих к образованию |
||
|
|
|
|
конденсационных или |
||
|
|
|
|
кристаллизационных структур. |
||
Примеры систем: аэрозоли, |
|
Примеры систем: гели, порошки, |
||||
лиозоли, разбавленные |
|
|
концентрированные эмульсии и |
|||
суспензии и эмульсии. |
|
|
суспензии (пасты), пены. |
7
Кроме перечисленных дисперсных систем выделяют
капиллярно-дисперсные системы – системы, в которых частицы дисперсной фазы образуют сплошную массу, а частицы дисперсионной среды пронизывают ее в порах или капиллярах. Примеры капиллярно-дисперных систем: древесина, мембраны, кожа, бумага, картон, ткани.
Коллоидные растворы или золи (от латинского «solutio» –
раствор) – это высокодисперсные системы с жидкой дисперсной средой. Частицы дсперсной фазы в коллоидных растворах называются мицеллами.
Рассмотрим пример образования коллоидного раствора иодида серебра AgI при взаимодействии очень разбавленных растворов
AgNO3 и KI.
AgNO3 + KI = AgI↓ + KNO3. |
|
||
Ag+ + NO3 - + K+ + I- = AgI↓ + K+ + NO3-. |
|||
|
|
д |
ядро. Вещество ядра |
1. Нерастворимые молекулы AgI образуют |
|||
|
а |
|
|
имеет кристаллическую или аморфную иструктуру и состоит из |
|||
нескольких тысяч нейтральных молекул или атомов: |
|||
б |
|
- |
|
|
m[AgI] |
|
|
ядро коллоидной ч стицы |
|
||
и |
|
|
|
2. Ядро адсорбирует (концентрирует) на своей поверхности те
или иные ионы, меющ еся в растворе. Обычно адсорбируются те ионы, которые входят в состав ядра, т.е. или Ag+ или I-. Если раствор получали при Сизбытке KI, то адсорбируются I . Они достраивают
кристаллическую решетку ядра, начиная формировать адсорбционный слой и придавая ядру отрицательный заряд:
m[AgI]nI-
Ионы, адсорбирующиеся на поверхности ядра и придающие ему соответствующий заряд, называются потенциалопределяющими ионами.
3. В растворе находятся и другие ионы избытка реактива, противоположные по знаку – это противоионы K+, которые электростатически притягиваются ионами nI-, достраивая адсорбционный слой. Но только часть ионов K+ (n-x) притягиваются потенциалопределяющими ионами. Таким образом, ядро с адсорбционным слоем формируют гранулу.
8
{m[AgI]nI-(n-x) K+}x-
ядро |
адсорбционный слой |
гранула
4. Оставшаяся часть противоионов образует диффузионный слой ионов.
{m[AgI]nI-(n-x) K+}x-xK+
гранула |
диффузионный слой |
мицелла |
|
Ядро с адсорбционным и диффузионным слоями представляет собой мицеллу.
Наличие одноименного заряда у всех гранул является важным
электролитов происходит уменьшение вел ч ны зарядов гранул, что
фактором устойчивости. Заряд препятствует слипанию и укрупнению коллоидных частиц, то ес ть коагуляции. иПри добавлении к золям
приводит к слипанию частиц. В результате коагуляц частицы могут
или выпасть в осадок под влияниемдс лы тяжести – это процесс седиментации, или образоватьаполутвер ую упругую массу – гель или студень.
Пример коллоидной бсистемы – молоко. Составные части: вода, жир, казеин и молочный сах р. Жир в виде эмульсии с течением времени поднимаетсяикверху, о разуя сливки; казеин в виде коллоидного раствора самопроизвольно не выделяется, но при подкислении Сосаждается, превращаясь в творог (в естественных условиях казеин выделяется при скисании молока).
Примеры коллоидных растворов (золей): протоплазма живых клеток, кровь, сок растений.
Способы получения коллоидных систем. Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами. Поэтому коллоидные растворы могут быть получены:
-путем ассоциации (конденсации) молекул или ионов истинных растворов – методы конденсации;
-раздроблением частиц дисперсной фазы грубодисперсных систем – методы диспергирования.
9
Методы конденсации подразделяются на:
физическую конденсацию – |
химическую конденсацию – образование |
|||||
образование коллоидной |
|
коллоидной системы в результате |
||||
системы без протекания |
|
протекания химической реакции, |
||||
химических реакций: |
|
приводящей к образованию |
||||
|
|
|
|
нерастворимого вещества: |
||
- метод понижения |
|
|
- окислительно-восстановительной |
|||
температуры: конденсация |
реакции: |
|
||||
молекул испаряющегося |
|
Na2S2O3 + H2SO4 = |
||||
вещества, соединяющихся в |
= Nа2SO4 + SO2↑ + S↓ + H2O; |
|||||
мелкие частицы при |
|
|
2HAuCl4 + 3H2O2 = 2Au↓ + 8HCl + 3O2; |
|||
охлаждении; |
|
|
|
|
- реакции гидролиза: |
|
- метод замены |
|
|
FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3↓ + 3HCl; |
|||
растворителя: изменение |
|
- реакции обмена: |
||||
среды, при котором |
|
|
AgNO3 + KCl = AgCl↓ + KNO3; |
|||
растворимое вещество |
|
Hg(CN)2 + H2S = HgS↓ + 2HCN. |
||||
становится нерастворимым |
|
а |
и |
|||
или малорастворимым. |
б |
|
||||
Необходимым условием |
|
Необходимыедусловия получения |
||||
существования коллоидной |
коллоидной системы: разбавленные |
|||||
системы является |
и |
|
|
|||
|
|
растворы реагентов, избыток одного из |
||||
нерастворимость вещества в |
растворов реагентов. |
|||||
растворителе. |
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Методы диспергирования подразделяются на следующие виды: 1. Механическое раздробление твердого тела осуществляется с помощью коллоидных мельниц (быстро вращающегося механизма ударного действия, скорость вращения – 150 м/с). Измельченные частицы вещества для диспергирования смешивают с жидкостью, содержащей стабилизатор; частицы полученной взвеси, приобретая скорость, ударяются о неподвижные выступы и разбиваются на
мелкие частицы.
2. Электрическое распыление осуществляется с помощью шаровых мельниц. Через дисперсионную среду, например воду, пропускают электрический ток между электродами, изготовленными из материала, коллоидный раствор которого нужно получить; один из электродов распыляется. Сначала осуществляется молекулярное
10