Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

625

.pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
07.01.2021
Размер:
602.5 Кб
Скачать

Министерство 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

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]