Тема 5. Гетерогенные дисперсные системы

5.1. Вопросы для подготовки к лабораторной работе

1. Классификация дисперсных систем.

2. Причины термодинамической неустойчивости гетерогенных дисперсных систем и факторы устойчивости.

Литература: [1 ─ Работа 18]; [2 ─ § 8.7]; [3 ─ § 7.8].

5.2. Выполнение типовых заданий

Задание 1. Образование сульфида марганца происходит в результате взаимодействия водных растворов хлорида марганца и сульфида натрия:

а) напишите в молекулярной и полной ионно-молекулярной форме уравнение реакции;

б) составьте схему мицеллы сульфида марганца в случае избытка хлорида марганца и в случае избытка сульфида натрия. Укажите структурные части мицелл: ядро, потенциалопределяющие ионы, противоионы адсорбционного и диффузного слоя, границу возникновения электрокинетического потенциала;

в) выберите наиболее эффективный коагулянт для золя с положительным и с отрицательным зарядом коллоидной частицы среди следующих электролитов: NaCl, Na₂SO₄, CаCl₂, AlCl₃, Na₃PO₄.

Ответ.

а) MnCl₂ + Na₂S → MnS + 2NaCl;

Mn²⁺ + 2Cl‾ + 2Na⁺ + S²‾ → MnS + 2Na⁺ + 2Cl‾.

б) Рассмотрим строение мицеллы в случае избытка хлорида марганца.

Mn²⁺ + 2Cl‾ + 2Na⁺ + S²‾ → MnS + 2Na⁺ + 2Cl‾.

избыток избыток малорастворимое соединение

Ядро коллоидной частицы состоит из агрегата молекул малорастворимых в воде частиц – m(MnS). Родственные ядру и находящиеся в избытке ионы Mn²⁺ образуют слой потенциалопределяющих ионов – nMn²⁺. Ионы, противоположные по знаку потенциалопределяющим ионам (противоионы), – Cl‾ (тоже содержатся в избытке), вследствие электростатического взаимодействия притягиваются к потенциалопределяющим Mn²⁺.

Часть противоионов с молекулами воды 2(n–х)Cl‾∙ уН₂О входят в адсорбционный слой, а оставшаяся часть – 2хCl‾∙ zН₂О образует диффузный слой. Всё вместе составляет мицеллу, которая электронейтральна. На границе адсорбционного и диффузного слоя возникает электрокинетический ζ (дзета)– потенциал, Это важнейший фактор стабильности коллоидных систем.

Коллоидная частица состоит из ядра, потенциалопределяющих ионов и противоионов адсорбционного слоя. Ясно, что коллоидная частица имеет электрический заряд, величина которого равна разности зарядов потенциалопределяющих ионов и противоионов. Отсюда следует, что заряд коллоидной частицы положительный.

ζ– потенциал

{[( m (MnS)) ∙ nMn²⁺ ∙ 2 (n─x) Cl‾ ∙ уH₂O]^2х+ + 2x Cl‾ ∙ zH₂O }

ядро потенциал- адсорбционный диффузный

определяющие слой слой

ионы противоионов противоионов

[ …… коллоидная частица ………………….]

{ _______________________ мицелла ____________________ }.

Графическое изображение строения мицеллы гидрозоля MnS представлено на рис. 1.

Рис. 1. Схема строения гидрозоля сульфида марганца,

полученная в избытке MnCl₂

Строение мицеллы в случае избытка сульфида натрия будет отличаться по составу структурных составляющих, кроме ядра.

Mn²⁺ + 2Cl‾ + 2Na⁺ + S ²‾ → MnS + 2Na⁺ + 2Cl‾.

избыток избыток нерастворимое соединение

Слой потенциалопределяющих ионов будет состоять из родственных ядру ионов S²‾, противоионами будут находящиеся в избытке ионы Na⁺, и коллоидная частица будет иметь отрицательный заряд.

ζ– потенциал

{[( m (MnS) ∙ n S ²‾ ∙ 2 (n─x) Na⁺ ∙ уH₂O]^2х‾ + 2x Na⁺ ∙ zH₂O }

ядро потенциал- адсорбционный диффузный

определяющие слой слой

ионы противоионов противоионов

[ ………… коллоидная частица ……………..]

{ ______________________ мицелла ______________________ }.

в) Если противоионы будут преимущественно скапливаться в адсорбционном слое, то заряд коллоидной частицы и ζ – потенциал будут уменьшаться, что приведёт к потере стабильности золя и его коагуляции (увеличению размера частиц вследствие их слипания). Такое явление происходит при введении в золь электролита-коагулянта, в котором ионом-коагулятором будет ион со знаком заряда, противоположным заряду коллоидной частицы, т.е. одинаковым с зарядом противоионов. Чем больше заряд иона-коагулятора, тем выше его коагулирующая сила и меньше порог коагуляции. Под порогом коагуляции понимают наименьшую концентрацию электролита, вызывающую коагуляцию. Предложенные электролиты диссоциируют следующим образом:

NaCl → Na⁺ + Cl‾; Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²‾; CаCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl‾;

AlCl₃→ Al³⁺ + 3Cl‾; Na₃PO₄→ 3Na⁺ + PO₄³‾.

Наибольший отрицательный заряд имеет ион PO₄³‾, поэтому Na₃PO₄ будет наиболее эффективным коагулянтом для положительно заряженного золя сульфида марганца, т.к. для разрушения коллоидной системы его потребуется меньше. Для отрицательно заряженного золя наименьший порог коагуляции имеет AlCl₃.

Задание 2. В результате гидролиза соли Fe₂ (SO₄)₃, протекающего в соответствующих условиях (повышенная температура и разбавление раствора) с практически полным смещением равновесия в сторону продуктов реакции, образуется положительно заряженный золь гидроксида железа:

а) напишите молекулярное и полное ионно-молекулярное уравнение гидролиза сульфата железа (II);

б) составьте схему мицеллы гидрозоля железа, укажите её составные части: ядро, потенциалопределяющие ионы, противоионы адсорбционного и диффузного слоя. Укажите коллоидную частицу, её заряд и границу возникновения электрокинетического потенциала.

t⁰

Ответ. а) Fe₂ (SO₄)₃ + 6 Н₂О → 2 Fe(OH)₃ + 3 H₂SO₄;

разбавление раствора

2 Fe ³⁺ + 3 SO₄²‾ + 6 Н₂О → 2 Fe(OH)₃ + 6 H⁺ + 3 SO₄²‾.

избыток избыток малорастворимое соединение

б)

ζ– потенциал

{[( m Fe(OH)₃) ∙ 2n Fe ³⁺ ∙ 3 (n─x) SO₄²‾ ∙ уH₂O]^2х+ + 3x SO₄²‾ ∙ zH₂O }

ядро потенциал- адсорбционный диффузный

определяющие слой слой

ионы противоионов противоионов

[ …………….. коллоидная частица ……………..]

{ _______________________ мицелла _________________________ }.

Задание 3. Изобразите графически, как поверхностно-активное вещество стабилизирует эмульсию типа «вода в масле».

Ответ. Эмульсии состоят из несмешивающихся жидкостей, причём полярные жидкости условно называют «вода», а неполярные – «масло». Равновесному, устойчивому состоянию системы отвечает её разделение на две фазы: «вода» и «масло». Чтобы предотвратить такое разделение, вводят стабилизаторы, например поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые имеют неполярную (гидрофобную) часть и полярную (гидрофильную) часть.

неполярная часть полярная часть

ПАВ располагаются на границе раздела фаз «вода» –«масло» таким образом, чтобы полярная часть молекулы была обращена к полярной фазе (воде), а неполярная – к неполярной фазе (маслу) (рис.2). На границе раздела фаз создаётся защитный молекулярно-адсорбционный слой, который предотвращает укрупнение частиц дисперсной фазы.

Рис. 2. Схема стабилизации эмульсии типа «вода в масле»

молекулами поверхностно-активного вещества