Общая химия. Дисперсные системы учебное пособие для студентов направлений 250400, 190700, 151000, 190600

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени С. М. Кирова»

Кафедра неорганической и аналитической химии

И. Я. Киселев, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХИМИЯ

***

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Учебное пособие для студентов направлений

250400, 190700, 151000, 190600

Санкт-Петербург

2014

Рассмотрено и рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией

факультета химической технологии и биотехнологии Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета 25 сентября 2013 г.

Рецензенты:

кафедра физической и коллоидной химии СПбГТУРП,

(и. о. зав. кафедрой кандидат химических наук, профессор И. И. Осовская), доктор химических наук, профессор кафедры общей,

неорганической и аналитической химии А. П. Нечипоренко (Институт холода и биотехнологии

Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики)

УДК 541.18

Киселев, И. Я.

Общая химия. Дисперсные системы: учебное пособие для студентов направлений 250400, 190700, 151000, 190600 / И. Я. Киселев. – СПб.: СПбГЛТУ, 2014. – 28 с.

ISBN 978-5-9239-0679-0

Представлено кафедрой неорганической и аналитической химии.

Целью настоящего учебного пособия является оказание помощи студентам в изучении дисперсных систем с целью достижения высокого уровня остаточных знаний у студентов.

Вразделе «Гидрофобные коллоидные системы», который представляет теоретическую часть пособия, рассмотрены гидрофобные дисперсные системы, строение коллоидной частицы, мицеллы, оптические и электрические свойства, физико-химическая природа коагуляции и пептизации коллоидных систем.

Вразделе «Практические работы по дисциплине "Дисперсные системы"» содержатся методические указания к пяти лабораторным работам по коллоидным системам, изучаемым в курсе общей химии. Здесь же приведена реальная формула для расчета порога коагуляции коллоидных систем.

Для активации самостоятельной работы студентов с учебным пособием и для лучшего усвоения материала в конце учебного пособия помещены вопросы и задачи.

Табл. 4. Ил. 5. Библиогр. 3 назв.

2

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Гидрофобные коллоидные системы

Гидрофобные дисперсные системы (суспензии и золи) получаются только в том случае, когда дисперсная фаза малорастворима в дисперсионной среде. При этом необходимо, чтобы частицы дисперсной фазы приобретали электрический заряд. Размеры частиц коллоидных систем должны быть в пределах 1–100 нм. При этом необходимо присутствие стабилизатора.

Строение коллоидной частицы и мицеллы

Коллоидная частица – это ядро, состоящее из молекул, атомов или ионов, окруженное двойным электрическим слоем.

На рис. 1 представлена схема строения мицеллы золя иодида серебра

AgI. Стабилизатор – иодид калия KI.

Для получения гидрофобного золя иодида серебра пользуются реакцией между AgNO3 и KI. Коллоидная частица содержит ядро m[AgI]. На поверхности ядра расположены адсорбированные зарядообразующие (потенциалопределяющие) ионы I–. Обычно адсорбируются те ионы, которые входят в состав ядра, при этом они образуют адсорбционный слой и создают электрический заряд поверхности.

Вследствие электростатического притяжения на заряженной поверхности коллоидной частицы адсорбируются ионы противоположного знака.

Ионы, имеющие электрический заряд, противоположный по знаку заряду поверхности коллоидной частицы, называются противоионами.

Часть противоинов К+ входит в состав адсорбционного слоя. При этом зарядобразующие ионы I– и противоины К+ адсорбционного слоя образуют двойной электрический слой ДЭС. Таким образом, ионы стабилизатора KI

4

образуют двойной электрический слой в коллоидной частице. Каждый слой ДЭС обладает определенным электростатическим потенциалом φ.

Рис. 1. Схема строения мицеллы золя AgI

Остальная часть противоинов К+ расположена в дисперсионной среде и имеет диффузное строение. Эта часть названа диффузным слоем мицеллы.

Представленную на рис. 1 мицеллу золя иодида серебра можно изобразить формулой:

{ m[AgI]nI– · (n – x)K+ }x– · xK+

коллоидная частица диффузный слой мицелла

Буква m указывает число «молекул» AgI, содержащихся в ядре. Буква n указывает число зарядообразующих ионов, адсорбированных поверхностью ядра; оно во много раз меньше m. Общее число противоинов также равно n. Часть противоинов, равная x, составляет диффузный слой. Остальная часть противоионов, равная (n – x), входит в состав адсорбционного слоя.

Стоящая после второй фигурной скобки вверху буква x со знаком минус показывает величину и знак заряда коллоидной частицы.

Как видно из формулы, коллоидная частица заряжена отрицательно, т. е. золь AgI при избытке KI является отрицательно заряженным золем. На границе раздела «дисперсная фаза – дисперсионная среда» устанавливается равновесие:

5

На рис. 2 представлено строение мицеллы золя Fe(OH)3.

Рис. 2. Схема строения мицеллы золя Fe(OH)3

Стабилизатор – хлорид железа FeCl3. Коллоидная частица содержит ядро m[Fe(OH)3]. На поверхности ядра расположены адсорбированные из дисперсионной среды зарядообразующие ионы Fe3+, которые образуют адсорбционный слой и создают электрический заряд поверхности. Трехзарядные ионы Fe3+ имеют повышенную адсорбционную способность по сравнению с другими ионами железа(III).

Часть противоинов Cl– расположена в адсорбционном слое. Остальные противоионы Cl– образуют диффузный слой мицеллы. Состав мицеллы золя Fe(OH)3 может быть изображен следующей формулой:

{ m[Fe(OH)3]n Fe3+ · 3(n – x) Cl– }3x+ · 3x Cl–

коллоидная частица диффузный слой мицелла

Как видно из формулы, коллоидная частица заряжена положительно, т. е. золь Fe(OH)3 при избытке FeCl3 является положительно заряженным золем. На границе раздела, дисперсная фаза – дисперсионная среда устанавливается равновесие:

6

На рис. 3 представлено строение мицеллы золя H2SiO3. Стабилизатор – силикат натрия Na2SiO3. Коллоидная частица содержит ядро m[H2SiO3]. На поверхности ядра расположены адсорбированные зарядообразующие ионы SiO32–, которые образуют адсорбционный слой и создают электрический заряд поверхности. Двухзарядные ионы SiO32– имеют повышенную адсорбционную способность по сравнению с однозарядными ионами HSiO3–.

Рис. 3. Схема строения мицеллы золя H2SiO3

Противоионы Na+ распределяются частично в адсорбционном слое, частично в диффузном слое.

Формула мицеллы золя H2SiO3 может быть представлена так: { m[H2SiO3] n SiO32– · 2(n – x) Na+ }2x– · 2x Na+

Как видно из формулы, золь кремниевой кислоты при избытке Na2SiO3 является отрицательно заряженным золем.

На границе раздела «дисперсная фаза – дисперсионная среда» устанавливается равновесие:

7

1. Aдсорбционные свойства коллоидной частицы

Коллоидная частица обладает свойством адсорбировать из дисперсионной среды путем обмена определенные ионы. Причем в эквивалент-

ном обмене участвуют противоионы двойного электрического слоя.

Если коллоидная частица заряжена положительно, то противоионами являются анионы. В этом случае происходит эквивалентный обмен анионами. Если же коллоидная частица заряжена отрицательно, то противоионами являются катионы. В этом случае происходит эквивалентный обмен катионами.

Обменная адсорбция негидратированных катионов повышается с уве-

личением их электрического заряда и радиуса, мг-экв/100 г, например, Na+ 4,5; К+ 6,8; Са2+ 10,2; Al3+ 16,7; Fe3+ 18,7.

2. Оптические свойства коллоидных систем

Световой луч, проходящий в темноте через прозрачный коллоидный раствор, становится видимым (конус Тиндаля).

Коллоидные частицы дисперсной фазы золей (1–100 нм) по своим размерам меньше длин волн 380–750 нм лучей видимого света, поэтому они рассеивают свет, но не отражают его. Явление рассевания света коллоидными частицами называется опалесценцией. Коллоидные частицы с размерами больше, чем 100 нм отражают свет.

3. Электрические свойства коллоидных систем. Электрофорез. Электроосмос

При пропускании постоянного электрического тока через коллоидный раствор были установлены электрические свойства коллоидных систем. Движение заряженных частиц дисперсной фазы в приложенном электрическом поле по направлению к противоположно заряженному электроду называется электрофорезом. Движение дисперсионной среды в приложенном электрическом поле по направлению к электроду, заряженному одноименно с поверхностью твердой фазы, называется электроосмосом.

Электрофорез и электроосмос обусловлены наличием разноименного заряда у коллоидных частиц дисперсной фазы и у противоинов дисперсионной среды.

Под действием приложенного электрического поля коллоидная частица движется к одному электроду, а противоионы диффузного слоя – к другому электроду. Наблюдая явление электрофореза в приложенном электрическом поле, определяют скорость движения и знак заряда коллоидных частиц. Разработаны методы измерения скорости электрофореза и для них сконструированы приборы.

Электроосмос в дисперсных системах наблюдается тогда, когда твердая дисперсная фаза неподвижна, а перемещаться в электрическом поле может только жидкая дисперсионная среда. Так как твердая поверхность

8

дисперсной фазы неподвижна, то связанные с ней ионы адсорбционного слоя не перемещаются. Перемещаются только ионы диффузного слоя под действием приложенного электрического поля. Скорость перемещения определяется величиной потенциала на поверхности скольжения (электрокинетический ζ-дзета-потенциал от 1 до 100 мВ со знаком заряда твердой частицы). При повышении концентрации раствора противоионы вытесняются из диффузной в плотную часть ДЭС. В результате толщина ДЭС и ζ-потенциал уменьшаются до нуля при С = 0,1 моль/л – это изоэлектрическое состояние коллоидной мицеллы.

Скорость электрофореза, как и скорость электроосмоса в приложенном электрическом поле, зависит от величины ζ-потенциала.

4.Коагуляция коллоидных систем под действием электролитов

При введении электролита в коллоидные растворы, например, AgI, Fe(OH)3, изменяются их свойства. Ионы электролита создают электрическое поле, мерой напряженности которого является ионная сила дисперсионной среды коллоидного раствора.

Ионная сила I дисперсионной среды коллоидного раствора – это полусумма произведений молярных концентраций С всех ионов, находящихся в дисперсионной среде, на квадрат их заряда z:

I = 12 ∑Ci zi2 .

Был выполнен расчет значений ионной силы для 0,02М растворов

KCl, K2SO4, K3[Fe(CN)6], MgSO4, Al(NO3)3. Диссоциация этих электроли-

тов протекает практически полностью по следующим уравнениям: KCl → K+ + Cl–

K2SO4 → 2K+ + SO42–

K3[Fe(CN)6] → 3K+ + [Fe(CN)6]3–

MgSO4 → Mg2+ + SO42–

Al(NO3)3 → Al3+ + 3NO3–

Для этих ионных растворов ионная сила равна:

для KCl

I = 12 (CK+ zK2 + +CCl− zCl2 − ) = 12 (0,02 12 +0,02 12 ) = 0,02;

для K2SO4

9

для K3[Fe(CN)6]

для Al(NO3)3

I = 12 (CAl3+ zAl2 3+ +CNO3− zNO2 3− ) = 12 (0,02 32 +0,06 12 ) = 0,12 .

Результаты расчета значений ионной силы растворов сведены в табл. 2.

Таблица 2

Расчетные значения ионной силы 0,02М водных растворов электролитов

Из данных табл. 2 видно, что электролиты, содержащие многозарядные ионы обладают высокими значениями ионной силы, т. е. высокой напряженностью внутреннего электрического поля.

Установлено, что под действием этих электролитов коллоидные системы легко теряют свою устойчивость и коагулируют. При введении электролита в коллоидные растворы, например, AgI, Fe(OH)3, H2SiO3, нарушаются равновесия (1–3).

Под воздействием ионной силы дисперсионной среды ионы введенного электролита могут переходить в адсорбционный слой коллоидной частицы. Отрицательно заряженные золи AgI, H2SiO3 особенно чувствительны к катионам, а положительно заряженный золь Fe(OH)3 – к анионам. При этом с увеличением заряда ионов эффективность действия их возрастает. Эти ионы называются коагулирующими ионами.

С увеличением концентрации электролита в дисперсионной среде до критической концентрации Ск противоионы полностью компенсируют заряд коллоидных частиц. Коллоидные частицы становятся незаряженными.

Коллоидные растворы AgI, Fe(OH)3, H2SiO3 теряют свою устойчивость и коагулируют под действием электролитов с образованием осадков в виде хлопьев (флокул) или студней (гелей).

10