634

План подготовки к семинару по теме 8

1.Какие факторы влияют на свободную энергию поверхности?

2.Что такое поверхностное натяжение? Как его определяют?

3.Что называется адсорбцией? Какие виды адсорбции Вы знаете?

4.Опишите адсорбцию на жидкой поверхности. Приведите

уравнение Гиббса. Какие вещества называются

111

поверхностно-активными (ПАВ)? Их применение в технике и сельском хозяйстве.

5.Опишите адсорбцию на границе твердое тело - газ. Приведите уравнение Ленгмюра. Каков физический смысл входящих в него констант?

6.Какими уравнениями можно описать адсорбцию на границе твердое тело - газ в изотермических условиях?

7.Что называется обменной адсорбцией? Каким уравнением она описывается?

8.Почвы России. Ацилоиды, базоиды, амфолоиды, солоиды.

Тема 9. КОЛЛОИДНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

Любой золь состоит из мицелл и дисперсионной среды - жидкости, содержащей растворенные электролиты и неэлектролиты.

Мицелла - электрически нейтральная структурная единица. В центре мицеллы находится ядро - нерастворимое вещество. На поверхности ядра из дисперсионной среды адсорбируются потенциалопределяющие ионы, имеющиеся в веществе ядра частицы (правило Пескова-Фаянса). Ионы противоположного знака (противоионы) частично адсорбируются на поверхности ядра, образуя с потенциалопределяющими ионами неподвижный адсорбционный слой ионов, а частично располагаются в жидкости вблизи гранулы, создавая подвижный

диффузионный слой ионов.

Пример 9.1. Привести формулу мицеллы AgBr, образованные при сливании растворов AgNO3 и избытка KBr.

Решение

AgNO3 + KBr → AgBr↓ + KNO3.

112

При избытке раствора KBr образуется золь следующего состава:

где m – количество молекул в ядре частицы;

n – количество потенциалопределяющих ионов;

(n-х) – часть противоионов, входящих в адсорбционный слой;

х – количество противоионов, образующих внешний, диффузный слой ионов.

Пример 9.2. При получении золя AgCl смешали 15 см 3 0,025н KCl с 85 см 3 0,005н AgNO3. Написать формулу мицеллы золя и определить знак заряда золя.

Решение

AgNO3 + KCl AgCl + KNO3.

1. Находим число мг-экв KCl:

CнKCl VKCl 15 0,025 0,375 мг экв.

2. Определяем количество мг-экв AgNO3:

СнAgNO3 VAgNO3 85 0,005 0,425 мг экв.

СнAgNO3 VAgNO3 СнKCl VKCl .

Следовательно, в растворе имеется избыток AgNO3. Ядром коллоидных частиц является нерастворимый AgCl, потенциалопределяющие ионы - Ag+, противоионы - NO3-.

{[mAgCl] nAg (n x)NO3 }X xNO3 .

113

Устойчивость частиц золя определяется изокинетическим потенциалом (ς - потенциалом), возникающим на границе адсорбционного и диффузного слоев при броуновском движении взвешенных коллоидных частиц в дисперсионной среде. Величина ς - потенциала большинства золей колеблется в пределах 50 ÷ 70 мВ.

Процесс укрупнения коллоидных частиц в результате их слипания, приводящий в конечном итоге к выпадению вещества в осадок или образованию студней, называется

коагуляцией.

Коагуляцию могут вызвать все факторы, снижающие ζ - потенциал частиц и способствующие десольватации (дегидратации) ионов диффузной части двойного электрического слоя, приводящих к понижению механической прочности сольватных оболочек диффузионного слоя, разъединяющих коллоидные частицы. К таким факторам относятся: повышение температуры, добавление электролитов или золей с противоположным по знаку электрическим зарядом частиц (взаимная коагуляция).

Максимальная величина ζ - потенциала, при которой коугуляция протекает с заметной скоростью, называется критической ζкрит.=25-30мВ для большинства золей. С максимальной скоростью коугуляция протекает в

изоэлектрическом состоянии (ζ = 0).

Чаще всего коагуляцию вызывают добавлением электролитов.

Порогом коагуляции (γ) называют минимальное количество электролита, вызывающее коагуляцию. Порог коагуляции выражается в ммоль/л или мг-экв/л. Коагуляцию золей вызывают те ионы электролита, заряд которых противоположен по знаку заряду коллоидных частиц.

114

Коагулирующей силой (Р) иона называется величина, обратная порогу коагуляции:

P 1 .

Чем выше заряд коагулирующего иона, тем больше его коагулирующая сила (правило Шульца - Гарди).

Пример 9.3. В три колбы налито по 100 см 3 золя Fe(OH)3. Чтобы вызвать коагуляцию золя, потребовалось

Вычислить пороги коагуляции для каждого электролита и определить знак заряда частиц золя.

Решение

Порог коагуляции электролита рассчитывают по формуле:

где СнЭ - нормальность электролита-коагулянта; Vэ - объем электролита-коагулянта, см 3;

Vз - объем золя, см 3.

Электролиты KCl, Na2SO4 и Na3PO4 содержат катионы одинакового заряда, а анионы разного заряда. Наименьший

115

порог коагуляции, а, следовательно, наивысшая коагулирующая сила у ионов РО43-. Следовательно, частицы золя Fe(OH)3 заряжены положительно.

Пример 9.4. Пороги коагуляции золя Fe(OH)3 для

Для золя Fe(OH)3 коагулирующая сила K2Cr2O7 больше, чем KJ, в 51 раз.

В коллоидных растворах носителем двойного электрического слоя является свободно передвигающаяся в дисперсионной среде частица, окруженная со всех сторон диффузным облаком противоионов. При наложении электрического поля равновесие в обкладках двойного электрического слоя мицеллы нарушается. Гранула с неподвижным адсорбционным слоем перемещается к одному из полюсов, а диффузный слой - в противоположном направлении.

Направление перемещения частиц золя в электрическом поле к электроду, знак которого противоположен знаку заряда частиц, называется электрофорезом. Наблюдая электрофоретическое движение частиц, можно установить знак заряда частиц и определить величину ζ-потенциала, от которого зависит устойчивость частиц золя.

116

K u ,

H

где К - константа, зависящая от формы коллоидных частиц

К= 4 - для цилиндрических частиц,

К= 6 - для сферических частиц);

η - вязкость среды, Н∙с∙м -2; ε - диэлектрическая проницаемость среды, Ф∙м -1;

u- электрофоретическая скорость частицы, м∙с -1;

Н- градиент потенциала, В∙м -1 ( H El , где Е - э.д.с., В;

l - расстояние между электродами, м).

Пример 9.5. Электрокинетический потенциал частиц золя 50мВ. Приложенная внешняя э.д.с. 240 В, а расстояние между электродами 0,4 м. Вычислить электрофоретическую скорость частиц золя, если они имеют цилиндрическую форму. Вязкость воды 0,001 Па ∙с, а диэлектрическая проницаемость воды 81.

Решение

Используя формулу для расчета ζ - потенциала, выведем формулу расчета электрофоретической скорости:

диэлектрическую проницаемость в единицах системы СИ.

117

Пример 9.6. В растворе находится смесь белков казеина и глиадина с изоэлектрическими точками (ИЭТ), равными соответственно 4,6 и 9,8. К каким электродам будут перемещаться молекулы белков при электрофорезе в нейтральной среде (рН = 7)?

Решение

положительно.

Для казеина ИЭТ = 4, ИЭТ < 7, следовательно он имеет положительный заряд.

Для глиадина ИЭТ = 9,8, ИЭТ > 7, следовательно он имеет отрицательный заряд

Таким образом, при электрофорезе казеин будет двигаться к катоду, а глиадин – к аноду.

Литература: [1], главы XII - XVII, С. 292-378.

Варианты заданий к теме 9

1. Представить строение коллоидной частицы, полученной взаимодействием двух электролитов. Определить знак заряда золя. Назвать все составные части мицеллы.

118

3. Вычислить изокинетический потенциал золя, полученного в задаче 1. Вязкость воды 0,001 Па∙с. Диэлектрическая проницаемость воды 9∙10-9 Ф∙м-1. Указать к какому электроду перемещается золь.

Вопросы и задания для подготовки к семинару по теме 9

1.Классификация дисперсионных систем.

2.Методы получения коллоидных систем.

3.Написать строение мицелл золей AgCl с положительно и отрицательно заряженными коллоидными частицами.

4.Методы очистки коллоидных систем от ионов электролитов - диализ, электродиализ, ультрафильтрация. Сравните скорости очистки коллоидных систем различными методами.

5.Какие оптические явления наблюдаются в коллоидных системах в отличие от истинных растворов? Дайте объяснение эффекту Фарадея - Тиндаля, проанализируйте уравнение Релея.

6.Что такое опалесценция?

7.От чего зависит окраска коллоидных растворов?

8.Что такое электрофорез и электроосмос? Их применение.

9.Где возникает изокинетический потенциал? Как его измеряют?

120