Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Челябинский государственный университет»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ

СОЕДИНЕНИЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Сборник лабораторных работ

Методические указания

Челябинск Издательство Челябинского государственного университета

2021

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Челябинский государственный университет»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ

СОЕДИНЕНИЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Сборник лабораторных работ

Методические указания

Челябинск Издательство Челябинского государственного университета

2021

ВВЕДЕНИЕ

Порядок выполнения лабораторных работ:

1)Перед началом работы необходимо ознакомиться с конспектом лекций по данной теме и рекомендованной справочной и учебной литературой. Рекомендуется также использовать электронные ресурсы, имеющиеся в электроннобиблиотечной системе (ЭБС), доступ к которым обеспечен в читальных залах университета.

2)Перед тем как приступить к выполнению лабораторной работы, студент проходит собеседование, в ходе которого выясняется степень осведомленности о цели, задачах, технике безопасности и порядке проведения экспериментальной части лабораторной работы. В случае успешного прохождения данного собеседования студент допускается к выполнению экспериментальной части лабораторной работы; в случае выявления в ходе собеседования недостаточной осведомленности студенту дается дополнительное время на подготовку и собеседование повторяется.

3)После выполнения лабораторной работы студент во внеучебное время самостоятельно оформляет отчет по проделанной лабораторной работе, который должен включать следующие разделы: титульный лист, цели, краткое теоретическое введение, описание оборудования, реактивов, экспериментальной части, обработку экспериментальных данных, графики (если необходимы), ответы на дополнительные вопросы, выводы (в которых обязательно выписывает найденные численные значения). Графики необходимо строить на миллиметровке или используя программы для построения графиков (Excel, Origin и др.); полученные графики необходимо вклеить в отчет. У величин обязательно должны быть указаны единицы измерения (при их наличии), графикам следует дать названия и подписать оси.

3

4)Защита отчета включает проверку правильности оформления

исодержания отчета и устное собеседование по контрольным вопросам к лабораторной работе. Отчет считается зачтенным, если отсутствуют замечания к его оформлению

исодержанию, а защита считается пройденной, если в ходе

собеседования по контрольным вопросам к лабораторной работе студент демонстрирует представления о строении и свойствах высокомолекулярных соединений и коллоидных систем, владеет химическими терминами, логически выстраивает ответ. При наличии замечаний студенту дается дополнительное время на исправления, после чего назначается повторная защита отчета.

Лабораторная работа № 1 ПОЛУЧЕНИЕ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

1. Краткое теоретическое введение

Коллоидные системы по размерам частиц дисперсной фазы занимают промежуточное положение между истинными растворами (более 10–9 м) и грубодисперсными системами (10–5—10–6 м). Они могут быть получены двумя путями: конденсацией молекул или ионов (методом конденсации) и дроблением более крупных частиц до нужной степени дисперсности (метод диспергирования).

Основные диспергационные методы:

1.Механическое диспергирование — измельчение твердых тел в данной среде в присутствии стабилизаторов в шаровых или коллоидных мельницах, а также с помощью вибрационных измельчителей или ультразвука, вольтовой дуги и т. д.

2.Физико-химическое дробление осадков (пептизация) — дробление рыхлых осадков, в которых имеются отдельные частицы дисперсной фазы, разделенные прослойками дисперсионной среды. Их непосредственному соприкосновению

4

мешают либо двойные ионные слои, либо сольватные оболочки, имеющиеся на поверхности частиц. Пептизировать осадок можно разными способами:

а) адсорбционная пептизация — в этом случае отталкивание частиц осадка друг от друга вызывается двойными ионными слоями, образуемыми на поверхности частиц за счет адсорбции ионов добавляемого электролитапептизатора;

б) пептизация путем поверхностной диссоциации — связана с образованием двойного ионного слоя в результате диссоциации молекул, находящихся на поверхности твердой фазы. Пептизатор в этом случае способствует процессу диссоциации (например, вызывает образование на поверхности частиц растворимых соединений);

в) пептизация путем промывания осадка — применяется тогда, когда на поверхности частиц, образующих осадок, есть двойные ионные слои, но они сжаты, так как концентрация электролита достаточно большая. При промывании такого осадка водой концентрация электролита в нем уменьшается, двойные ионные слои увеличивают свою толщину, силы электростатического отталкивания между частицами действуют на более далекие расстояния и вызывают коллоидное растворение осадка.

Конденсационные методы получения дисперсионных систем.

1. Физическая конденсация — конденсация молекул одного вещества (будущей дисперсной фазы) в другой (будущей дисперсионной среде). Практически это может быть осуществлено пропусканием паров одного вещества в другое.

Одним из примеров физической конденсации может быть метод замены растворителя: молекулярный раствор какого-либо вещества постепенно при перемешивании прибавляют к жидкости, в которой это вещество нерастворимо. При этом происходит конденсация молекул и образование коллоидных частиц.

5

2.Химическая конденсация — получение коллоидных систем с помощью химических реакций.

Коллоидные растворы могут быть получены с помощью реакций различных типов: двойного обмена, восстановления, гидролиза и др.

Наиболее распространены методы, при которых труднорастворимое вещество образуется в результате химической реакции, протекающей в той среде, которая в дальнейшем является дисперсионной.

При получении коллоидных растворов необходимо вести реакцию в разбавленном растворе, чтобы скорость роста кристаллических частиц была невелика, тогда частицы получаются мелкие (10–7—10–9 м) и системе будет обеспечена седиментационная устойчивость. Кроме того, одно из реагирующих веществ должно быть взято в избытке. Это обеспечит образование на поверхности двойного электрического слоя основного фактора агрегативной устойчивости.

Частицу дисперсной фазы в микрогетерогенной системе вместе с двойным электрическим слоем называют мицеллой. Двойной электрический слой образуется, например, на межфазной поверхности между водой и малорастворимым йодидом серебра. При растворении йодида серебра в воду преимущественно переходят ионы серебра, так как они сильнее гидратируются, чем ионы йода. Избыток ионов серебра будет нейтрализован прилегающим водным слоем (противоионов), часть которых будет находиться в плотном слое, а другая часть — в диффузном слое. Для такой системы формулу мицеллы можно записать следующим образом:

пределяющий ион; (n − х)NO3− — противоион в адсорбционном слое; хNO3− — противоион в диффузном слое.

6

Внутреннюю часть мицеллы составляет агрегат основного вещества. На поверхности агрегата расположены потенциалопределяющие ионы. Агрегат вместе с потенциалопределяющими ионами составляет ядро мицеллы. Ядро с противоионами плотной части двойного электрического слоя образуют гранулу. Гранулу окружают противоионы диффузного слоя. Мицелла в отличие от гранулы электронейтральна.

Схема строения двойного электрического слоя (ДЭС) мицеллы

(рис. 1.1). Согласно современным представлениям, ДЭС состоит из двух частей: плотной (потенциалопределяющие ионы и противоионы адсорбционного слоя) и диффузной. Потенциалопределяющие ионы определяют заряд поверхности и имеют φ0-потенциал («фи нулевое»), полный термодинамический потенциал поверхности. На границе скольжения (границе плотной и диффузной частей ДЭС) возникает электрокинетический потенциал или ζ-потенциал («дзета»), показатель устойчивости коллоидной частицы. Чем выше ζ-потенциал, тем система устойчивее.

Рис. 1.1. Схема строения ДЭС

(d — толщина плотной части; δ — толщина диффузной части)

7

Если же в систему с иодидом серебра добавить иодид калия, то потенциалопределяющими станут иодид-ионы, и формула двойного электрического слоя примет вид

Для определения заряда поверхности используют правило Фаянса — Панета, согласно которому структуру кристаллической решетки могут достраивать только те ионы, которые входят в ее состав и находятся в избытке. Потенциалобразующими являются ионы, входящие в состав соединения или изоморфные с ним, то есть родственные.

2. Цели работы

1.Освоить методики получения золей.

2.Определить заряды коллоидных частиц.

3.Составить формулы различных мицелл.

3.Реактивы и оборудование

2%-ный спиртовой раствор канифоли (спирт — изопропиловый); 2%-ный водный раствор FeCl3; 0,05 М раствор NaOH; 0,001 М водный раствор CuSO4; 1,5%-ный водный раствор CuSO4; 0,0015 М водный раствор K4[Fe(CN)6]; 0,1%-ный водный раствор

K4[Fe(CN)6].

Градуированная пипетка 10 см3; мерная пипетка 1 см3; мерный цилиндр 100 см3; колба плоскодонная 250 см3; колба плоскодонная коническая 100 см3 (4 шт.); пробирка 15 см3; фильтровальная бумага; стеклянная палочка; штатив для пробирок.

Здесь и далее в методических указаниях: 1 см3 = 1 мл.

Электрическая плитка.

4. Порядок выполнения работы

Опыт 1. Золь канифоли

2%-ный спиртовой раствор канифоли добавить по каплям при энергичном взбалтывании к 100 мл дистиллированной воды до получения беловатого опалесцирующего золя.

8

Опыт 2. Золь гидроксида железа III

100 мл дистиллированной воды нагреть до кипения. Затем в кипящую воду по каплям добавить 2%-ный раствора FeCl3 до получения прозрачного золя вишневого цвета.

Опыт 3. Золь гидроксида меди

К 0,001 л 0,05 М раствора NaOH добавить 0,0025 л 0,001 М рас-

твора CuSO4.

Опыт 4. Золь гесацианоферрата (II) меди

В коническую колбу налить 30 мл 0,0015 М раствора гесацианоферрата(II) калия K4[Fe(CN)6] и прилить к нему 1 мл 1,5 % раствора CuSO4. Содержимое колбы перемешать. Колбу оставить на 10—15 мин на лабораторном столе для завершения процесса пептизации — до получения прозрачного коллоидного раствора ко- ричнево-красного цвета.

Опыт 4. Значение порядка сливания растворов реагентов для получения коллоидных растворов

а) К 20 мл 0,1%-ного раствора K4[Fe(CN)6] прибавить при энергичном взбалтывании 5—6 капель 2%-ного раствора FeCl3.

б) К 20 мл 2% -ного FeCl3 прибавить при энергичном взбалтывании 5—6 капель 0,1%-ного раствора K4[Fe(CN)6].

Определение знака заряда коллоидных частиц

Знак заряда коллоидных частиц в окрашенных золях можно определить методом капиллярного анализа. Метод основан на том, что целлюлозные стенки капилляров фильтровальной бумаги заряжаются отрицательно, а пропитывающая бумагу вода — положительно. Если на листок бумаги нанести каплю исследуемого золя, то частицы, заряженные положительно, адсорбируются на стенках капилляров, поэтому золь с положительными частицами дает окрашенное в центре и бесцветное по краям пятно. Золь с отрицательно заряженными частицами, не адсорбирующимися на стенках капилляров, образует равномерно окрашенное пятно.

Определение знака заряда проводить для золей, полученных в опытах 2—4.

9

6. Выводы по работе

1.Назовите изученные методы получения коллоидных систем.

2.Как влияет порядок сливания растворов реагентов на получение коллоидных растворов? На примере одной из мицелл объясните, какие принципы написания формул мицелл.

3.Отличается ли теоретический и экспериментальный знак заряда коллоидных частиц? Назовите причину.

4.Объясните, почему целлюлозные стенки капилляров фильтровальной бумаги заряжаются отрицательно (с точки зрения строения молекулы целлюлозы). Что изображено на рис. 1.2? Поясните.

Рис. 1.2. Задание по работе № 1

10