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

Физическая и коллоидная химия. Методические рекомендации к лабораторные работы

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
1 Мб
Скачать
☆
2. Определение порога коагуляции золя гидроксида желе-
за. а) Определение грубого порога коагуляции. В две пробирки с помощью мерного цилиндра налить по 10 мл полученного золя гидроксида железа. В одну (рабочую) добавить 0,5 мл 0,002-нормального раствора сернокислого натрия. Сравнить две пробирки (рабочую и контрольную) на чёрном фоне на проходящий свет. Наличие помутнения (коагуляции) отме­тить в таблице 8 знаком «+», отсутствие – знаком «−». Если помутнениене наблюдается, то в рабочую пробирку добавить ещё 0,5 мл сернокислого натрия. Снова произвести сравне­ние. Результаты записать в таблицу 1. Добавление сернокис­лого натрия по 0,5 мл в рабочую пробирку производить до помутнения.
б) Определение точного порога коагуляции. В четыре новых рабочих пробирки с помощью мерного цилиндра налить по 10 мл золя гидроксида железа. В первую добавить сернокис­лого натрия на 0,1 мл больше, чем было добавлено для полу­чения последнего «−» в пункте а). Сравнить контрольную и первую рабочую пробирки, как было описано выше. Наличие помутнения (коагуляции) отметить в таблице 1 знаком «+», отсутствие − знаком «−». Если помутнение не наблюдается, то во вторую рабочую пробирку с золем добавить сернокис­лого натрия на 0,1 мл больше, чем было добавлено в первую. Снова сравнить контрольную и вторую рабочую пробирки. Опыт производить до тех пор, пока не будут обнаружены первые признаки помутнения.
в) Рассчитать порог коагуляции как минимальное количество мл 0,002-нормального раствора сернокислого натрия, вызы­вающее коагуляция 10 мл золя гидрата окиси железа, с точ­ностью до 0,1 мл.
61
Таблица 1.
Грубый порог Точный порог
№ пробирки с золем Кол-во добав-
1 2 3 4 5 6 7 8
ленного коагу­лятора, мл Помутнение зо­ля
3. Определение защитного числа. а) В качестве защитного раствора использовать свежеприго­товленный 0,1% раствор желатины. Налить в несколько про­бирок (5-6) с помощью мерного цилиндра по 10 мл золя гид­рата окиси железа. В первую пробирку с золем добавить из бюретки 1 мл 0,1% раствора желатины. Встряхнуть пробир­ку, дать ей постоять 40 секунд и прилить коагулятор в коли­честве, равном порогу коагуляции (нашли в пункте 2б). Если через 2-3 минуты раствор в пробирке остался прозрачным (т.е. желатина защитила раствор и коагуляция не произошла), то в следующую пробирку с золем добавить 0,5 мл раствора желатины. Если же раствор в пробирке помутнел (сравнение рабочей и контрольной пробирок описано в пункте 2а), то в следующую пробирку надо добавить 1,5 мл раствора жела­тины. Полученные результаты записать в таблицу 2: помут­нение золя – «+», отсутствие помутнения – «−».
б) Налить в четыре новых пробирки по 10 мл золя гидрата окиси железа. Далее добавляемый объём желатины последо­вательно меняется от последнего «−» до первого «+» с шагом 0,1 мл. Объём добавляемого после желатина коагулятора всегда равен точному порогу коагуляции. Опыт ведут до по-
62
лучения первых признаков защиты золя гидрата окиси желе­за. Результаты наблюдений записать в таблицу 2.
Таблица 2.
№ пробирки с золем
1 2 3 4 5 6 7 8
Кол-во добав­ленного раствора жела­тины, мл Кол-во добав­ленного коагу­лятора, мл Помутнение зо­ля
в) По полученным результатам вычисляют защитное число, как число мг сухой желатины, защищающее 10 мл золя гид­рата окиси железа от коагуляции при добавлении раствора электролита (коагулятора) в количестве, равном порогу коа­гуляции.
Вопросы к работе 5
1. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем. Их отличия от истинных растворов.
2. Как образуется двойной электрический слой и како­во его строение? Что такое адсорбционный слой, диффузионный слой?
3. Оптические свойства коллоидных систем. Закон све­торассеяния Рэлея. Условия применимости. Явление опалесценции, конус Тиндаля. Что такое мутность? Сравните размеры частиц двух коллоидных раство­ров одинаковой объемной концентрации, если мут­ности (τ) отличаться в 25 раз (τ2/τ1 = 25).
63
4. Как изменится интенсивность рассеянного диспер­сией света, если длина волны света увеличится с 430 нм до 600 нм?
5. Каково соотношение радиусов частиц двух диспер­сий с одинаковой численной концентрацией, если мутности, определенные в одинаковых условиях, от­личаются в 1000 раз (τ
= 1000). Объясните явле-
2/τ1
ние опалесценции.
6. Коагуляция: определение; факторы, её вызывающие; коагулирующий ион; порог коагуляции; пороговая концентрация; правило значности (правило Шульца­Гарди); защитные вещества; защитное число.
7. Индифферентные и неиндифферентные электроли­ты. Привести примеры для золей, полученных в ла­бораторном практикуме.
8. Как влияет добавление электролита на электрокине­тический потенциал коллоидной системы?
9. Пептизация: определение; способы проведения.
10. Определите, к какому электроду при электрофорезе должны перемещаться частицы золя, полученного по реакции при небольшом избытке H
2
S:
2H3AsO3 + 3H2S → As2S3 + 6H2O.
11. Приведите пример неиндифферентного электролита к золю СаСO3 с положительным зарядом проти­воионов.
12. К какому электроду двигаются при электрофорезе коллоидные частицы золя Fe(OH) полным и неполным гидролизом FeCl
, полученного
3
. Какие ми-
3
целлы?
13. Порог коагуляции (γ). Как отличается коагулирую­щая способность (1/γ) сульфат, и фосфат ионов. Приведите примеры золей, коагуляцию которых они вызывают?
64
14. К одинаковым образцам золей йодистого серебра с положительным зарядом коллоидных частиц доба­вили растворы Na2SO4, KCl, AlPO4 одинаковой кон­центрации. Указать, раствор, какого из перечислен­ных веществ потребуется меньше по объёму, а како­го больше для коагуляции золя. Какой из ионов это­го электролита вызовет коагуляцию золя?
15. К одинаковым образцам золей SiO2 с отрицательным зарядом коллоидных частиц добавили растворы
Na2SO4, NaCl, KCl, BaCl2, Al2(SO4)3 одинаковой кон-
центрации. Указать, раствор, какого из перечислен­ных веществ потребуется меньше по объёму (ответ аргументировать). Какой из ионов этого электролита вызовет коагуляцию золя?
16. Золь кремниевой кислоты получили при взаимодей­ствии растворов K2SiO3 и HCl. Напишите формулу мицеллы золя и определите, какой из электролитов был в избытке, если противоионы в электрическом поле движутся к катоду?
17. Золь гидроксида железа (ΙΙΙ), получаемый неполным гидролизом хлорного железа, коагулируют раство­рами сульфата натрия, хлорида натрия, хлорида ба­рия. Какой электролит окажет наиболее значитель­ное коагулирующее действие?
Лабораторная работа 6а. Определение изоэлектриче- ской точки белка методом набухания.
Краткая теория:
Высокомолекулярные соединения − это лиофильные дис-
персные системы с молекулярной массой более 10000 г/моль. Размер их молекул − несколько нанометров. Растворы ВМС представляют собой гомогенные, термодинамически устой­чивые и обратимые системы. Однако они имеют ряд свойств,
65
присущих также и обычным коллоидным растворам. По раз­меру молекул они соответствуют мелкодисперсным систе­мам и имеют ряд вытекающих отсюда свойств: рассеивают свет, имеют низкое осмотическое давление, совершают бро­уновское движение и для них характерны поверхностные яв­ления − адсорбция и адгезия. Таким образом, растворы ВМС являются носителями признаков как истинных, так и колло­идных растворов.
Известны природные ВМС − это тысячи различных бел­ков (протеины), крахмал и целлюлоза (высшие полисахари­ды), пектиновые вещества, каучук, шелк, шерсть, казеин мо­лока, ферменты, коллаген и т.д. Слезы человека также со­держат ВМС − лизоцим и другие белки, способные рассеи­вать свет и, в определенных условиях, усиливать блеск глаз.
Искусственные ВМС получают методами полимериза­ции (полиэтилен, полистирол, фторопласт) или поликонден­сации (нейлон, полиамиды и др.) из мономерных молекул. Имеются ВМС неорганической природы − слюда, алюмоси­ликаты, графит, алмаз и др. При синтезе ВМС получаются макромолекулы различной длины (полидисперсность), а для выделения более однородных по молярной массе ВМС ис­пользуются методы фракционирования растворением или осаждением. Для очистки ВМС от низкомолекулярных орга­нических веществ или электролитов применяются, соответ­ственно, методы диализа и электролиза.
Макромолекулы ВМС могут быть линейными (полиэти­лен), разветвленными (крахмал), пространственными (фе­нолформальдегидные смолы) или сшитыми (ионообменные смолы − иониты). Они могут свертываться, образуя клубки (глобулы), выпрямляться или укладываться в ориентирован­ные структуры − пачки (или пучки).
Понятие агрегатного состояния не применимо к ВМС, для этих целей применяется понятие фазового (в структур­ном смысле) состояния. По сути, понятие фазового состоя­ния характеризует порядок взаимного расположения моле-
66
кул. Твердые ВМС могут находиться в кристаллическом, аморфном состояниях. В кристаллическом состоянии все мо­лекулы ВМС находятся в одинаковой конформации, образу­ют однообразные надмолекулярные структуры − стержни, пластинки и т.д. В случае аморфного состояния различают три варианта: стеклообразное, высокоэластичное и вязкоте­кучее. Переход из одного состояния в другое всегда протека­ет не резко, а в некотором интервале температур.
При помещении ВМС в растворитель происходит погло­щение растворителя и соответствующее увеличение объема и массы полимера, идет процесс набухания. Степень набуха­ния α рассчитывается по уравнению:
𝑉𝑉
𝛼
𝑉
или

𝛼
где V и V0 – объем образца до и после набухания, m и m0 – масса образца ВМС до и после набухания.
Если увеличению объема ВМС при его набухании пре­пятствует что-либо (например, проницаемая для растворите­ля оболочка), то со стороны ВМС обнаруживается давление набухания. Процесс набухания ВМС связан с взаимодействием макро­молекул с молекулами растворителя, и степень набухания ВМС зависит как от природы ВМС, так и от природы раство­рителя. Набухание полярного ВМС протекает только в по­лярном растворителе, а неполярного − только в неполярном.
,
67
Набухание ВМС может быть ограниченным (до опреде­ленного значения а) или неограниченным (до полного рас­творения полимера). Так, агар-агар неограниченно набухает в теплой воде, но ограниченно − в холодной. Неограниченно набухают в горячей воде крахмал и желатин. Набухание по­лимеров обычно происходит очень медленно.
Причина набухания кроется в межмолекулярном взаимо­действии ВМС и растворителя, реализуемом путем сольвати­рования макромолекул полимера молекулами растворителя, что приводит к разрушению связей между отдельными мак­ромолекулами. Разделение клубка макромолекул, в котором они связаны ван-дер-ваальсовыми силами, возможно в про­цессе набухания ВМС в том случае, если работа разделения молекул оказывается меньше энергии их сольватации. Тогда процесс набухания ВМС приводит к самопроизвольному растворению полимера (ΔG < 0).
Для набухания полимера важную роль играет энтропий­ный фактор (ΔS>0).
Рассмотренные положения не распространяются напо­лимеры, структура которых представляет собой простран­ственную молекулярную сетку. Для их растворения требует­ся затратить значительно большую энергию, чем энергия сольватации, т.к. в этом случае для полного растворения необходимо разорвать в сетке химические связи.
Набухание ВМС сопровождается выделением теплоты набухания. Происходит также и уменьшение общего объема системы, т. к. молекулы растворителя упорядоченно распо­лагаются вокруг сольватируемых макромолекул.
Добавление электролита к раствору ВМС уменьшает сольватирующую способность растворителя и система в ито­ге может быть нарушена, т.е. может произойти выделение ВМС из раствора и полимер как бы отделится от растворите­ля (появляются волокна, хлопья, творожистые осадки). Этот процесс называется высаливанием.
68
Механизм высаливания состоит в том, что сольватиру­ющие ВМС молекулы растворителя начинают взаимодей­ствовать с электролитом, сольватная оболочка около макро­молекулы разрушается, происходит десольватация макромо­лекулы и, как следствие, резко снижается растворимость ВМС, т.е. происходит его «высаливание». Способность ВМС «высаливаться» из растворителя возрастает с увеличением молярной массы полимера. На этом основано фракциониро­вание полидисперсного ВМС помолярной массе, которое ис­пользуется для разделения смеси белков различной молярной массы. Процесс «высаливания» может привести к появлению в системе другой жидкой студнеобразной фазы в виде мель­чайших капель, концентрация ВМС в них выше, чем в ис­ходном растворе. Это явление называется коацервацией. И оно характерно для растворов белков. Коацервация может происходить в растворе ВМС и при других воздействиях на систему, например, при увеличении концентрации раствора, изменении температуры, pH и др. В этом случае происходит объединение отдельных макромолекул в ассоциаты за счет проявления межмолекулярных сил. Получившаяся структура является динамической, и ассоциаты в ней постоянно обра­зуются и распадаются. Когда ассоциаты становятся крупны­ми и прочными, в системе наблюдается расслаивание, харак­теризующееся появлением капельной фазы (коацервация). Растворы ВМС проявляют осмотическое давление, обладают диффузионной способностью.
Многие ВМС содержат ионогенные (т.е. способные об­разовывать ионы) группы и поэтому представляют собой по- лиэлектролиты (полимерные электролиты), склонные к ионизации в растворе. Так, растворимый крахмал содержит в макромолекуле кислотные − COOH-группы, агар-агар – SO
2-
4
группы, которые в растворе могут диссоциировать с отщеп­лением иона водорода. Некоторые ВМС имеют в своем со­ставе основные -NH ды, -NH
OH-группы. Таким образом, длинная молекула вы-
3
или, при присоединении молекулы во-
2
69
сокомолекулярного электролита, продиссоциировавшая в воде, представляет собой один полиион с жестко закреплен­ными, фиксированными -COO-, -NH
+
или другими ионами, а
3
около этой полимерной цепочки располагаются подвижные противоионы, заряды которых эквивалентны заряду поли­иона. Обычно на одно элементарное звено макромолекулы ионогенного полимера приходится одна ионогенная группа. Две ионогенные группы (-COOH и -NH3OH) в своем составе имеют белки. Молекулу белка можно схематично изобразить в виде
HOH3N - R - COOH,
где R - длинная углеводородная цепь. Ионогенные группы кислотной и основной природы могут располагаться не толь­ко по краям, но и внутри молекулы белка. Полипептидная цепь белков состоит из многих десятков и сотен аминокислот в различных сочетаниях. Амино- и карбоксильные группы полипептидных цепей могут взаимодействовать между со­бой, образуя водородные связи.
В зависимости от pH раствора кислотная и основная группы проявляют различную склонность к диссоциации. В кислых растворах больше диссоциирована основная группа, в щелочной среде − кислотная. Когда в молекуле белка дис­социированы в основном кислотные группы, макромолекула имеет отрицательный заряд и при электрофорезе будет пере­двигаться в сторону положительного электрода. Диссоциа­ция основных и кислотных групп происходит в одинаковой степени в белке только при определенном значении pH рас­твора и это значение pH<7 называется изоэлектрической
точкой (ИЭТ).
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]