Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая и коллоидная химия. Методические рекомендации к лабораторные работы
.pdf
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:
𝑉𝑉
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]
