Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая химия. Методические указания
.pdf
С
№
п/п
Начальная
концентрация
кислоты (С0)
Равновесная
концентрация
кислоты после
адсорбции
(С1)
Количество
адсорбированной
кислоты
lg C1
lg C
2
1
2
3
4
5
6
– количество адсорбированной кислоты, отнесенной к единице
2
массы адсорбента;
m
– масса адсорбента.
адс
9. Результаты расчетов внести в табл. 3.
Данные для построения графического уравнения Фрейндлиха
Таблица 3
10. Чтобы оценить результаты опытов, нужно проверить, на-
сколько хорошо полученные данные укладываются в эмпирическое
уравнение Фрейндлиха (4).
Для этого нужно представить это уравнение в логарифмической
форме:
, (8)
и построить график на миллиметровой бумаге, откладывая на оси
абсцисс lgC1, а на оси ординат – lgC2 (см. табл. 3). На графике должна получитcя прямая, выражающая результаты адсорбции. Опытные
данные не всегда оказываются точно на прямой, что объясняется погрешностями проведенного эксперимента. В этом случае прямая
проводится так, чтобы все экспериментальные данные (точки) ложились равномерно по обе стороны прямой.
31
11. Определить значения постоянных, входящих в уравнение
Фрейндлиха. Тангенс угла, образованного этой прямой с осью абсцисс, дает величину 1/n. Отрезок, отсекаемый прямой от оси ординат,
равен lg , отсюда находят коэффициент .
12. Используя полученные значения для коэффициентов и 1/n,
сделать проверку уравнения (8) при нескольких концентрациях уксусной кислоты. Сделать вывод о правильности определения коэффициентов и применимости уравнения Фрейндлиха.
13. По результатам опытов построить изотерму адсорбции углем
уксусной кислоты. Для этого по оси ординат откладывать значения
С
, а по оси абсцисс – С1. По виду изотермы сделать вывод о влиянии
2
концентрации уксусной кислоты на процесс адсорбции.
14. Оформить отчет о лабораторной работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое адсорбция, адсорбент, адсорбат, адсорбтив?
2. Особенности физической и химической адсорбции.
3. Избыточная величина адсорбции.
4. Удельная свободная поверхностная энергия. Характер ее изменения
при адсорбции.
5. Зависимость избыточной адсорбции от концентрации. Изотерма ад-
сорбции.
6. Уравнение Гиббса.
7. Эмпирическое уравнение Фрейндлиха.
8. Наиболее часто используемые адсорбенты.
9. Адсорбционные свойства активированного угля.
10. Практическое применение адсорбции.
32
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ
Целью этой работы является знакомство студентов с основными
способами получения коллоидных растворов, изучение методов определения знака заряда дисперсных частиц, а также изучение влияния электролитов на условия коагуляции коллоидных растворов и
изучение методов защиты коллоидных растворов от коагуляции.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Понятие о дисперсных системах
Большинство окружающих человека систем состоит не из чистых компонентов, а из смеси различных химических веществ. Еще с
незапамятных времен человек в своей практической деятельности
встречается с системами, которые состоят из нескольких несмешивающихся компонентов, при этом один из компонентов находится в
сильно раздробленном или, как говорят, дисперсном состоянии и
равномерно распределен в какой-либо среде. Эти системы широко
распространены в природе и имеют исключительно большое значение в практической деятельности человека [6]. В качестве примеров
таких систем можно назвать туман, дым, пену, молоко, жемчуг и
т.д. Туман представляет собой систему, в которой мельчайшие капельки жидкости распределены в воздухе; в молоке капельки жира
распределены в жидкости; пена – система, в которой маленькие пузырьки газа распределены в жидкости; жемчуг – мельчайшие капельки воды распределены в карбонате кальция.
Системы, содержащие одно или несколько веществ в виде
мельчайших частиц, распределенных в той или иной среде, называются дисперсными системами.
В дисперсной системе различают дисперсионную среду и дисперсную фазу. Вещество, определяющее общее агрегатное состояние
33
системы, называют дисперсионной средой, а распределенное в нем
Дисперсионная
среда
Дисперсная фаза
Название
системы
Примеры
Газ
Газ*
Аэрозоли
Атмосфера Земли*
Жидкость
Туман
Твердое тело
Дым, пыль
Жидкость
Газ
Газовые эмуль-
сии Пены
Газированная вода,
пены
Жидкость
Эмульсии
Молоко, масло,
кремы
Твердое тело
Коллоидные
растворы, сус-
пензии
Пасты, краски, гели
Твердое тело
Газ
Твердые
пены
Пемза, твердые
пеноматериалы, хлеб
Жидкость
Твердые эмуль-
сии
Жемчуг, ртуть
в минералах
Твердое тело
Твердые
золи
Сплавы, окрашенные
стекла, драгоценные
камни
вещество – дисперсной фазой. Например, в дисперсной системе «туман» дисперсионной средой является воздух, капельки жидкости являются дисперсной фазой; в дисперсной системе «молоко» вода является дисперсионной средой, частицы жира и белка – фазой; в пористом бетоне – средой является бетон, пузырьки газа – фазой.
Термодинамические системы бывают гетерогенными и гомогенными. В гетерогенных системах всегда существует граница раздела фаз между компонентами, в гомогенных системах такая поверхность отсутствует. Дисперсные системы являются гетерогенными
системами, так как в них всегда присутствует поверхность раздела
между частицами и средой.
Дисперсные системы классифицируют по агрегатным состояниям
дисперсной фазы и дисперсионной среды (табл. 1) [3].
Таблица 1
Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию
* – данные системы, строго говоря, не относятся к дисперсным, так
как являются гомогенными (отсутствует поверхность раздела между
фазами).
34
Наиболее детально в коллоидной химии изучаются дисперсные
системы, в которых дисперсной фазой является твердое вещество, а
дисперсионной средой – жидкость. Такие системы в зависимости от
размера частиц делят на три группы.
1. Если размер частиц больше 10-5 см, такие системы называют
грубодисперсными. Поскольку частицы достаточно крупные, они быстро оседают на дно (или всплывают на поверхность, в зависимости
от соотношения плотностей дисперсионной среды и дисперсной фазы). Поэтому грубодисперсные системы неустойчивы, они быстро
расслаиваются на дисперсную фазу и дисперсионную среду.
2. Если размер частиц изменяется от 10-5 до 10-7 см, такие сис-
темы называют коллоидными растворами или золями.
3. Если размер частиц меньше 10-7 см, такие дисперсные системы
называют истинными растворами [5]. В истинных растворах растворенное вещество раздроблено до размеров отдельных молекул, в таких системах исчезает поверхность раздела между частицами и средой, и гетерогенные дисперсные системы переходят в гомогенные
молекулярные растворы. Поэтому, строго говоря, истинные раство-
ры не являются дисперсными системами.
Коллоидные растворы
Коллоидные растворы (золи) – это дисперсные системы,
имеющие жидкую дисперсионную среду и твердую дисперсную фазу. Размер частиц в золях изменяется от 10
-5
до 10-7 см.
Степень дисперсности (раздробленности) в коллоидах значительно
выше, чем в грубодисперсных системах, поэтому все коллоидные растворы обладают большой межфазной поверхностью. Это обусловливает ряд особенностей, присущих коллоидным растворам:
Частицы поверхностного слоя (на границе раздела дисперсной
фазы и среды) находятся в особом энергетическом состоянии и обла-
35
дают избытком свободной поверхностной энергии, что определяет многие свойства коллоидных растворов, например, адсорбционные.
В противоположность истинным растворам, которые являются
устойчивыми системами, золи неустойчивы, что проявляется в процессах роста частиц (коагуляции).
Коллоидные растворы способны рассеивать свет, поскольку
размеры частиц дисперсной фазы сопоставимы с длиной волны света.
При этом рассеиваются в основном короткие волны синей части спектра. Раствор в этом случае опалесцирует, т.е. в проходящем свете имеет
красно-желтый оттенок, а в отраженном – голубоватый [5].
Методы получения коллоидных растворов
Обязательным условием для получения коллоидного раствора является нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной
среде и наличие в среде стабилизатора – вещества способного стабилизировать коллоидные частицы.
По размерам частиц коллоидные растворы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами. Следовательно, получить золи можно либо измельчением
крупных частиц (диспергационные методы) или укрупнением молекул
и ионов (конденсационные методы) [6].
Диспергационные методы
Диспергационные методы основаны на дроблении крупных час-
тиц до агрегатов коллоидных размеров. В зависимости от способа измельчения можно выделить механическое, ультразвуковое и электрическое диспергирование.
Механическое дробление осуществляется путем раздробления,
удара, истирания, расщепления. Широкое применение в данном методе
находят шаровые и коллоидные мельницы. Механическое дробление
является процессом, требующим больших затрат энергии.
36
Диспергирование ультразвуком происходит при прохождении
ультразвуковых волн через твердое тело. Этот метод применим только
при диспергировании веществ, прочность которых мала (сера, крахмал,
краски, графит и т. д.).
Электрическим диспергированием получают коллоидные рас-
творы металлов. В этом методе металлические электроды, погруженные в воду, распыляются в вольтовой дуге.
Конденсационные методы
Конденсационные методы основаны на объединении (конденсации) молекул и ионов в агрегаты коллоидных размеров. При этом система из гомогенной превращается в гетерогенную, так как возникает
новая фаза. Конденсация может быть физической и химической.
Физическая конденсация протекает за счет физических процессов
конденсации вещества из паров или путем замены растворителя. При
конденсации из паров исходное вещество находится в паре. При понижении температуры пар конденсируется, образуя дисперсную фазу.
Таким образом, например, происходит образование облаков.
Метод замены растворителя основан на изменении свойств дис-
персионной среды. Если, например, спиртовой раствор канифоли, серы
или фосфора влить в воду, то, вследствие понижения растворимости
вещества в новом растворителе, раствор становится пересыщенным, и
часть вещества конденсируется, образуя новую фазу.
В случае химической конденсации вещество, образующее дис-
персную фазу, образуется в ходе химической реакции. Чтобы в ходе
химической реакции образовался коллоидный раствор, а не истинный
раствор или осадок, необходимо соблюдение трех условий:
1) вещество дисперсной фазы должно быть нерастворимо в диспер-
сионной среде;
2) скорость образования кристаллов должна быть больше, чем ско-
рость роста кристаллов; в этом случае образуются частицы маленького
размера;
37
3) один из компонентов реакции должен быть в избытке, тогда он
будет играть роль стабилизатора коллоидного раствора.
Рассмотрим, например, образование золя иодида серебра, полученного в избытке иодида калия. Если к раствору AgNO3 прилить избыток
KI, то из раствора осадок AgI не выпадает, а образуется золь иодида серебра.
AgNO3+KIAgI+KNO3.
В процессе реакции образуются мельчайшие кристаллики AgI, состоящие из большого числа частиц AgI и образующие ядро коллоидной
частицы. Состав ядра коллоидной частицы можно выразить формулой
m[AgI].
На поверхности ядра адсорбируются ионы, находящиеся в избытке
в растворе и входящие в состав кристаллической решетки ядра. Они называются потенциалобразующими ионами, поскольку, благодаря этим
ионам, ядро приобретает заряд (потенциал). Поскольку в приведенном
примере в избытке находится KI, на поверхности ядра будут адсорбироваться n ионов I–. Состав потенциалобразующего слоя записывают
как nI–.
За счет сил электростатического притяжения на поверхности потенциалобразующего слоя осаждаются ионы противоположного знака, находящиеся в избытке в растворе, в нашем примере это ионы калия. В непосредственной близости от ядра находятся ионы калия (К+),
которые прочно связаны с ядром и перемещаются в растворе совместно
с ним. Эти ионы входят в адсорбционный слой. Состав адсорбционного
слоя можно записать следующим образом: (n-x)K+. Ядро с адсорбционным слоем называется частицей, в данном случае состав частицы соответствует формуле: {m[AgI]nI–(n-x)K+}х–.
Остальные противоионы находятся ближе к периферии и образуют
диффузный слой. Таким образом, строение частиц золя AgI, стабилизированный иодидом калия (KI), будет иметь вид:
38
мицелла
частица
потенциал-
образующие ионы
ядро
противоиоиы
диффузный
слой
адсорбционный
слой
{m[AgI]nI–(n-x)K+}x–xK+
Рис. 1. Строение мицеллы золя AgI, стабилизированного KI
Весь комплекс из частицы и диффузного слоя называется мицеллой. Таким же способом можно изобразить и мицеллу золя с положительно заряженной частицей, например, мицеллу золя AgI, полученного
в избытке AgNO3. В этом случае на поверхности ядра адсорбируются
находящиеся в избытке ионы серебра, они обусловливают положительный заряд частицы. Противоионами в данном случае выступают нитрат-ионы:
{m[AgI]nAg+(n-x)NO
–}х+
3
х(NO3)–.
39
Образование двойного электрического слоя
В начале 19-го века было установлено, что твердые частицы в коллоидных растворах заряжены. Это было установлено с помощью следующего опыта. Если в U-образную трубку налить мутный раствор
глины и поместить в оба колена трубки электроды, то, при пропускании
тока, жидкость в трубке с положительным электродом мутнеет, а в
трубке с отрицательно заряженным электродом раствор становится
прозрачным.
Это объясняется тем, что твердые частицы глины заряжены отрицательно и переносятся к положительному полюсу. Явление переноса
частиц под действием электрического тока называется электрофоре-
зом.
Заряд на коллоидных частицах, как было показано выше, обусловлен адсорбцией ионов на поверхности частицы. Вследствие такой адсорбции образуется двойной электрический слой (ДЭС) ионов.
В самом общем виде ДЭС состоит из адсорбированных на поверхности частицы потенциалобразующих ионов и ионов противоположного знака, находящихся вблизи поверхности частицы. Ионы, находящиеся в диффузном слое, свободны, они слабо связаны с частицей. При
движении частицы двойной электрический слой разрывается. Место
разрыва называется плоскостью скольжения. Плоскость скольжения
лежит у границы частицы и диффузного слоя (рис. 1). Потенциал на
плоскости скольжения называется электрокинетическим потенциалом,
или дзета-потенциалом (ζ). Ионы, образующие диффузный слой, в
электрическом поле будут двигаться к другому электроду [7].
Следует помнить, что частица коллоидного раствора всегда заряжена (заряд может быть положительным или отрицательным), а
мицелла всегда электронейтральна.
Двойной электрический слой может появляться не только за счет
адсорбции ионов извне, а также в результате электролитической диссоциации поверхностного слоя самого ядра. Например, строение мицеллы
золя кремниевой кислоты объясняется следующим образом. На по-
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]