Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физическая химия. Методические указания

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 96 7 8 9 > Следующая >>>

3. Получение золя канифоли методом замены растворителя

Канифоль не растворима в воде, но хорошо растворима в спирте. Этим пользуются для получения гидрозоля канифоли. При добавлении спиртового раствора канифоли в воду растворимость канифоли уменьшается, раствор становится пересыщенным, и канифоль конденсируется, образуя частицы дисперсной фазы.

Приготовьте гидрозоль канифоли следующим образом. Один миллилитр 5-процентного раствора канифоли в спирте по каплям прилейте к 20 мл воды. При этом канифоль осаждается из спиртового раствора в виде мельчайших частиц. В результате образуется опалесцирующий золь. Частицы гидрозоля заряжены отрицательно.

Опишите, что представляет собою по внешнему виду золь канифоли. В чем заключается метод замены растворителя?

4. Получение золя иодида серебра

Поскольку иодид серебра очень мало растворим в воде, казалось бы, для образования золя достаточно смешать эквивалентные количества иодида калия с нитратом серебра.

Однако в этом случае образуется грубый осадок:

KI+AgNO3AgI+KNO3.

Для получения золя иодистого серебра необходимо, чтобы в системе был избыток либо KI, либо AgNO3. Находящееся в избытке вещество является стабилизатором коллоидного раствора. В этом случае образовавшееся кристаллическое ядро адсорбирует те ионы, которые находятся в избытке в растворе, и превращается в заряженную частицу, это препятствует коагуляции частиц и выпадению в осадок AgI. Из раствора всегда адсорбируется тот ион, который достраивает кристаллическую решетку AgI. Так, если в растворе находится избыток AgNO3, кристаллик AgI адсорбирует ионы серебра, и частицы золя заряжаются положительно. Если в избытке KI, то адсорбируются ионы иода, и частицы золя заряжаются отрицательно.

Получите отрицательно заряженный золь иодида серебра следующим образом. В коническую колбу из бюретки прилейте 30 мл 0,005М (избыток) раствора KI. Затем из другой бюретки в ту же колбу медленно добавьте 25 мл 0,005М раствора AgNO3. В результате взаимодействия двух растворов образуется золь иодида серебра, частицы которого имеют строение:

{m[AgI]nI– (n-x)K+}

х– xK+

Получите положительно заряженный золь иодида серебра, взяв 30 мл 0,005 М раствора AgNO3 и 25 мл 0,005 м раствора KI (т.е. избыток раствора AgNO3).

Запишите строение частиц. Оба золя оставьте для определения знака заряда частиц (опыт 5).

5. Определение знака заряда коллоидных частиц

Частицы почти всех коллоидных систем имеют электрический заряд, который образуется в результате адсорбции ионов определенного знака из дисперсионной среды.

Достаточно в коллоидный раствор погрузить два электрода, один из которых, заряженный отрицательно, называют катодом, другой, заряженный положительно, называют анодом, и подключить электроды к внешнему источнику тока, как заряженные частицы начнут перемещаться: положительно заряженные к катоду, отрицательно заряженные к – аноду. Возле одного электрода раствор становится более мутным, возле другого ─ более прозрачным. Заряд коллоидных частиц противоположен заряду того электрода, у которого наблюдается помутнение. Этот метод определения знака заряда коллоидных частиц называется электрофорезом.

Определите с помощью этого метода знак заряда частиц золей AgI, полученных в опыте 4.

Для определения знака заряда в U-образную трубку налейте золь, погрузите в трубку два электрода. Подключите источник постоянного

тока. Около какого электрода наблюдается помутнение раствора? Сделайте вывод о знаке заряда коллоидных частиц.

6. Образование геля кремниевой кислоты

Коллоидные растворы, потерявшие текучесть, называются гелями. Они представляют собой структуры в виде трехмерных пространственных сеток, ячейки которых заполнены растворителем.

Приготовьте гель кремниевой кислоты. Для этого к 4 мл 30процентного раствора силиката натрия прилейте 4 мл концентрированной соляной кислоты. Через 15–20 минут масса застудневает и превращается в гель кремниевой кислоты. Полученный гель имеет пористую структуру. Высушенный гель называется силикагелем и применяется в качестве активного адсорбента воды, спиртов, бензола.

Напишите уравнение реакции и запишите строение мицеллы геля кремниевой кислоты.

7. Капиллярный анализ

Иногда знак заряда коллоидной частицы можно определить, не прибегая к источникам энергии. Это можно сделать, если известен знак заряда какой-либо поверхности. Так, например, стенки капилляров фильтровальной бумаги при погружении в воду заряжаются отрицательно, а прилегающая вода – положительно. На этом явлении основан капиллярный анализ.

Определите с помощью капиллярного анализа знак заряда золя гидроксида железа (III) следующим образом.

Золь гидроксида железа (III), полученный в опыте 1, налейте в стаканчик и погрузите в золь полоску фильтровальной бумаги. В течение 10–15 минут наблюдайте перемещение окрашенного слоя воды. Поскольку золь гидроксида железа (III) заряжен положительно, а стенки фильтровальной бумаги отрицательно, то перемещение окрашенного слоя вверх невозможно, так как частицы Fe(OH)3 будут за счет электростатического притяжения оседать на поверхности капил-

ляров. Вместе с тем, вода поднимается на большую высоту за счет сил поверхностного натяжения.

Аналогичный опыт проведите с берлинской лазурью. Чтобы приготовить коллоидный раствор берлинской лазури, налейте в стаканчик немного воды и добавьте несколько кристаллов берлинской лазури. Опишите, что происходит при погружении полоски бумаги в золь берлинской лазури. Сделайте вывод о знаке заряда частиц берлинской лазури.

8. Коагуляция коллоидных растворов

Коагуляцию коллоидных растворов можно вызвать различными способами. Наиболее эффективно действуют электролиты. При использовании электролитов следует помнить, что коагулирующим действием обладает ион, заряд которого противоположен знаку заряда коллоидной частицы. Действие иона тем сильней, чем выше его заряд.

Прилейте к 5 мл золя гидроксида железа (III), полученного в опыте 1, по каплям раствор ортофосфата натрия (Na3PO4) до появления мути, подсчитывая, сколько капель электролита вступит в реакцию. Аналогичные опыты проделайте с растворами карбоната и хлорида натрия (Na2CO3 и NaCl соответственно). Запишите число капель каждого электролита, необходимого для коагуляции.

Kaкой ион вызывает коагуляцию золя гидроксида железа (III)? Какой из коагулянтов более эффективен? Почему?

9. Определение порога коагуляции

Под порогом коагуляции понимают такой минимальный объем электролита, который вызывает коагуляцию. Порог коагу-

ляции рассчитывается на 1 литр коллоидного раствора по формуле

 



 , (1)



где С – концентрация электролита, 0,01 М;

V – объем электролита, вызвавший появление помутнения;

Определите порог коагуляции раствора гидроксида железа (III),

Номер пробирки

2 3 4

Количество добав-

ленного электроли-

та

Наблюдаемое по-

мутнение

полученного в опыте 1. Для этого возьмите 5 пробирок, в каждую налейте по 10 мл золя гидроксида железа (III). Затем в первую пробирку прилейте из микробюретки 0,1 мл 0,01 М раствора сульфата натрия

(Na2SO4). Во вторую пробирку – 0,2 мл раствора Na2SO4, в третью –

0,3 мл т.д. Отметьте, в какой пробирке наблюдается помутнение. Все данные занесите в табл. 2.

Таблица 2

Определение порога коагуляции золя Fe(OH)3

раствором сульфата натрия (Na2SO4)

Наличие помутнения отмечайте знаком «плюс», отсутствие помутнения – знаком «минус».

Рассчитайте порог коагуляции .

10. Определение защитного числа

В технике часто возникает необходимость придать устойчивость коллоидному раствору. Например, золь золота, часто используемый для нанесения декоративных покрытий, легко разрушается, так как при нарушении равновесия золото выпадает в осадок. Однако в процессе использования золь должен быть устойчив. Для защиты коллоидных растворов от разрушения используют стабилизаторы коллоидных растворов – водорастворимые полимеры, желатин и другие соединения. Защитное число показывает, сколько нужно добавить

стабилизатора, чтобы сохранить устойчивость коллоидного раствора.

Определите защитное число для золя гидроксида железа (III). В

Номер пробирки

1 2 3 4 5

Количество добавленного

раствора желатина

Наблюдаемое помутнение

качестве стабилизатора используйте желатин, в качестве коагулянта – раствор сульфата натрия (Na2SO4).

Для определения защитного числа в 5 пробирок налейте по 10 мл золя гидроксида железа (III). Затем в первую пробирку прибавьте 0,1 мл 1-процентного раствора желатина, во вторую – 0,2 мл и т.д. Пробирки встряхните. Затем в каждую пробирку прибавляют 0,01 М раствора Na2SO4 в количестве, которое соответствует порогу коагуляции (это количество было установлено в опыте 9). После встряхивания отметьте, в какой из пробирок исчезло помутнение. Заполните табл. 3.

Таблица 3

Определение защитного числа золя гидроксида железа (III)

Наличие помутнения отмечайте знаком «плюс», отсутствие помутнения – знаком «минус».

Защитное число рассчитывается на 1 литр коллоидного раствора по формуле

  



 , (2)



где С – концентрация раствора электролита, 0,01 М;

n – номер пробирки, в которой впервые исчезло помутнение;

Значение защитного числа зависит от концентраций растворов желатина и электролита [1].

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие системы называются дисперсными?

2. Что такое коллоидные растворы?

3. Назовите методы получения коллоидных растворов.

4. Каким образом проводят физическую конденсацию?

5. Какие условия необходимы для химической конденсации?

6. Какое строение имеет коллоидная частица? Из каких частей она состоит?

7. Что такое электрофорез?

8. Являются ли коллоидные системы термодинамически устойчивыми?

9. Дайте определение кинетической и агрегативной устойчивости колло-

идных растворов.

10. Что такое коагуляция и седиментация?

11. Почему электролиты вызывают коагуляцию? Что такое порог коагуля-

ции?

12. Как можно защитить золь от коагуляции? Что такое защитное число?

13. Каким образом происходит образование геля?

14. В чем заключается явление синерезиса?

15. Что такое тиксотропия?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Si OOOSi OOOSi OOOSi OOOО OOО OOО

ПОЛУЧЕНИЕ СИЛИКАГЕЛЯ И ИЗУЧЕНИЕ

ЕГО АДСОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ

Целью работы является знакомство студентов со строением, способами получения и адсорбционными свойствами силикагеля. Кроме того, в процессе выполнения работы студенты осваивают основные приемы фотоколориметрического метода анализа.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Различные кристаллические модификации оксида кремния (IV) (кварц, тридимит, кристобалит и др.) и безводный аморфный кремнезем являются высокомолекулярными неорганическими соединениями общего состава SinO2n. В структуре этих соединений атомы кремния связаны друг с другом через атом кислорода. Такие связи назы-

вают силоксановыми (Si–O–Si). Каждый атом кремния, в составе этих соединений, окружен четырьмя атомами кислорода, т. е. имеет тетраэдрическую координацию [1]. Таким образом, структуру безводного кремнезема схематически можно изобразить следующим образом:

Гидратированный аморфный кремнезем, или силикагель, имеет такое же строение, однако, в отличие от безводного кремнезема, содержит химически связанную воду. Вода входит в состав силикагеля в виде гидроксогрупп (ОН–). Таким образом, в структуре гидратированного кремнезема, кроме связей кремний–кислород–кремний (силоксановые связи), присутствуют также связи кремний–кислород– водород (≡Si–O–H), называемые силанольными [9].

Силикагель мало распространен в природе. Он находится в по-

лых трубках бамбука в виде аморфного вещества, носящего название «табашира», также аморфный кремнезем встречается в отложениях опалов. Опалы общей формулой SiO2·nH2O представляют собой типичные твердые гидрогели, возникающие в результате частичной дегидратации богатых водой гелей кремнезема. Содержание воды в отдельных случаях достигает 20 %.

В лаборатории силикагель впервые был получен более 200 лет тому назад, в настоящее время синтезировано большое количество силикагелей различных марок, широко используемых в лаборатории и промышленности.

Все известные методы получения силикагеля основаны на получении кремниевой кислоты из различных кремнийсодержащих соединений и ее последующей полимеризации. Чаще всего силикагель получают следующими способами:

1. Взаимодействием силикатов щелочных металлов с кислотами.

2. Растворением элементарного кремния в водных растворах ам-

миака.

3. Омылением эфиров ортокремниевой кислоты.

4. Взаимодействием силана с водой.

5. Гидролизом галогенидов кремния.

Рассмотрим получение силикагеля из гидратированного метасиликата натрия и разбавленной соляной кислоты.

Na2SiO3nH2O+2HClSiO22H2O+2NaCl+(n-1)H2O.

В результате реакции образуется монокремниевая кислота состава Si(OH)4. В структуре этой кислоты каждый атом кремния окружен четырьмя гидроксогруппами, т. е. атом кремния находится в тетраэдрической координации.

По мере протекания реакции концентрация кремниевой кислоты

мицелла

частица

потенциалобразующие

ионы

противо-

иоиы

диффуз-

ный

слой

ядро

увеличивается, и раствор становится пересыщенным. Молекулы кислоты начинают взаимодействовать друг с другом, связываясь сначала в димеры, а затем в длинную цепочку полимера. Этот процесс называется полимеризацией. В результате полимеризации размер частиц увеличивается, и истинный раствор переходит в коллоидный. Процесс полимеризации заключается в конденсации ОН– групп с образованием силоксановой связи (Si–O–Si). Общее уравнение полимеризации можно записать следующим образом:

nSi(OH)4(SiO2)n+2nH2O.

Таким образом, в результате полимеризации образуются коллоидные частицы кремниевой кислоты. Строение коллоидных частиц можно записать следующей формулой [4]:

[{SiO2·nH2O}m·x(HSiO3)─·(x-y)H+]y─·yH+.

В результате полимеризации частицы продолжают укрупняться, связываются друг с другом, поэтому образовавшийся коллоидный раствор (золь) постепенно переходит в гель. Скорость полимеризации кремниевой кислоты и, соответственно, устойчивость золя зависит от рН среды. Графическая зависимость устойчивости золя от кислотности среды указана на рис. 1.

Как видно из графика, наиболее устойчив коллоидный раствор при рН≈2. При этом значении рН скорость образования геля будет минимальной. Наименее устойчив золь при рН, изменяющемся от 5 до 6, поскольку в этом диапазоне рН концентрация ионов водорода

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 96 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]