Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Химия. Практикум для СПО

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 1210 11 12 > Следующая >>>

Таблица 3.6

Результаты измерений

Раствор

С,

моль/л

рН

рас

рН

изм

до

разб.

рН

изм

после

разб.

Буферные свойства

Среда

Тип

Вк,

моль/л ×

ед. рН

Вщ,

моль/л ×

ед. рН

HCl

CH3COOH

СH3COONa

NaOH

CH3COOH/CH3COONa

мл/мл

Биологический объект

По результатам работы делают выводы.

3.4. КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ

Коллоидные (дисперсные) системы — это гетерогенные системы, в которых одна из фаз находится в раздробленном состоянии (капельки, пузырьки, твердые частицы). При этом раздробленная фаза — дисперсная фаза, непрерыв- ная фаза — дисперсионная среда.

Классификация дисперсных систем:

1. По степени дисперсности (размеру частиц дисперсной фазы):

– грубодисперсные — 10–4–10–3 см;

– среднедисперсные — 10–6–10–4 см;

– высокодисперсные — 10–7–10

–6

см.

2. По агрегатному состоянию (табл. 3.7).

3. По характеру взаимодействия:

– лиофильные: сильное взаимодействие частиц дисперсной фазы с молеку-

лами дисперсионной среды, образуются самопроизвольно вследствие процесса сольватации, термодинамически агрегативно устойчивы (водные растворы некоторых природных ВМС, например белков — желатина, яичного белка, полисахаридов — крахмала);

– лиофобные: слабое взаимодействие частиц дисперсной фазы с молекулами дисперсионной среды, не образуются самопроизвольно, термодинамически агрегативно неустойчивы (эмульсии, суспензии, золи).

Таблица 3.7

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

Среда

Фаза

Жидкая

Газообразная

Твердая

Т/Ж

суспензии, золи

Т/Г

пыли, дымы,

порошки

Т/Т

сплавы

Жидкая

Ж/Ж

эмульсии, кремы

Ж/Г

аэрозоли

Ж/Т

пористые тела

Газообразная

Г/Ж

пены

Г/Г

–

Г/Т

капиллярные

системы

4. По степени взаимодействия частиц дисперсной фазы:

– свободнодисперсные, в которых частицы дисперсной фазы не связаны между собой и могут свободно перемещаться, обладают текучестью и всеми остальными свойствами, характерными для обычных жидкостей (аэрозоли, разбавленные суспензии и эмульсии);

– связнодисперсные, в которых одна из фаз структурно закреплена и не может перемещаться свободно, частицы образуют сплошной пространственный каркас (гели и студни, пены, капиллярно-пористые тела, твердые растворы).

Способы получения дисперсных систем:

1) методы диспергирования основаны на дроблении крупных кусков веще-

ства до требуемой степени дисперсности. Эти методы чаще применяются для получения суспензий и эмульсий;

2) методы конденсации представляют собой объединение молекул или

ионов до размеров коллоидных частиц, следствием чего является возникновение границы раздела фаз.

Получение коллоидных растворов в результате химических реакций (гидролиз, окисление, восстановление, реакции двойного обмена), в которых образуются труднорастворимые вещества, относят к химической конденсации. Усло-

вия для образования коллоидных растворов в ходе химической реакции:

– в результате реакции должно образовываться малорастворимое соединение;

– раствор с большей концентрацией добавляют к раствору с меньшей концентрацией;

– необходим небольшой избыток одного из реагентов;

– недопустимо присутствие посторонних электролитов

Элементарная частица золя называется мицеллой. Основу мицеллы составляет нерастворимый в данной дисперсионной среде агрегат. На поверхности агрегата адсорбируются ионы, входящие в состав агрегата и придающие ему заряд. Они называются потенциалопределяющими ионами (ПОИ). Заряженный агрегат составляет ядро мицеллы. Заряд ядра компенсируется эквивалентным зарядом противоположных ионов (противоионов), находящихся в объеме среды. Противоионы, располагающиеся вблизи поверхности агрегата, прочно связаны с агрегатом и образуют адсорбционный слой. Остальные противоионы, более удаленные от агрегата, образуют диффузный слой:

AgNO3 + KI

(изб.)

→ AgI↓ + KNO3;

{[AgI]m nI– (n – x)K+}–x xK+,

где [AgI]m — агрегат;

[AgI]m nI– — ядро;

I– — потенциалопределяющие ионы;

K+ — противоионы;

{[AgI]m nI– (n – x)K+}–x — коллоидная частица;

nI– (n – x)K+ — адсорбционный слой;

xK+ — диффузный слой.

Для коллоидных систем различают два вида устойчивости:

1) кинетическая устойчивость — способность частиц дисперсной фазы

удерживаться во взвешенном состоянии благодаря броуновскому движению. При этом чем выше степень дисперсности, тем больше скорость броуновского движения и выше кинетическая устойчивость;

2) агрегативная устойчивость — способность частиц дисперсной фазы

оказывать сопротивление их слипанию и удерживать определенную степень дисперсности. Это объясняется электростатическим отталкиванием одноименных зарядов гранул и наличием гидратированной оболочки у ионов диффузного слоя.

Коагуляция — слипание и укрупнение частиц дисперсной фазы (потеря агрегативной устойчивости) с потерей кинетической устойчивости (выпадение в осадок, всплытие на поверхность частиц дисперсной фазы). Процесс происходит под действием внешних факторов: электролиты, температура, механические воздействия.

Действие электролита подчиняется правилам коагуляции:

1) вызвать коагуляцию может любой электролит при достижении и опре-

деленной концентрации — порог коагуляции — это минимальное количество электролита, которое вызывает явную коагуляцию (помутнение раствора, выпадение осадка, изменение цвета) 1 л золя;

2) коагулирующим действием обладает ион, имеющий противоположный заряд заряду гранулы: чем выше заряд иона, тем больше его коагулирующая способность — правило Шульце — Гарди.

Молоко является полидисперсной системой, в которой жир находится в виде эмульсии, белок — коллоидный раствор (золь), лактоза, минеральные вещества — истинный раствор.

При производстве кисломолочных продуктов, творога и сыра гидрофильный золь белков молока осаждают в виде осадка — геля. Процесс гелеобразования происходит при смещении рН в кислую сторону в результате образования молочной кислоты (продукта жизнедеятельности микроорганизмов закваски) — кислотная коагуляция; при добавлении хлорида кальция снижается заряд белковой молекулы, уменьшается толщина гидратной оболочки — высаливание; нагревание усиливает дегидратацию белковой молекулы, уплотняет сгусток, способствует синерезису.

Задания для самоконтроля

1. Дайте определение: коллоидные системы.

2. Приведите классификацию дисперсных систем.

3. Приведите строение мицеллы.

4. Раскройте понятие: кинетическая устойчивость.

5. Раскройте понятие: агрегативная устойчивость.

6. Приведите правила коагуляции.

7. Напишите формулу мицеллы золя Fe(OH)3, полученного смешиванием равных объемов растворов хлорида железа 0,01 н FeCl3 и гидроксида калия 0,02 н КОН.

Экспериментальная часть

Получение и очистка золя гидроксида железа (III) методом гидролиза

Получение золя гидроксида железа основано на конденсации молекул

Fe(OH)3, образовавшихся в результате реакции ступенчатого гидролиза FeCl3 в водном растворе при нагревании.

Хлорид железа (III) реагирует с водой по уравнению:

FeCl3 + 2Н2О = Fe(ОН)2Сl + 2HCl.

С повышением температуры увеличивается степень гидролиза и образу-

ются частицы труднорастворимого гидроксида железа (III):

Fe(ОН)2Сl + Н2О = Fe(ОН)3↓ + HCl.

Мицелла образуется за счет адсорбции на частицах [Fe(OH)3]m ионов Fe+3

либо FeO+, а противоионами служат Cl–.

Очистка золя методом диализа основана на свойстве полупроницаемой

мембраны диализатора пропускать малые молекулы и ионы примесей и задерживать более крупные коллоидные частицы золя.

Проведение эксперимента. В чистую колбу вместимостью 150 мл отмеривают с помощью цилиндра 85 мл дистиллированной воды, колбу с водой ставят на электрическую плитку до закипания. В пипетку набирают 15 мл 2 %-ного водного раствора FeCl3. В кипящую воду небольшими порциями добавляют содержимое пипетки.

После добавления последних порций жидкость в колбе кипятят в течение нескольких секунд. Наблюдают образование красно-бурого золя гидроксида железа (III).

Снимают колбу с полученным золем с электрической плитки и выливают золь в горячем состоянии в диализатор. Через каждые 4–6 ч дистиллированную воду в диализаторе меняют на чистую. После очистки золь сливают в чистые склянки, закрывают пробками и ставят на хранение.

Дают визуальную характеристику золя: прозрачный/мутный (степень мутности), окрашенность (с оттенками). Записывают формулу и схему мицеллы гидроксида железа (III), где указывают: ядро, потенциалопределяющие ионы, противоионы и знак заряда частиц золя.

Определение порога коагуляции золя гидроксида железа (III)

растворами электролитов

Определение порогов коагуляции электролитов основано на измерении объемов электролитов, которые необходимо добавить к золю, чтобы вызвать его коагуляцию (начало процесса обнаруживается по едва заметному помутнению).

Проведение эксперимента. В 4 чистые пробирки наливают по 4 мл золя в каждую. В первую пробирку больше ничего не добавляют, она является контрольной. В другие пробирки из градуированной пипетки по каплям добавляют растворы электролитов: 0,5 н хлорида натрия, 0,5 н сульфата натрия, 0,5 н фосфата натрия.

После добавления каждой капли электролита золь перемешивают путем встряхивания пробирки и проводят сравнение с контрольной пробиркой, наблюдая за появлением мути, что свидетельствует о начале коагуляции золя.

На основе правил коагуляции электролитами определяют, какой из ионов каждого электролита вызывает коагуляцию золя.

Рассчитывают порог коагуляции по формуле:

 





где П — порог коагуляции, моль/л;

Vэл — объем электролита, мл;

Сэл — концентрация электролита, моль/л;

Vсм = Vэл + Vзоля — объем смеси, моль/л.

Полученные результаты измерений и расчетов заносят в табл. 3.8.

Таблица 3.8

Результаты измерений и расчетов

Коагулирующий ион

Cl– SO

2–

3–

Объем электролита, Vэл, мл

Порог коагуляции, П, моль/л

Сравнивают (попарно) коагулирующее действие ионов, делают вывод о том, как величина заряда иона, вызывающего коагуляцию, связана с его коагулирующим действием и значением порога коагуляции электролита.

3.5. ЭМУЛЬСИИ

Эмульсии — дисперсные системы, состоящие из двух взаимно нерастворимых жидкостей, одна из которых в виде капелек диспергирована в другой (Ж/Ж). Как правило эмульсия состоит из полярной жидкости — воды «В» и неполярной, которую обозначают «М» — «масло».

Классификация эмульсий:

1) по химической природе образующих жидкостей:

– прямая эмульсия, эмульсия I рода — «масло в воде», М/В;

– обратная эмульсия, эмульсия II рода — «вода в масле», В/М.

Рис. 3.2 Классификация эмульсий по химической природе:

а — прямая; б — обратная

В эмульсиях I рода капельки неполярной жидкости (масла) распределены в полярной (воде); в эмульсиях II рода дисперсионная среда неполярна (рис. 3.2);

2) по концентрации дисперсной фазы:

– разбавленные — содержание дисперсной фазы не более 0,1 %;

– концентрированные — содержание дисперсной фазы не более 74 %;

– высококонцентрированные — содержание дисперсной фазы более 74 %.

Эмульсии являются термодинамически неустойчивыми системами, так как имеют большую площадь межфазной поверхности, а значит, и свободную поверхностную энергию. Для них характерны явления коалесценции — самопроизвольное слияние капелек дисперсной фазы — и седиментации — всплывание капелек дисперсной фазы, что приводит к разрушению эмульсии.

Для повышения устойчивости эмульсии используют стабилизаторы — эмульгаторы. Они снижают поверхностное натяжение на поверхности раздела и на частицах дисперсной фазы образуют пленки, обладающие механической прочностью. Эмульгатор должен иметь сродство с дисперсионной средой. Например, для стабилизации эмульсии типа М/В необходим гидрофильный, водорастворимый эмульгатор. В качестве эмульгаторов используют растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), мыла, порошки.

Методы получения эмульсий делят на диспергационные (дробление круп- ных капель) и конденсационные (образование капель из малых центров каплеобразования).

Получение эмульсий основано на механическом диспергировании (дроблении) одной жидкости и распределении по объему другой жидкости путем

интенсивного длительного встряхивания или перемешивания в различных смесителях, мешалках, гомогенизаторах с добавлением стабилизатора или без него.

Эмульсии одного типа могут превращаться в эмульсию другого типа за счет длительного механического воздействия, введения поверхностно-активных веществ (ПАВ), стабилизирующих обратный тип эмульсии. Это явление называется обращением фаз, или инверсией.

Основными характеристиками эмульсий являются:

1) дисперсность — размеры частиц дисперсной фазы;

2) устойчивость во времени — скорость расслоения эмульсии, ее опреде-

ляют, измеряя высоту (объем) отслоившейся фазы через определенные промежутки времени после получения эмульсии;

3) агрегативная устойчивость — способность сохранять во времени неиз-

менными размеры капель дисперсной фазы, т. е. противостоять коалесценции.

Факторы агрегативной устойчивости:

– электростатический;

– адсорбционно-сольватный;

– структурно-механический.

Эмульсии широко представлены в пищевых продуктах. Это молоко, масло, майонез и др. Переваривание жиров в организме происходит через эмульгирование желчными кислотами. Для повышения устойчивости жировой эмульсии в молоке используют гомогенизацию — дробление жировых шариков, поэтому отстой жира в гомогенизированном молоке меньше, чем в исходном. При производстве масла в результате длительного механического воздействия происходит обращение фаз: сливки — эмульсия М/В, масло — эмульсия В/М.

Процесс деэмульгирования — разрушение эмульсии — также имеет большое технологическое значение: получение сливок из молока методом сепарирования, в основе которого — воздействие центробежной силы и концентрирование эмульсии за счет седиментации частиц дисперсной фазы; определение массовой доли жира кислотным методом за счет воздействия на белково-лецитиновую оболочку жирового шарика концентрированной серной кислотой, изоамиловым спиртом, центрифугирование и нагревание, приводящее к десорбции оболочечного вещества и получению сплошного слоя дисперсной фазы — жира.

Задания для самоконтроля

1. Дайте определение: эмульсия.

2. Приведите классификации эмульсий.

3. Дайте определение: коалесценция, седиментация.

4. Раскройте механизм действия эмульгатора.

5. Раскройте сущность явления обращения фаз.

6. Приведите методы получения эмульсий, примеры.

7. Приведите основные характеристики эмульсий.

Экспериментальная часть

Приготовление эмульсии бензола в воде

и изучение ее свойств

Приготовление эмульсии бензола в воде проводят методом механического диспергирования с использованием эмульгатора ПАВ — раствора мыла (натриевые соли высших жирных кислот).

Для определения типа эмульсии используют различные методы:

– смешение: эмульсия легко смешивается с жидкостью, которая является ее дисперсионной средой;

– окрашивание красителями, растворимыми в дисперсионной среде: эмульсия М/В окрашивается водорастворимым красителем метиленовым голубым, эмульсия В/М — жирорастворимым красителем Суданом III.

Явления обращения фаз в полученной эмульсии достигают введением другого ПАВ, стабилизирующего обратный тип эмульсии.

Проведение эксперимента. В 2 пробирки наливают по 10 мл дистиллиро- ванной воды и 1 мл бензола, в одну из них добавляют 2 мл 2 %-ного раствора мыла. (Зарисовать содержимое пробирок.)

Интенсивно встряхивают содержимое обеих пробирок в течение примерно 2 мин с перерывом 30 с, затем наблюдают за состоянием образовавшейся эмульсии каждые 5 мин, измеряя линейкой высоту отслоившейся фазы. (Зарисовать содержимое пробирок сразу после встряхивания и через 5, 10, 15 мин от момента получения эмульсии.)

Изображают графическую зависимость скорости расслоения (ось ординат Y) эмульсии от времени (ось абсцисс Х) с эмульгатором и без.

Для определения типа эмульсии методом смешения на предметное стекло наносят каплю эмульсии и рядом каплю воды. Наклоняют стекло, чтобы капли соприкоснулись: если они соединились, то данная эмульсия М/В, если нет — эмульсия В/М. Методом окрашивания дисперсионной среды на предметное стекло наносят две капли эмульсии. В одну вносят каплю метиленового голубого, в другую — Судана III.

100

В пробирку с устойчивой эмульсией добавляют 2 капли 5 %-ного раствора хлорида кальция CaCl2, наблюдают расслоение. Затем в эту пробирку добавляют еще 5 капель 5 %-ного раствора CaCl2 и интенсивно встряхивают в течение примерно 2 мин с перерывом 30 с. В верхней части наблюдают образование эмульсии, отбирают пробу эмульсии и определяют ее тип двумя методами.

Изображают в виде схемы строение полученных эмульсий с указанием ориентировки молекул эмульгатора на границе между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Делают вывод о роли эмульгатора в стабилизации эмульсий, типе эмульсий.

3.6. ПЕНЫ

Пены — грубодисперсные высококонцентрированные системы, где дисперсной фазой являются пузырьки газа, а дисперсионной средой — жидкость в виде пленок (Г/Ж). В пространстве пена имеет структуру, схожую с пчелиными сотами. Такая система имеет минимальную поверхностную энергию, а значит, является устойчивой.

Для характеристики пены используют показатели:

– кратность β — отношение объема пены к объему жидкости, которую ис- пользовали для получения пены:

β = Vп / Vж,

где β — кратность пены;

Vп — объем пены, мл;

Vж — объем жидкости, пошедшей на образование пены, мл.

Кратность пены влияет на строение и свойства пены. Если β < 10, пену называют влажной, тип — толстые пленки, внутри которых имеется слой жидкости; если β > 100, пена сухая, тип — тонкие пленки, образованы только поверхностными слоями; если 10 < β < 100, пены полусухие;

– дисперсность — средний размер пузырьков газа, средняя толщина жидкостных пленок;

– устойчивость во времени — время от момента образования пены до ее самопроизвольного разрушения или разрушения половины объема;

– кинетическая устойчивость — величина, пропорциональная времени разрушения пены:

К = (H5 / H0) × 100 %,

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 1210 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]