2. Получение дисперсных систем.

В практике чаще всего встречаются гидрофобные коллоиды, поэтому рассмотрим методы по­лучения этих систем.

2.1. Методы конденсации

1.2.1. Химическая конденсация. Если при химической реакции образуется трудно растворимое соединение, то оно при определен­ных условиях может быть получено в виде коллоидного раствора. Для этого нужно, во-первых вести реакцию в разбавленном раство­ре (чтобы скорость роста кристаллических частиц была невелика), тогда частицы получаются мелкие (10^-7-10^-9м ), во-вторых, необходимо одно из реагирующих веществ взять в избытке» чтобы на поверхности кристалла мог образоваться двойной электрический слой - основной фактор агрегативной устойчивости.

Кристалл вместе с двойным электрическим слоем (ДЭС) называ­ется мицеллой.

а) Образование коллоидного раствора АаС1 при избытке KCl.

AgNO₃ + КС1 AgCl + KNO₃

при соблюдении стехиометрии 1:1, образовавшиеся молекулы АgСl окажутся в осадке, т.к. электростатические силы (ДЭС), удерживающие частицы в объеме, отсутствуют. При наличии избытка КС1 на пористой поверхности твердых частиц АgС1 адсорбируются анионы Cl^-, придавая частице отрицательный заряд (селективность к адсорбции анионов хлора намного выше, чем катионов калия и анионов NO₃^-, так как для кристаллической решетки AgCl ионы С1^- роднее, чем иные ионы.

nАgСl + mСl^- [n( АgСl) mСl^-]^m-

Образовавшаяся отрицательная частица притягивает к себе по­ложительные катионы К⁺, образуя коллоидную частицу:

[ n ( АgСl) mСl ^- ]^m- + (m-x)K⁺ [ n ( АgСl)mСl^- (m-x)K⁺] ^x-

К отрицательной частице со знаком -X притягиваются катионы К⁺ и образуют внешнюю сферу мицеллы. Поэтому коллоидная частица заряжена, а мицелла электроотрицательна.

[ n( АgСl)mСl^- (m-x)K⁺] ^x- + хК⁺ {[n( АgСl)mСl^- (m-x)K⁺] ^x-хК⁺}

^{кристалл внутрен. противо- диффуз-}

^{обкладка ионы плот- ный слой}

^{ного слоя}

коллоидная частица или гранула

МИЦЕЛЛА

В случае избытка АgNO₃ получается мицелла другого строения: {[n(AgСl)mAg⁺ (m-x)NO₃^-] ^x+х NO₃^-] }

1.2.2. Физическая конденсация. Этот способ может быть осу­ществлен пропусканием паров одного вещества (дисперсная фаза) в другое (дисперсная среда) или заменой растворителя: раствор какого-либо вещества постепенно прибавлять при пе­ремешивании к жидкости, в которой это вещество нерастворимо. При этом происходит конденсация молекул и образование коллоидных ча­стиц (образование гидрозолей серы, фосфора, канифоли, антрацена и др. при вливании воды в спиртовые растворы этих веществ).

1.2.3. Дисперсионные методы.

- Механическое дробление. При механическом дроблении (мельницы, ультразвук, вольтова дуга) образующиеся частицы име­ет тенденцию к слипанию (коагуляции), поэтому дробление ведут в дисперсионной среде в присутствии стабилизаторов (ионы иди ПАВ. Типичным примером является введение различных пластификаторов при приготовлении бетона, приводящее к увеличению срока схва­тывания бетона и увеличения его текучести.

- Физико-химическое дробление (пептизация). В отличие от других методов образования коллоидных растворов, при пептизации не происходит изменения степени дисперсности частиц. Пептизаторы, а точнее их ионы, хорошо адсорбируются на поверхности коллоидных частиц и обуславливают их переход в золь. Типичным примером пептизации является диспергирование студенистого осад­ка Fе(ОН)₃ при действии на него раствора FеС1₃.

3. Определение порога коагуляции золя»

Процесс укрупнения коллоидных частиц в результате их слипания под действием межмолекулярных сил притяжения называется коагуляцией.

Процессу коагуляции способствуют: повышение температуры, замораживание, пропускание электрического тока, старение золя длительное стояние, добавление электролитов.

Под действием электролита наиболее легко коагулируют золи, у которых основным фактором устойчивости является ДЗС. Коагуляция сопровождается помутнением золя, образованием хлопьев иди образуется гель (густые, студенистые тела, структурированные коллоидные системы).

Минимальную концентрацию электролита, при которой начинается быстрая (заметная) коагуляция, называют порогом коагуляции С_К. Коагуляцию вызывают те ионы прибавляемого электролита, у которых знак заряда противоположен заряду коллоидных частиц. По­рог коагуляции резко снижается с увеличением заряда иона-коагулятора, то есть, чем больше заряд иона, тем больше его коа­гулирующая способность.

С_ОV_K10³ С_ОV_K

С_К = = ;

(V_З + V_K)10³ (V_З + V_K)

где С_К - порог коагуляции, моль/л; С_О - молярная концентрация эквивалента исходного раствора электролита (коагулятора), моль/л V_З- и V_K - объемы золя и электролита (мл), вызвавшего коагуляцию золь.

Порог коагуляции С_К определяют титрованием золя растворами электролитов до начала бурной коагуляции (визуальное наблюдение) или по зависимости оптической плотности золя от концентрации электролита. К моменту достижения точки порога коагуляции оптическая плотность исследуемого раствора резко увеличивается.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА

Получение и изучение свойств золей.

ОПЫТ I. Золь оксида марганца (IV) можно получить двумя способами:

а) 2KMnO₄ + 2NH₄OH 2MnO₂ + 2KOH + N₂ + 4H₂O

К 50 мл воды добавить 1мл 5% раствора КмnО₄ и наг­реть до кипения, добавить 7,5 мл концентрированного раствора NH₄OH (работу выполнять в вытяжном шкафу!) порциями по 0,5 мл. После прибавления каждой порции аммиака смесь перемешивать и вновь добавлять до кипения. Образуется золь красно-коричневого цвета.

б) 2KMnO₄ +2Nа₂S₂O₃ + 4H₂O 2MnO₂+2KOH +3Na₂S₄O₆+ 6 NaOH

К 1 мл 5% раствору КMnО₄ добавить 19 мл воды. При взбалтывании

к раствору добавить по каплям 5-6 капель 2% раствора Nа₂S₂O₃. Образуется золь темно-коричневого цвета.

ОПЫТ 2. Получение золя берлинской лазури.

FeCl₃ + K₄[Fe(CN)₆] KFe[Fe(CN)₆] + KCl

К 20 мл воды добавить 2-3 капли насыщенного на холоде раство­ра FeCl₃ и при взбалтывании добавить I каплю 4% раствора гексацианоферрата (II) калия K₄[Fe(CN)₆] _. Образуется золь сине-зеле­ного цвета.

ОПЫТ 3. Получение золя гидроксида железа (III):

FeCl₃ + 3H₂O Fe(OH)₃ + ЗНС1

К 20 мл кипящей воды прибавить 1-2 капли насыщенного раствора FeCl₃. Образуется золь вишнево-краснего цвета.

ОПЫТ 4. Определение заряда коллоидных частиц.

Заряд коллоидных частиц определяют, исходя из методики получения золя и химизма реакции. Доказывают правильность определения заряд;

методом электрофореза. Для этого в U-образную трубку поместить золь и в оба колена трубки вводить электроды. Присоединить электроды к источнику постоянного тока. Через 5-10 минут ток отключить. У электрода, заряженного одноименно с коллоидными частицами, должна наблюдаться зона просветления.

Для проведения капиллярного анализа налить 5-10 мл окрашенного золя (гидроксида железа (III)) в маленькие стаканы и опустить в них вертикальные полоски фильтровальной бумаги (10х100мм), Верхние концы полосок прикрепить кнопками к деревянной планке, закрепленной в лапке штатива, или загнуть на расстоянии 1см от верхнего конца и повесить на натянутую проволоку. Важно не допускать соприкосновения полосок ее стенками стакана. Через 5 мин определить высоту поднятия воды и окрашенных частиц золя.

При смачивании фильтровальной бумаги под действием сил поверхностного натяжения вода поднимается по капиллярам бумаги. При этом, стенки капилляра заряжаются отрицательно, а граничащая о ними вода - положительно.

Если вместе воды взять гидрозоль, то его заряженные коллоидные частицы смогут передвигаться вверх по полоске мокрой бумаги только в том случае, когда они заряжены отрицательно (одноименно со стенками капилляра). Положительно заряженные частицы золя будут притя­гиваться отрицательным зарядом стенок капилляров, и оседать на них.

Берите у преподавателя приготовленные в опытах 1-3 гидрозоли, определите заряд коллоидных частиц, сделайте выводы о механизме их образования и напишите структуру мицелл этих золей.

Обработка результатов эксперимента.

Экспериментальные данные занести в таблицу.

№ опыта	Способ получения золя	Химизм процесса	Формула мицеллы	Цвет золя	Заряд коллоидной частицы

Опыт.5 Определение порога коагуляции золя.

В 6 пробирок одинакового диаметра налить из бюретки по 5 мл приготовленного в предыдущей работе золя (по указанию преподавате­ля).

Вначале проводите коагуляцию золя электролитом с однозарядным ионом - коагулятором. В качестве коагулятора можно использовать вод­ные растверы (моль/л): NaNO₃(2); КС1(2,5); ВаСl₂(0,001); Ва(N0₃)₂(0,01); Сr(NОз)з (0,0001); А1С1₃(0.01); K₃[Fe(CN)₆](0,05); А1(N0₃)₃(0,001); К₂SO₄ (0,1).

Пробирки поставить в штатив. Взять в руки две пробирки c золем и прибавить каплями из бюреток в одну - электролит, в другую (контрольную)-воду Пробирки встряхнуть несколько раз сравнивая титруемый золь с контрольным до появления визуальных признаков коагуляции (помутнение или образование хлопьев).

Аналогично провести коагуляцию электролитами, содержащими двух или трехвалентные ионы.

По полученным данным порогов коагуляции сделаете вывод о заряде коллоидных частиц. Сопоставьте полученные данные с данными опыта 4.

Экспериментальные данные занести в таблицу.

№ опыта	Электролит, формула	Молярная концентрация эквивалента электролита моль/л	Объем электролита, мл	Порог коагуляции, моль/л

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1. Пороги коагуляции золя электролитами оказались pавными (моль/л): C(NaNO₃) =0.25; C[ Fe (NO₃)₃]=0.0005; C[Mg(NO₃)₂]= 0.02. Какие ионы электролитов являются коагулирующими? Как заряжены час­тицы золя Решение: Все применяемые в качестве коагулянтов электролиты содержат нитрат анион. Если коагулирующей способностью обладали бы анионы коагулянта, то пороги коагуляции для всех электролитов должны были быть одинаковыми. Однако, в ряду Na⁺, Mg²⁺, Fe³⁺ значения порогов коагуляции резко уменьшаются. То есть, с ростом заряда катиона коагулянта порог коагуляции падает. Как известно, коагулирующей активностью обладают ионы, противоположно заряженные по отношению к коллоидной частице. Поэтому можно заключить, что коллоидная частица изучаемого золя имеет отрицательный заряд.

Пример 2. Золь кремниевой кислоты Н₂SiO₃ был получен при взаимодействии растворов К₂SiO₃ и HCI. Напишите формулу мицеллы золя и определите, какой из электролитов был в избытке, если противоионы в электрическом поле движутся к катоду?

Решение: Если противоионы коллоида движутся к катоду, то они имеют положительный заряд, а коллоидная частица – отрицательный. Следовательно, потенциал образующими ионами в процессе мицеллообразования оказались отрицательно заряженные анионы SiO₃^2-.

Из сказанного следует, что в избытке была взята кремневая кислота, а мицелла имеет формулу, приведенную ниже:

[n(H₂SiO₃)m(SiO₃^2-)2(m-x)K⁺]^2x-2xK⁺ .

Пример 3. Какой объем 0,0025 м КI надо добавить к 0,035 л 0,003 н Рb(NO₃)₂, чтобы получить золь иодида свинца и при электрофорезе коллоидная частица двигались бы к аноду. Напишите формулу мицеллы золя.

Решение: Из условий видно, что коллоидная частица заряжена отрицательно. Следовательно, при образовании золя в избытке оказался иодид калия а мицелла имеет формулу: [n(PbI₂) mI^- (m-x)K⁺]^x- xK^-

Пользуясь законом эквивалентов можно подсчитать объемы реагирующих растворов для полной нейтрализации: V₁C₁(1/z) = V₂C₂(1/z).

V(KI) = V[Рb(NO₃)₂] C[1/zРb(NO₃)₂]/ C(1/z KI) = 0,0350,003/0.0025=0,042л