6 Лабораторная работа №12

Коллоидные растворы

Цель работы: познакомиться с методами получения гидрофобных золей и их свойствами.

Оборудование и реактивы: пробирки, два стакана на 100 мл, пипетки, воронка для фильтрования, электроплитка, полоски фильтровальной бумаги (0,510 см), бумажные фильтры, 2%-ный раствор серы в спирте, спиртовой раствор фенолфталеина, 2%-ный раствор FeCl₃, концентрированный раствор FeCl₃, 0,02н. растворы KI и AgNO₃, 2н. раствор NaOH, 0,3н. растворы NaCl и Na₃PO₄.

6.1 Теоретические пояснения

Коллоидные раствора или золи – это микрогетерогенные системы, в которых дисперсная фаза в виде частиц (размером порядка 10^-9 – 10^-7 м) нерастворимого твердого вещества равномерно распределена в жидкой дисперсионной среде.

Частицы дисперсной фазы золя вместе с окружающей их сольватной оболочкой из ионов и молекул дисперсионной среды называются мицеллами.

Золи подразделяются на лиофильные и лиофобные (в случае водной дисперсионной среды – на гидрофильные и гидрофобные). В лиофильных золях частицы дисперсной фазы сильно взаимодействуют со средой (например, образуют водородные связи), или же межмолекулярное взаимодействие по обе стороны поверхности раздела «дисперсная фаза – дисперсионная среда» различается незначительно. Поэтому удельная свободная поверхностная энергия чрезвычайно мала, и межфазная граница может быть размыта. Такие золи образуются самопроизвольно и при сохранении условий их образования могут существовать сколь угодно долго. Примером лиофильных золей могут служить мицеллярные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ).

В лиофобных коллоидах межмолекулярное взаимодействие в дисперсионной среде и дисперсной фазе существенно различно, удельная свободная поверхностная энергия велика, граница раздела фаз выражена достаточно четко. Избыток свободной поверхностной энергии обусловливает стремление частиц перейти в энергетически более выгодное состояние с меньшей поверхностью. Происходит укрупнение частиц. Чтобы лиофобные коллоиды были устойчивы, необходимо присутствие стабилизатора. Такие золи самопроизвольно не образуются, для их получения требуется затрата энергии.

Лиофобные золи можно получить следующими способами: 1) диспергирование (измельчение вещества); 2) конденсация (объединение молекул или атомов); 3) пептизация (разъединение слипшихся частиц).

Диспергирование можно осуществить механическим раздроблением вещества в специальных коллоидных мельницах, в результате применения ультразвука, методом электрического распыления. Два последних метода диспергирования проводят в дисперсионной среде в присутствии стабилизатора.

Конденсационные методы включают в себя: 1) физическую конденсацию (испарение вещества с последующей конденсацией в более крупные частицы); 2) химическую конденсацию (проведение реакции образования труднорастворимого вещества в разбавленном растворе, что обеспечивает малую скорость роста агрегатов, а, следовательно, и малые их размеры (10^–9 – 10^–7 м), в присутствии одного из компонентов реакции, выполняющего функцию стабилизатора коллоидных частиц); 3) метод замены растворителя (раствор вещества постепенно при перемешивании прибавляется к жидкости, в которой это вещество нерастворимо).

При пептизации ионы пептизатора адсорбируются на поверхности слипшихся частиц, заряжая их одноименно. В результате частицы начинают отталкиваться друг от друга, постепенно распределяясь по всему объему дисперсионной среды.

К лиофобным золям относятся почвенные коллоиды, природные воды, с коллоидно-химическими процессами связано производство вяжущих неорганических веществ, керамики, стекла и др. Сложные коллоидные системы содержат в своем составе животные и растительные организмы. Многие лекарственные вещества, средства борьбы с вредителями и сорняками применяются в коллоидном состоянии.

Рассмотрим строение мицеллы лиофобного золя на примере образования коллоидного раствора иодида серебра при сливании разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия, причем KI взят в избытке и выполняет функцию стабилизатора. Иодид серебра образуется в результате обменной реакции:

AgNO₃+KI=AgI+KNO₃.

Микрокристалл малорастворимого иодида серебра, состоящие из m частиц AgI, называется агрегатом. На поверхности агрегата могут избирательно адсорбироваться ионы из раствора, причем в первую очередь адсорбируются те из них, которые присутствуют в избытке и родственны составу агрегата (правило Панета-Фаянса). В нашем примере – это анионы иода. Их называют потенциалопределяющими ионами. Допустим их n. Агрегат вместе с потенциалопределяющими ионами является частицей твердой фазы и называется ядром.

За счет электростатического притяжения анионы иода будут удерживать возле себя катионы калия, которые также присутствуют в избытке. Эти катионы называются противоионами. Противоионы, наиболее близко расположенные к ядру, находятся в слое жидкости, смачивающей его поверхность, и испытывают не только электростатическое, но и ван-дер-ваальсово притяжение ядра. Поэтому эти ионы наиболее прочно связаны с ядром. Они называются противоионами адсорбционной сферы. Однако их количество недостаточно для полной нейтрализации суммарного заряда потенциалопределяющих ионов. Образование, состоящее из ядра и адсорбционной сферы противоионов, носит название коллоидной частицы или гранулы. Она несет заряд, равный алгебраической сумме зарядов ионов адсорбционной сферы.

Остальные противоионы, слабее связанные с ядром, под действием теплового движения располагаются в жидкой фазе диффузно, то есть размыто. Они образуют диффузную сферу, нейтрализуя заряд коллоидной частицы.

Гранула в совокупности с диффузной сферой образуют мицеллу. Мицелла электронейтральна. Схематично строение мицеллы рассматриваемого золя приведено на рисунке 6.1.

AgI_m, n I^–, (n-x) K⁺^{x –} x K⁺

агрегат потенциал- противоионы противоионы

определяющие адсорбционной диффузной

ионы сферы сферы

ядро

коллоидная частица (гранула)

мицелла

Рисунок 6.1 – Схема строения мицеллы золя AgI при избытке KI

При движении дисперсной фазы относительно дисперсионной среды граница скольжения проходит вблизи раздела между адсорбционным и диффузным слоем противоионов. То есть гранула движется как целое, а диффузный слой противоионов непрерывно переформировывается во время движения.

Устойчивость гидрофобного золя не всегда обусловливается введением стабилизатора. Двойной электрический слой может образовываться и за счет ионогенных продуктов взаимодействия поверхности ядра с дисперсионной средой (например, золь гидратированного оксида кремния (IV)).

Процесс слипания коллоидных частиц (потеря золем агрегативной устойчивости) называется коагуляцией. Процессу коагуляции золя способствуют вибрация, нагревание, замораживание, пропускание электрического тока, длительное стояние (старение золя), прибавление электролита.

Коагуляцию вызывают ионы электролита, несущие заряд, противоположный по знаку заряду коллоидной частицы. В соответствии с правилом Шульце–Гарди, коагулирующее действие электролита сильно возрастает с ростом заряда иона-коагулятора.

Минимальная концентрация электролита (может выражаться в моль/л, ммоль/л, кмоль/м³), вызывающая явную коагуляцию золя, называется порогом коагуляции. Порог коагуляции С_К, выраженный в моль/л, может быть рассчитан по формуле:

, (6.1)

где С(1/zX) – молярная концентрация эквивалента электролита Х, моль/л;

V_ЭЛ.. и V_З – объемы электролита и золя соответственно, л.

Если принять порог коагуляции трехзарядного иона за единицу, то для соотношения порогов коагуляции ионов с различными зарядами можно записать приближенно:

С_K(z=1):C_K(z=2):C_K(z=3)700:10:1

При сливании коллоидных растворов с противоположными зарядами частиц, может происходить взаимная коагуляция.

При определенных условиях золи могут превращаться в гели – дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой, в которой мицеллы образуют пространственную структурную сетку. Гели представляют собой тела, способные сохранять форму. Гели могут образовываться при коагуляции золей (если концентрация частиц достаточна для построения цельного каркаса), при понижении температуры, при концентрировании мицеллярных ПАВ. Образование и распад гелей происходит в ряде технологических, природных биохимических, почвенных и геологических процессах.

6.2 Методика проведения опытов

1. Образование золей при замене растворителя

Налить в пробирку 2 мл воды и добавить несколько капель насыщенного раствора серы в спирте. Встряхнуть содержимое пробирки, при необходимости дать раствору постоять в течение 2 – 3 минут. Что происходит? Запишите свои наблюдения и объясните их.

Проделайте аналогичный опыт со спиртовым раствором фенолфталеина.

2. Получение золя гидроксида железа (III) гидролизом соли

Нагрейте до кипения в маленьком стаканчике 10 – 20 мл воды. В кипящую воду медленно, по каплям добавьте 2%-ный раствор хлорида железа (III) до получения коллоидного раствора гидроксида железа (III) цвета крепкого чая.

Напишите уравнение гидролиза хлорида железа (III), учитывая, что высокая температура благоприятствует смещению равновесия этой реакции в сторону образования гидроксида железа. Составьте схему строения мицеллы золя. Полученный коллоидный раствор сохраните для опытов 6.2.5 и 6.2.6.

6.2.3 Получение золя иодида серебра

Налейте в пробирку 2 мл 0,02н. раствора иодида калия, прибавьте 2 – 3 капли 0,02н. раствора нитрата серебра, все время встряхивая содержимое пробирки. Записать в тетрадь уравнение реакции. Указать цвет золя.

Повторить опыт, прибавив теперь к раствору нитрата серебра 2 – 3 капли раствора иодида калия.

Изобразить схемы строения мицелл для первого и второго случая, учитывая, что заряд коллоидной частицы определяется тем ионом, родственным составу ядра, который имеется в избытке.

Сохраните полученные золи для опыта 6.2.7.

6.2.4 Получение золя гидроксида железа (III) путем пептизации

Приготовьте осадок гидроксида железа (III) действием щелочи на раствор хлорида железа(III). Напишите уравнение реакции.

Отфильтруйте осадок, перенесите небольшое его количество в стаканчик с несколькими мл концентрированного раствора хлорида железа (III) и нагрейте раствор до кипения. При кипячении наблюдается исчезновение осадка и изменение цвета раствора вследствие образования золя гидроксида железа (III). Причиной образования золя является адсорбция твердыми частицами осадка ионов железа из раствора. Адсорбированные ионы сообщают частицам осадка одноименные заряды, в результате чего они начинают отталкиваться друг от друга, постепенно равномерно распределяясь по всему объему. Происходит пептизация.