Лабораторная работа № 9 Получение коллоидных растворов

Цель работы  изучить методы получения коллоидных систем и их свойства.

Теоретическая часть

Коллоидные системы имеют размеры частиц дисперсной фазы 10^-5…10^-7 см и могут быть получены двумя путями: конденсацией молекул и ионов или дроблением более крупных частиц до нужной степени дисперсности.

Основным свойством коллоидных систем является их принципиальная термодинамическая неустойчивость, связанная с большим запасом свободной поверхностной энергии на огромной межфазной границе раздела. Поэтому в коллоидных системах самопроизвольно протекает процесс слипания частиц дисперсной фазы  коагуляция. Для предотвращения этого процесса, т. е. для придания частицам агрегативной устойчивости, необходимо создать на поверхности образующихся частиц путём адсорбции защитный слой ионов или молекул. Таким образом, агрегативно - устойчивая коллоидная система, в принципе, должна состоять из трёх компонентов: диспергированных частиц, дисперсионной среды и стабилизатора.

Наряду с агрегативной устойчивостью говорят об устойчивости седиментационной  устойчивости против оседания частиц под действием силы тяжести. Препятствует оседанию частиц диффузия, которой подвержены мелкие частицы, размером менее 1мк (1 мк = 10^-6 м).

Итак, получая дисперсную систему тем или иным способом, следует учитывать необходимость придания ей как агрегативной, так и седиментационной устойчивости.

Существует два вида конденсации: химическая и физическая.

Химическая конденсация. Любая химическая реакция, в которой образуется труднорастворимое соединение, в определённых условиях может привести к образованию коллоидного раствора. Для этого нужно, во-первых, взять разбавленные растворы исходных веществ, чтобы скорость роста частиц была невелика, во-вторых, одно из реагирующих веществ нужно взять в избытке, чтобы на поверхности частицы мог образоваться двойной ионный слой - основной фактор агрегативной устойчивости.

Рассмотрим в качестве примера образование коллоидного раствора AgCl по реакции:AgNO₃ + KCl → AgCl↓ + KNO₃

Одно из реагирующих веществ, например, KCl возьмем в избытке. Молекулы AgCl кристаллизуются до размеров коллоидных частиц. Всякая коллоидная система, имея большую поверхность раздела, обладает высокой адсорбционной способностью. Причём на поверхности твёрдой частицы адсорбируются те ионы, которые образуют с ионами, входящими в осадок, нерастворимое соединение. В нашем случае на поверхности всех частиц будут адсорбироваться ионы Cl^-, все частицы будут приобретать одинаковый отрицательный заряд и в результате будут отталкиваться друг от друга. Далее из раствора электростатически притягиваются положительные ионы, и на поверхности частицы образуется адсорбционный слой (см. рисунок 9.1).

Кристаллик (n AgCl) вместе с двойным ионным слоем называется мицеллой. Её строение принято изображать в виде формулы. Для рассмотренного случая формула мицеллы может быть написана в следующем виде (рисунок 9.2).

Таким образом, коллоидная частица имеет заряд, а мицелла электронейтральна.

ядро потенциалопределяющие противоионы

ионы

[ n(AgCl) ∙mCl^∙(m–x)K⁺ ]^x- ∙xK⁺

адсорбционный диффузионный

слой слой

коллоидная частица (гранула)

мицелла

Рисунок 9.2  Строение мицеллы

Рисунок 9.1  Схема строения двойного ионного слоя

Коллоидный раствор берлинской лазури получается по следующей реакции:

FeCl₃ + K₄[Fe(CN)₆] → K₃[Fe(CN)₆] + KCl + FeCl₂;

2K₃[Fe(CN)₆] + 3FeCl₂ → Fe₃[Fe(CN)₆]₂+ 6KCl.

Если в избытке взять FeCl₃, то формула мицеллы должна быть записана в следующем виде:

[(n Fe₃[Fe(CN)₆]₂)·mFe³⁺·3(m-x)Cl‾]³⁺·3xCl‾.

Физическая конденсация. В основе способа лежит конденсация молекул одного вещества  будущей дисперсной фазы в другом веществе  будущей дисперсионной среде.

Одним из примеров физической конденсации может быть метод замены растворителя: молекулярный раствор какого- либо вещества постепенно, при перемешивании прибавляют к жидкости, в которой это вещество нерастворимо. При этом происходит конденсация молекул и образование коллоидных частиц. Агрегативная устойчивость обеспечивается образованием на поверхности частиц сольватных или гидратных оболочек.

Получение коллоидных систем путём дробления.

Механическое дробление (диспергирование). Механическое дробление осуществляется в различного рода мельницах (коллоидные мельницы). Дробление до частиц малых размеров требует большой затраты энергии, так как поверхность раздела между фазами в таких системах весьма велика. Поскольку образующиеся при дроблении частицы имеют тенденцию к самопроизвольному слипанию (коагуляции), то дробление следует проводить в дисперсионной среде в присутствии стабилизатора - ионов или поверхностно-активных веществ.

Физико - химическое дробление осадков (пептизация). Пептизацией называют дробление рыхлых осадков, в которых имеются готовые коллоидные частицы, разделённые прослойками дисперсной среды. Между частицами действуют силы межмолекулярного взаимодействия, но непосредственному соприкосновению частиц мешают либо гидратные или сольватные, либо сжатые двойные ионные слои.

Существует несколько способов пептизации:

а) адсорбционная пептизация: в этом случае частицы рыхлого осадка разделены тонкими гидратными или сольватными оболочками. К такому рыхлому осадку добавляют электролит, ионы которого могут адсорбироваться на поверхности частиц, сообщая им одноимённые заряды и вызывая расталкивание частиц. Например, к рыхлому осадку гидрофильного гидроксида Fe(III) прибавляют в качестве пептизатора раствор FeCl₃ . Ионы Fe³⁺, адсорбируясь на поверхности частиц Fe(OH)₃, способствуют образованию двойных ионных слоёв, последние вызывают отталкивание частиц осадка и переводят его в коллоидный раствор.

б) пептизация путём поверхностной диссоциации: в этом случае также частицы рыхлого осадка разделены гидратными или сольватными оболочками. Причём в данном случае частицы могут быть больших размеров, чем коллоидные частицы. К такому осадку добавляют вещество, вызывающее частичное растворение поверхности твёрдой частицы. При растворении в растворе накапливаются ионы, способные адсорбироваться на поверхности, что в конечном итоге приводит к образованию коллоидного раствора мицеллярного строения.

в) пептизация путём промывания осадка: применяется тогда, когда на поверхности частиц в рыхлом осадке есть двойные ионные слои, но они сжаты, так как концентрация электролита достаточно большая. При промывании такого осадка водой концентрация электролита в нём уменьшается, двойные слои увеличивают свою толщину, увеличиваются и силы электростатического расталкивания.

Практическая часть

1. Методы физической конденсации

1.1 Получение золя серы

Насыщенный раствор серы в спирте влейте по каплям в дистиллированную воду. Получается голубой раствор золя серы (лунный камень), который демонстрирует особые оптические свойства коллоидных растворов.

1.2 Получение золя канифоли

К 5 мл дистиллированной воды добавьте по каплям 2 %-ный раствор канифоли в спирте до получения голубого устойчивого золя.

_{2. Определение знака заряда коллоидных частиц}

Знак заряда коллоидных частиц в окрашенных золях можно определить методом капиллярного анализа. Метод основан на том, что целлюлозные стенки капилляров фильтровальной бумаги заряжаются отрицательно, а пропитывающая бумагу вода положительно. Если на листок бумаги нанести каплю исследуемого золя, то частицы, растворы, заряженные положительно, адсорбируются на стенках капилляров, поэтому золь с положительными частицами дает окрашенное в центре и бесцветное по краям пятно. Золь с отрицательно заряженными частицами, не адсорбирующимися на стенках капилляров, образуют равномерно окрашенное пятно.

Нанесите на листок фильтровальной бумаги каплю полученного золя и по цвету полученного пятна определите знак заряда коллоидных частиц.

3. Методы химической конденсации

3.1 Получение золя Fe(OH)₃ гидролизом FeCl₃

50 мл дистиллированной воды нагрейте до кипения, затем в кипящую воду по каплям добавьте 3…5 мл 2 %-ного раствора FeCl₃. Получается коллоидный раствор Fe(OH)₃ интенсивного красно-коричневого цвета.

При нагревании гидролиз FeCl₃ идёт по схеме:

FeCl₃ + 3H₂O ⇆ Fe(OH)₃↓ + 3HCl.

Поверхностные молекулы агрегатов Fe(OH)₃ вступают во взаимодействие с HCl: Fe(OH)₃ + HCl → FeOCl + 2H₂O,

а молекулы FeOCl диссоциируют:

FeOCl ⇆ FeO⁺+ Cl^-

Частицы гидроксида железа адсорбируют ионы FeO⁺, что приводит к образованию вокруг частиц гидроксида двойного ионного слоя. Строение мицеллы, получающееся в результате, будет следующее:

3.2 Получение золя йодистого серебра

В основе получения золя йодистого серебра лежит реакция:

AgNO₃ + KI → AgI↓ + KNO₃

Заряд коллоидной частицы будет определяться тем ионом, который в начале образования коллоида будет в избытке. Значит, можно получить частицы золя AgI c различным знаком заряда. При избытке AgNO₃, образующаяся коллоидная частица приобретает положительный заряд, так как в данном случае адсорбируется избирательно ион Ag⁺.

При этом получается мицелла:

При избытке KI адсорбироваться будут ионы I^, коллоидная частица приобретает заряд отрицательный и мицелла имеет формулу:

.

Для получения положительно заряженной коллоидной частицы в колбу налейте 10 мл раствора AgNO₃, а затем при тщательном перемешивании добавьте 8 мл раствора KI (оба раствора имеют одинаковую концентрацию – 0,05 н.).

Для получения отрицательно заряженной коллоидной частицы в колбу налейте 10 мл 0,05 н. раствора KI, а затем при тщательном перемешивании добавьте 8 мл раствора AgNO₃.

4. Адсорбционная пептизация

Получение золя гидроксида железа: 2 мл насыщенного раствора хлорида железа (III) разбавьте водой до 50 мл. При энергичном взбалтывании в раствор введите по каплям 20 %-ный раствор (NH₄)₂CO₃ до тех пор, пока выпадающий гидроксид железа (III) не перестанет растворяется при взбалтывании. Для пептизации осадка прибавьте несколько капель насыщенного раствора FeCl₃ и хорошо встряхните колбу до полного растворения осадка.

5. Пептизация за счёт поверхностного растворения коллоидной частицы

Получение золя оловянной кислоты

К 100 мл кипящей воды добавьте по каплям раствор SnCl₄ – образуется осадок. Осадок промойте декантацией горячей водой до исчезновения реакции на ион Cl^-. Отсутствие иона Cl^- в фильтрате установите с помощью раствора AgNO₃. К промытому осадку добавьте несколько капель раствора NaOH, разбавьте водой и взбалтывайте – образуется золь оловянной кислоты.

При нагревании в водных растворах SnCl₄ гидролизуется по уравнению:

SnCl₄ + 4H₂O ⇆ 4HCl + Sn(OH)₄

Sn(OH)₄ → H₂SnO₃↓ + H₂O.

Добавляемая щёлочь NaOH растворяет с поверхности частицы осадка H₂SnO₃ по уравнению:

H₂SnO₃+ 2NaOH→ Na₂SnO₃+2H₂O

В растворе Na₂SnO₃ диссоциирует: Na₂SnO₃ ⇆2Na⁺+

Ион SnO₃^2- адсорбируется на частицах H₂SnO₃, сообщая им отрицательный заряд. Осадок переходит в золь, имеющий мицеллярное строение: