Колоидная

розчину і вносять у наступну колбу з водою і т.д. З останньої колби 50 мл розчину виливають у раковину.

2.В окремій колбі титруванням лугом визначають нормальність найконцентрованішого вихідного розчину. Для цього піпеткою беруть три проби кислоти по 10 мл і титрують 0,1 Н розчином NaOH у присутності фенолфталеїну. Для розрахунків беруть середнє значення, отримане при титруванні.

3.На технічних терезах зважують п ять рівних частин активного вугілля по 1…2 г і вносять у п’ять колб, що містять по 50 мл розчинів органічної кислоти різних концентрацій.

4.Вміст колб перемішують протягом 10-15 хв, потім відфільтровують, відкидаючи перші порції фільтрату.

5.Рівноважні концентрації після адсорбції перевіряють титруванням у всіх колбах, відбираючи для цього з кожної колби по 10 мл розчину.

Опрацювання результатів

1. Результати титрування вихідного розчину кислоти розраховують за рівнянням

де Vk – об’єм кислоти, взятої для титрування (10 мл); Ск – концентрація кислоти; Vл – об’єм лугу, використаного на титрування (середнє з трьох вимірювань); Сл – концентрація лугу (0,1 н).

2.Концентрації робочих розчинів кислоти визначають за даними п’яти розведень.

3.Величину адсорбції Г розраховують за рівнянням

де С0 і С – початкова та рівноважна концентрації кислоти; V – об’єм розчину, мл; m – наважка адсорбенту, г. Одержані дані заносять до таблиці 8.1.

Таблиця 8.1

Результати розрахунку адсорбції на межі поділу тверде тіло – рідина

4.Будують експериментальну ізотерму адсорбції Ленгмюра в координатах Г=f(Ср).

5.Будують пряму в координатах CΓ0 f(C0 ) (див. лабораторну роботу

№7, рис. 7.3). Граничну адсорбцію Г . знаходять як котангенс кута нахилу отриманої прямої до вісі ординат.

6. Обчислюють питому адсорбційно-активну площу поверхні адсорбенту S [м2/г] за таким рівнянням .

61

“посадкова площа” однієї молекули, для кислот жирного ряду q=20 10-20 м2.

7. Одержані результати питомої поверхні адсорбенту порівнюють з паспортними даними для цих адсорбентів.

Питання для самоперевірки

1.Основні положення явища адсорбції, поняття: адсорбція, адсорбент,

адсорбат.

2.Характеристика фізичної та хімічної адсорбції.

3.Адсорбція на межі поділу тверде тіло – газ: рівняння ізотерми адсорбції Ленгмюра та його графічне розв’язання, розрахунок ємності моношару та питомої поверхні адсорбенту.

4.Молекулярна адсорбція з розчинів на поверхні твердого тіла. Як розрахувати кількість речовини, адсорбованої одиницею поверхні адсорбенту?

5.Сформулюйте правило вирівнювання полярностей Ребіндера. Покажіть схематично орієнтацію молекул ПАР на межі поділу вода – вугілля та бензол – силікагель.

6.Сформулюйте правило ДюклоТраубе.

7.Навести приклади гідрофільних та гідрофобних адсорбентів.

Лабораторна робота № 9 МЕТОДИ ОДЕРЖАННЯ КОЛОЇДНИХ СИСТЕМ

Мета роботи – навчитися отримувати основні колоїдні системи різними методами.

Теоретичні відомості

Колоїдними розчинами, або ліозолями, називають дисперсні системи, що складаються з дисперсної фази з частинками розміром 10-7 – 10-9м і рідкого дисперсійного середовища.

Будь-яку речовину за конкретних умов можна перевести в колоїднодисперсний стан. Наприклад, NaCl у воді утворює істинний розчин (гомогенну систему), а в бензолі – колоїдну (гетерогенну) систему. В колоїднодисперсному стані кожна частинка являє собою агрегат молекул даної речовини.

Основні умови одержання колоїдних розчинів такі:

речовина дисперсної фази практично не повинна розчинятися в дисперсійному середовищі;

концентрація золю бути невеликою;

в системі має бути присутнім третій компонент – стабілізатор.

Для приготування колоїдних розчинів треба враховувати, що вони є

системами, які займають положення між грубодисперсними (суспензії та

62

емульсії) і істинними розчинами, де речовина перебуває у вигляді молекул або іонів. Тому колоїдні розчини можуть бути отримані подрібненням грубих частинок на дрібніші – метод диспергації, або шляхом агрегації молекул у більші частинки – методи конденсації та пептизації.

Диспергування здійснюють у віброкульових млинах, тощо.

Емульсіями називаються дисперсні системи, що складаються з двох не змішуваних рідин, одна з яких міститься в другій у вигляді краплинок розміром 10-4 – 10-7 м. Однією з фаз емульсії частіше є вода, а друга масло. В емульсіях під маслом розуміють не тільки природні масла, а й будь-яку іншу органічну неполярну рідину, не розчинну у воді (гептан, керосин, бензол).

Агрегативно стійкими емульсії, як правило, бувають у присутності третього компонента – емульгатора, адсорбція якого призводить не тільки до зниження міжфазної вільної поверхневої енергії, а й до виникнення стійкого захисного шару на межі поділу вода – масло.

Якщо емульгування проводити з добавками розчинів казеїну, желатину або мил лужних металів (олеат натрію), тобто речовин, краще розчинних у воді, ніж у неполярній рідині, утворюються емульсії прямого (першого) типу – “масло у воді” (М/В), де дисперсійним середовищем є вода. Емульсії другого типу – “вода в маслі” (В/М) можна одержати, якщо емульгатором буде лецитин або мило лужноземельних металів, тобто речовини, що краще розчиняються в маслі, ніж у воді.

Якщо до емульсії типу М/В, стабілізованої натрієвим милом, додати розчин СаСl2, може відбутися обернення емульсії. Виникає емульсія типу В/М, стабілізована олеатом кальцію, що краще розчиняється у маслі ніж у воді.

Використання твердих емульгаторів-порошків базується на вибірковому змочуванні їх полярною чи неполярною рідиною. Гідрофільні порошки (глина, крейда) краще змочуються водою, тому під час емульгування вода стає середовищем, а масло збирається в краплю. Гідрофобні порошки (вугілля, сажа) в аналогічних умовах утворюють обернену емульсію. В обох випадках частинки порошку зумовлюють виникнення механічного захисту краплинок емульсії, створюють стійку коагуляційну структуру, що заважає коалесценції.

Пінами називають дисперсні системи, що складаються з газу, диспергованого в рідині. Вони є комірчасто-плівковими, зв`язаними дисперсними системами з великим об`ємним вмістом дисперсної фази – газу. У деяких випадках піна здатна тверднути. Тоді утворюються нові дисперсні системи з твердим дисперсійним середовищем, названі твердими пінами, наприклад харчові піноутворювальні речовини: хліб, зефір, мус і т.д.

Будова колоїдної частинки

Колоїдні розчини або ліозолі складаються з міцел (твердої дисперсної фази, навколо якої існує ПЕШ) та безперервного дисперсійного середовища, у якому містяться міцели, що рухаються внаслідок теплового (броунівського) руху. Крім того, в дисперсійному середовищі розчинені електроліти, неелектроліти та ПАР, які є стабілізаторами колоїдної системи. Міцели мають складну будову, яка залежить від умов одержання золю. Вони не розчинні у

63

дисперсійному середовищі і можуть мати як кристалічну, так і аморфну будову. Розглянемо схематичну будову міцели йодиду срібла (рис. 9.1).

У центрі заходиться агрегат, що складається з великого числа m молекул AgI, які утворюються за реакцією:

AgNO3 + KI = AgI↓ + KNO3.

Якщо реагуючі компоненти взяти в еквівалентних кількостях, то колоїдний розчин не утвориться, тому що виростуть великі кристали AgI, які випадуть в осад. Для утворення тонкодисперсної твердої фази у системі повинен бути присутній стабілізатор (надлишок одного із реагуючих компонентів), що і утворить ПЕШ навколо твердої фази, який перешкоджатиме росту великих кристалів і злипанню частинок. Якщо стабілізатором буде йодид калію, то на твердій поверхні будуть адсорбуватися іони йоду (правило Панета-Фаянса).

Згідно правила Панета-Фаянса на поверхні кристалу адсорбується ті іони, що входять до структури кристалу. Отже на агрегаті буде адсорбуватись n іонів йоду (їх кількість залежить від наявності адсорбційних центрів, тобто іонів срібла, що знаходяться на поверхні кристалу). Іони йоду називаються потенціалвизначаючими (ПВІ), вони і надають негативний заряд твердій поверхні. Тверда поверхня разом з адсорбованими іонами йоду називається

ядром.

Рис. 9.1. Схема будови міцели йодиду срібла з від’ємно зарядженою колоїдною частинкою

64

Оскільки у системі існують іони протилежного знаку (у нашому випадку іони калію), вони нейтралізують заряд твердої поверхні, тобто утворюють шар протиіонів. Згідно з теорією Штерна шар протиіонів умовно поділяється на два шари: адсорбційний та дифузійний. Адсорбційний шар складається з (n-x) іонів калію, він тонкий і міцно пов’язаний з твердою поверхнею за рахунок ван-дер- ваальсових сил ядра, а також сил електростатичного притягання. Ядро разом з адсорбційним шаром протиіонів (виділені фігурними дужками) називається

колоїдною частинкою або гранулою. Решта х протиіонів слабше пов’язані з ядром (лише за рахунок сил електростатичного притягання) і розташовуються у рідкій фазі на деякій відстані від ядра внаслідок теплового руху. Тому цей шар називається дифузійним, а утворена гранула разом з дифузійним шаром отримала назву міцели. Міцелу можна записати у вигляді структурної формули:

{[mAgI]nI–(n–x)K+}x–xK+

Міцела в цілому – електронейтральна. Величина чисел m, n і x залежить від умов одержання та очистки золю і може змінюватися у широких межах.

Прилади, лабораторний посуд, реактиви

Оптична лава, мікроскоп, електроди, хімічна склянка, пробірки, піпетки, неорганічні солі та органічні речовини.

Завдання на виконання роботи

1.Одержати колоїдні розчини за допомогою стандартних методик Бредига, Крекке, Грема. Всі одержані гідрозолі перевірити на наявність світлорозсіювання (ефект Тіндаля).

2.Приготувати емульсії різних типів.

3.Приготувати рідкі піни.

Порядок виконання роботи № 9.1

Одержання гідрозолю срібла методом Бредига

Для одержання гідрозолю металевого срібла в пристрої Бредига через заглиблені у воду срібні електроди пропускають електричний струм.

Процес росту частинок срібла припиняється в області колоїдної дисперсності, якщо в систему ввести стабілізатор у вигляді 1 %-го розчину желатину або розчину електроліту, наприклад лугу. Частинки утвореного золю заряджені негативно.

Порядок виконання роботи № 9.2

Одержання золю методом заміни розчинника

Сірка розчинна у спирті і не розчинна у воді; якщо спиртовий розчин сірки влити у воду, виникає гідрозоль сірки. Стабілізатором одержаного золю є оксиди

65

сірки, присутні в ній, як домішки. Аналогічно розчиняючи водою 2 %-й розчин парафіну або каніфолі, можна одержати відповідні гідрозолі.

Для приготування колоїдного розчину в пробірку з водою доливають з крапельниці спиртовий розчин сірки або каніфолі до виникнення опалесценції.

Порядок виконання роботи № 9.3

Одержання гідрозолю гідроксиду заліза гідролізом хлорного заліза за Крекке

В конічній пробірці нагрійте до кипіння 85 мл дистильованої води. Відміряйте піпеткою 15 мл 2%-го розчину хлорид заліза і невеликими порціями вилийте в кип’ячу воду. Кип’ятіння продовжуйте ще 2-3 хв. Спостерігайте утворення червоно-коричневого золю гідроксиду заліза.

Утворення гідрозолю гідроксиду заліза відбувається в результаті гідролізу FeCl3. Метод гідролізу часто застосовують для отримання золів гідроксидів важких металів. Наприклад, хлорид заліза реагує з водою за рівнянням:

FeCl3 + 2H2O= Fe(OH)2Cl + 2HCl.

З підвищення температури ступінь гідролізу збільшиться і утворюються частинки малорозчинного компоненту Fe(OH)3:

Fe(OH)2Cl +Н2О= Fe(OH)3 + HCl.

При охолодженні реакція іде в зворотному напрямку. Тому отриманий гідрозоль необхідно ще теплим піддати діалізу. Запишіть склад міцели гідрозолю гідроксиду заліза. Отриманий розчин піддайте діалізу.

Порядок виконання роботи № 9.4

Одержання золю гідроксиду заліза Гремом методом пептизації

Для одержання золю до 1 н розчину FeCl3 поступово додають (чекаючи переходу в золь утворюваного осаду) при перемішуванні по краплях 2 н розчин (NH4)2CO3 до одержання темно-червоного прозорого золю гідроксиду заліза:

2FeCl3 3(NH4 )2 CO3 3Н2О 2Fe(OH)3 6NH4Cl 3CO2 .

Порядок виконання роботи № 9.5

Перевірка на ефект Тіндаля

Всі одержані золі слід перевірити на наявність світлорозсіювання. Для цього пробірку з колоїдним розчином встановлюють на оптичну лаву і збоку освітлюють пучком світла або направляють на розчин лазерний промінь. Якщо шлях променя видно – у дисперсній системі наявні колоїдні частинки, що розсіюють світло.

Якщо пучок світла пропускають крізь істинний розчин, світлорозсіювання майже відсутнє, шлях променя непомітний, і систему можна вважати гомогенною, оптично порожньою.

66

Порядок виконання роботи № 9.6

Одержання емульсії типу М/В

У пробірку наливають рівні об’єми води і бензолу, перемішують за допомогою скляної палички, яка вільно переміщується вздовж пробірки. Одержана емульсія швидко розшаровується. Потім у ту саму пробірку додають кілька краплин 2 %-го розчину мила або желатину. Після перемішування утворюється стійка емульсія.

Для визначення типу емульсії в пробірку з нею вносять кілька краплин бензольного розчину барвника і перемішують.

Порядок виконання роботи № 9.7

Одержання емульсії типу В/М

У пробірку наливають 6 мл 1 %-го розчину каучуку в бензолі, 2 мл води і перемішують. Додають дві краплі розчину барвника. Тип утвореної емульсії визначається під мікроскопом або методом розтікання краплини по парафіновій поверхні.

Порядок виконання роботи № 9.8

Одержання емульсій, стабілізованих порошками

У пробірку з бензолом або з гасом насипають золу і додають 2 мл води, перемішуючи вміст скляною паличкою. За методом зафарбовування визначають вид одержаної емульсії.

Для одержання емульсії типу м/в у пробірку з водою вносять порошок глини або крейди, потім додають масло і перемішують.

Порядок виконання роботи № 9.9

Емульсії соняшникової олії у воді

До 5 мл Н2О додають дві краплі масла і п’ять крапель 0,1 н розчину NaOH. Утворюється стійка емульсія масла у воді, стабілізована утвореним натрієвим милом.

Вид одержаної емульсії можна визначити одним з описаних способів.

Порядок виконання роботи № 9.10

Властивості пін

У воду додати кілька крапель 2 %-го розчину мила або желатину. При струшуванні утворюється стійка піна, час життя якої зростає зі збільшенням концентрації піноутворювача. Для зруйнування піни, в циліндр вносять одну-дві краплі 2 %-го розчину ізоамілового спирту або сірчистого ефіру.

67

Вплив концентрації та природи піноутворювача на стійкість піни можна спостерігати, якщо в циліндр місткістю 100 мл з притертою пробкою налити 50 мл дистильованої води і дві краплі ізоамілового спирту. Після стандартного струшування (5 – 10 разів) за допомогою секундоміра визначають час життя піни. Дослід повторюють, збільшуючи загальну кількість спирту до 30 краплин.

Дослід повторюють в аналогічній послідовності з розчинами желатину, сапоніну або мила.

Опрацювання результатів

На основі аналізу результатів дослідів та перевірки наявності світлорозсіювання слід зробити висновок про можливість отримання колоїдних розчинів та емульсій різними методами.

Питання для самоперевірки

1.Які розчини називають колоїдними?

2.Які існують методи одержання колоїдних розчинів?

3.Які існують методи одержання емульсій?

4.Сформулюйте основні умови одержання колоїдних розчинів.

5.Поясність будову міцели гідрозолю.

6.Запишіть формулу колоїдної міцели AgJ з позитивно зарядженою частинкою та вкажіть її структурні одиниці.

7.Запишіть формулу колоїдної міцели AgJ з від’ємно зарядженою частинкою та вкажіть її структурні одиниці.

8.Сформулюйте правило Панета-Фаянса.

Лабораторна робота № 10

ЕЛЕКТРОФОРЕТИЧНЕ ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРОКІНЕТИЧНОГО ПОТЕНЦІАЛУ

Мета роботи – навчитися визначати електрокінетичний ζ–потенциал методом електрофорезу.

Теоретичні відомості

На властивості колоїдних розчинів суттєво впливають потенціали, які класифікуються на міжфазний φ-потенціал та електрокінетичний ζ–потенціал. Міжфазний φ-потенціал змінюється в межах від поверхні ядра міцели до межі міцели з дисперсійним середовищем, електрокінетичний ζ–потенціал змінюється від межі ковзання дифузійного шару ПЕШ до межі міцели і дисперсійного середовища. Величина електрокінетичного потенціалу змінюється з концентрацією золю. За високих концентрацій ліозолю спостерігається зменшення ζ–потенціалу внаслідок стиснення дифузійного шару ПЕШ за рахунок збільшення концентрації протиіонів у розчині, але φ–потенціал

68

міцели по межі ковзання і частинка отримує заряд, що відповідає величині ζ– потенціалу.

Величину ζ–потенціалу визначають за рівнянням Гельмгольца– Смолуховського:

де k – коефіцієнт, який залежить від форми частинок (для кульових частинок k = 6, для циліндричних k = 4, а для пластинчатих k = 2); η- динамічна в’язкість середовища; υеф – швидкість електрофоретичного перенесення; s – відстань, на яку переміститься рухома межа за час проведення досліду τ ; l – відстань між електродами; Е – різниця потенціалів, що подана на електроди; ε– діелектрична проникність.

Вважають, що частинки дисперсної фази у гідрозолі гідроксиду заліза мають циліндричну форму, тоді k = 4.

Швидкість електрофоретичного перенесення визначають за рівнянням:

де s – шлях, пройдений межею поділу золь гідроксиду заліза – бокова рідина, м; Н – градієнт потенціалу в приладі Бертона (рис. 10.1), В/м; – час проведення експерименту, с.

Градієнт потенціалу дорівнює:

де Е – різниця потенціалів, подана на електроди, В; l – відстань між електродами, см.

Знак заряду колоїдної частинки визначається за напрямком зміщення межі поділу золь гідроксиду заліза – бокова рідина. Якщо межа поділу зміщується до від’ємно зарядженого електрода, то колоїдні частинки мають позитивний заряд і навпаки.

Величину ζ–потенціалу виражають у В або мВ. Значення його для колоїдних розчинів лежить в межах від 1,5 до 75 мВ.

Завдання на виконання роботи

1.Визначити швидкість переміщення межі поділу золь гідроксиду заліза

–бокова рідина.

2.Розрахувати електрокінетичний потенціал ( -потенціал).

3.Визначити заряд колоїдної частинки міцели золю гідроксиду заліза.

Прилади, лабораторний посуд, реактиви

Прилад Бертона, джерело постійного струму, вольтметр, секундомір, U- подібна лінійка, діалізований золь гідроксиду заліза, бокова рідина.

70