Получение и свойства коллоидных систем, прямых и обратных

Глава IV
КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ
Лабораторная работа 4
Получение коллоидных растворов
Краткая теория:
Коллоидной системой (золем) называется гетерогенная
система, в которой одна из фаз представлена мелкими частицами,
равномерно распределёнными в объёме другой однородной фазы.
Это ультрамикрогетерогенные системы, состоящие из частиц
дисперсной фазы – совокупности раздробленных частиц, размер
которых лежит в пределах 10-9 м – 10-5 м, и непрерывной
дисперсионной среды, в которой распределены эти частицы.
Раздробленность
дисперсной
фазы
характеризуется
степенью дисперсности δ, которая является величиной, обратной
среднему диаметру (м-1):
(4.1)
Удельная поверхность – это отношение общей площади
поверхности дисперсной фазы Sд.ф. к её общему объёму или к её
массе:
, м-1 или
, м2/г
(4.2)
Коллоидное состояние вещества имеет два основных
признака – дисперсность и гетерогенность.
Для получения коллоидных растворов необходимо:
1) достичь коллоидной степени дисперсности;
2) подобрать
дисперсионную
среду,
в
которой
нерастворимо вещество дисперсный фазы;
3) подобрать
третий
компонент
–
стабилизатор,
сообщающий коллоидной системе устойчивость. В качестве
стабилизаторов используют вещества, препятствующие агрегации
(слипанию) коллоидных частиц в более крупные и выпадению их в
осадок (небольшой избыток одного из реагентов, из которых
43
Агрегатное
состояние
дисперсной
фазы
Агрегатное
состояние
дисперсионно
й среды
Условное
обозначение,
ф/с
получается
вещество
дисперсной
фазы;
ПАВ;
белки;
полисахариды).
В основе классификаций лежат различные свойства
дисперсных систем: размер частиц дисперсной фазы, агрегатное
состояние дисперсной фазы и дисперсионной среды, характер
взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой и др.
Классификация по агрегатному состоянию фаз.
ж
г
ж/г
Название
системы
аэрозоли
тв
г
тв/г
г
ж
г/ж
газовые
эмульсии,
пены
ж
ж
ж/ж
эмульсии
тв
ж
тв/ж
лиозоли,
суспензии
г
тв
г/тв
твёрдые пены
ж
тв
ж/тв
твёрдые
эмульсии
тв
тв
тв/тв
твёрдые золи
44
Примеры
Туман, слоистые облака
Дымы, пыли, перистые
облака
Газированная вода,
мыльная пена,
лечебный кислородный
коктейль, пивная пена
Молоко, масло
сливочное, маргарин,
кремы и т.д.
Естественные водоёмы,
краски, красители для
ткани
Пемза, твёрдые пены,
пенопласт,
активированный уголь,
пенобетон, хлеб,
пористые тела в газе
Вода в парафине,
природные минералы с
жидкими включениями,
древесина
Сталь, чугун, цветные
стёкла, драгоценные
камни
Дисперсной системы, у которой и дисперсная фаза и
дисперсионная среда являются газами, не существует, так как газы
неограничено растворимы друг в друге.
Методы получения коллоидных систем
Коллоидные системы занимают промежуточное положение
между грубодисперсными и молекулярными системами, поэтому
получать их можно либо дроблением более крупных частиц
(диспергированием), либо объёдинением молекул или ионов в
агрегаты коллоидных размеров (конденсацией) с применением
физических и химических методов.
1. Методы диспергирования.
1.1) Физическое диспергирование:
а) механическое измельчение с использованием шаровых и
коллоидных мельниц;
б) электрическое распыление веществ − используют для
получения золей металлов;
в) диспергирование ультразвуком − используют для
получения золей из двух несмешивающихся жидкостей.
Чтобы не дать образовавшимся частицам слипаться, все
выше описанные способы диспергирования проводят в
присутствии дисперсионной среды и стабилизатора.
1.2) Химическое диспергирование (пептизация): перевод в
коллоидное состояние свежеприготовленного осадка с помощью
пептизатора.
2. Методы конденсации.
Методы конденсации связаны с выделением новой фазы из
гомогенной системы.
2.1) Физическая конденсация:
а) метод замены растворителя;
б) метод конденсации из паров.
2.2) Химическая конденсация: любая химическая реакция, в
результате которой образуется плохо растворимое
соединение
(реакция
гидролиза,
восстановления,
окисления, нейтрализации и т.д.).
45
Оптические свойства дисперсных систем.
При падении света на дисперсную систему могут
наблюдаться следующие явления:
•
прохождение света частицами дисперсной фазы
(наблюдается для прозрачных систем, в которых частицы
много меньше длины волны падающего света (r<<λ));
•
преломление света частицами дисперсной фазы (если эти
частицы прозрачны);
•
отражение света частицами дисперсной фазы (если
частицы непрозрачны); Преломление и отражение света
наблюдается для систем, в которых частицы много больше
длины волны падающего света (r>>λ). Визуально это
явление выражается в мутности этих систем.
•
рассеяние света; наблюдается для систем, в которых
частицы дисперсной фазы меньше, но соизмеримы с
длиной волны падающего света (r ≈ 0,1 λ);
•
адсорбция (поглощение) света дисперсной фазой с
превращением световой энергии в тепловую.
В коллоидных растворах наблюдается рассеяние света, т.к.
частицы дисперсной фазы меньше, но соизмеримы с длиной волны
падающего света (r ≈ 0,1 λ). В проходящем свете коллоидные
системы прозрачны, а при боковом освещении рассеивают
падающий на них свет, поэтому пучок света в коллоидной системе
виден как яркий светящийся конус (конус Тиндаля – по имени
ученого, впервые подробно исследовавшего это явление). Теорию
светорассеяния создал английский физик Рэлей. Он вывел
уравнение, связывающее интенсивность рассеянного света I с
интенсивностью падающего света I0, длиной волны падающего
света λ и размерами частиц дисперсной фазы r:
или
(4.3)
где V – объём одной частицы, ν – частичная концентрация (число
частиц в единице объёма), λ – длина волны, n1, n0 – показатели
преломления частиц и среды, соответственно.
Уравнение Релея выполняется при следующих условиях:
• частицы малы (r≤λ) и имеют сферическую форму;
46
• частицы не проводят электрический ток (т.е. являются
неметаллическими);
• частицы не поглощают свет, т.е. являются бесцветными;
• коллоидный раствор является разбавленным в такой
степени, что расстояние между частицами больше длины
волны падающего света.
Все металлические золи уравнению Рэлея не починяются,
так как их частицы сильно поглощают свет.
Коллоидный раствор в проходящем и рассеянном
(отраженном) свете имеет различную окраску. Это явление
называется опалесценцией. В случае окрашенных растворов
происходит наложение собственной окраски и окраски, вызванной
опалесценцией (явление дихроизма света).
Строение мицеллы
Мицеллой лиофобной системы называется гетерогенная
микросистема, которая состоит из микрокристалла дисперсной
фазы, окруженного сольватированными ионами стабилизатора.
Потенциалопределяющими
называются
ионы,
адсорбирующиеся на поверхности частички твёрдой фазы
(агрегата) и придающие ей заряд. Агрегат вместе с
потенциалопределяющими ионами составляет ядро мицеллы.
Противоионы – ионы, группирующиеся вблизи ядра
мицеллы.
Расположение противоионов в дисперсионной среде
определяется двумя противоположными факторами: тепловым
движением (диффузией) и электростатическим притяжением
Мицелла
Коллоидная частица
Диффузный слой
Адсорбционный
слой
47
Противоионы входящие в состав плотного адсорбционного
слоя, называются «связанными» и вместе с ядром составляют
коллоидную частицу или гранулу. Коллоидная частица (гранула)
имеет заряд, знак которого обусловлен знаком заряда
потенциалопределяющих ионов.
Противоионы, образущие диффузный слой - «подвижные»
или «свободные».
Рассмотрим структуру мицеллы золя йодистого серебра,
полученного обменной реакцией между йодистым калием и
азотнокислым серебром при избытке йодистого калия. В этом
случае строение образующихся мицелл отражает следующая
реакция и схема:
KJ + AgNO3 (изб) = AgI↓ + KNO3
агрегат
потенциал-
противоионы
образующие
ионы
диффузный
(диффузионный)
слой
ядро
адсорбционный слой
коллоидная частица
мицелла
Правила построения мицеллы
1) Агрегатом является получающийся в ходе реакции осадок.
2) Потенциалобразующими
ионами
являются
ионы,
удовлетворяющие двум условиям:
а) данные ионы должны быть в строении вещества, которое
находится в реакции в избытке или является стабилизатором;
б) данные ионы должны быть подобны ионам, находящимся в
агрегате (правило Панета-Фаянса: на кристаллической
48
поверхности агрегата адсорбируются те ионы, которые могут
достроить её кристаллическую структуру).
3) Противоионами и ионами, образующими диффузионный слой,
являются оставшиеся ионы вещества, которое находится в
реакции в избытке или является стабилизатором.
4) Коэффициенты m, n, (n-x), x являются постоянными для любой
мицеллы и численно не определены.
Цель работы: Получение коллоидных растворов различными
методами и изучение их оптических свойств.
Оборудование: Стеклянные конические колбочки, прибор с
направленным источником света.
Реактивы: Растворы йодистого калия 0,05 Н и азотнокислого
серебра 0,05 Н, 2% спиртовой раствор канифоли, 1,5% раствор
перманганата калия, 1% раствор гипосульфита, 20% раствор
жёлтой кровяной соли, насыщенный раствор хлорного железа,
0,1 Н раствор щавелевой кислоты, дистиллированная вода,
фильтровальная бумага.
Порядок работы:
♦ Методы конденсации.
I. Химическая конденсация.
1) Метод обменной реакции – получение золя иодида
серебра.
а) в коническую колбочку налить 8 мл раствора
азотнокислого серебра AgNO3 и 10 мл раствора йодистого калия
KJ. Записать реакцию, протекающую в колбе. Написать формулу
образовавшейся мицеллы. Записать окраску золя в отражённом и
проходящем свете. Наблюдать конус Тиндаля при попадании на
раствор узкого направленного пучка свете.
б) в коническую колбочку налить 10 мл раствора
азотнокислого серебра AgNO3 и 8 мл раствора йодистого калия KJ.
Записать реакцию, протекающую в колбе. Написать формулу
образовавшейся мицеллы. Записать окраску золя в отражённом и
проходящем свете. Наблюдать конус Тиндаля при попадании на
раствор узкого направленного пучка свете.
2) Метод ОВР – получение золя двуокиси марганца.
В колбу налить 5 мл 1,5 % раствора перманганата калия
49
KMnO4 и добавить 50 мл дистиллированной воды. К полученному
раствору по каплям добавить 1 мл 1 % раствора гипосульфита
Na2S2O3. Наблюдать образование вишнёво-красного золя двуокиси
марганца.
Записать
реакцию,
протекающую
в
колбе,
(коэффициенты расставьте самостоятельно):
KMnO4 + Na2S2O3 + H2O → MnO2↓ + Na2SO4 + K2SO4 + KOH
Написать формулу мицеллы золя. Записать окраску золя в
отражённом и проходящем свете. Наблюдать конус Тиндаля при
попадании на раствор узкого направленного пучка свете.
II. Физическая конденсация.
1) Метод замены растворителя – получение золя канифоли.
В коническую колбу с 50 мл дистиллированной воды
прилить 5 мл 2 % спиртового раствора канифоли и встряхнуть.
Записать наблюдаемую окраску получившегося золя в отражённом
и проходящем свете. Убедиться в наличие конуса Тиндаля при
попадании на раствор узкого направленного пучка свете.
Отметить, что остатки спирта являются стабилизатором данной
коллоидной системы.
♦ Методы диспергирования.
1) Химическое диспергирование (пептизация) – получение
золя берлинской лазури.
В коническую колбу налить 1,5 мл 20 % раствора жёлтой
кровяной соли K4[Fe(CN)6] и 0,5 мл насыщенного раствора
хлорного железа FeCl3. Выпавший осадок берлинской лазури
Fe4[Fe(CN)6]3 перенести на фильтр, промыть дистиллированной
водой и залить на фильтре 0,1 Н раствором щавелевой кислоты
(СООН)2. В результате пептизации осадка через фильтр в колбочку
проходит синий золь берлинской лазури. Записать реакцию,
протекающую в колбе. Написать формулу мицеллы золя. Записать
окраску золя в отражённом и проходящем свете. Наблюдать конус
Тиндаля при попадании на раствор узкого направленного пучка
свете.
Вопросы к работе 4
1. Предмет коллоидной химии. Признаки коллоидного состояния
Определение коллоидной системы.
50
2. Диспергационные способы получения коллоидных систем.
Привести примеры.
3. Конденсационные способы получения коллоидных систем.
Привести примеры.
4. Какие условия необходимы для образования коллоидного
раствора?
5. Строение
мицеллы.
Какие
ионы
могут
быть
потенциалоопределяющими?
6. Три вида классификации коллоидных систем.
7. Аэрозоли, лиозоли, пирозоли.
8. Написать формулу мицеллы золя As2S3, если стабилизатором
является раствор H2S, который диссоциирует по первой
ступени.
9. Напишите формулу мицеллы золя, полученного методом
обменной реакции: Na2CO3 + MgCl2 → MgCO3↓ + NaCl в
избытке Na2CO3.
10. Напишите формулу мицеллы золя серы, получаемого по
реакции
2H2S(aq) + SO2(g) = 3S↓ + 2H2O
с учетом того, что стабилизатор H2S – двухосновная кислота.
Укажите строение мицеллы.
11. Напишите формулу мицеллы золя сульфата бария,
полученного в реакции нейтрализации между серной кислотой
и гидроксидом бария:
а) в избытке кислоты,
б) в избытке основания.
Укажите строение мицелл.
12. Каково строение мицеллы золя берлинской лазури,
полученного пептизацией осадка щавелевой кислотой? Как
определить заряд коллоидной частицы.
13. Написать формулу мицеллы золя Au, если стабилизатором
является раствор AuCl3.
14. Напишите мицеллу золя берлинской лазури, полученного в
реакции ионного обмена из К4Fe(CN)6 и FeCl3 при избытке
К4Fe(CN)6.
15. Напишите формулы мицелл сульфида цинка, образующихся
при получении золя по следующей реакции:
ZnSO4 + (NH4)2S → ZnS↓ + (NH4)2SO4
51