Общая химия. Дисперсные системы учебное пособие для студентов направлений 250400, 190700, 151000, 190600

Опыт 2. ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРОФОБНОГО ЗОЛЯ Н2SiO3

Реактивы и мерная посуда

Электроплитка; стакан на 200 мл; 3 %-й раствор силиката натрия

Na2SiO3.

Описание работы

Реакция получения кремниевой кислоты посредством гидролиза протекает по схеме:

Na2SiO3 + 2H2O = H2SiO3 + 2NaOH

H2SiO3 малорастворима в воде. Na2SiO3 является стабилизатором.

Опыт. В стакане 100 мл дистиллированной воды нагревают до кипения. Затем в кипящей воде постепенно при перемешивании растворяют 10 мл 3%-го раствора силиката натрия Na2SiO3 (или 1 г Na2SiO3 · 9H2O). Получают устойчивый коллоидный раствор кремниевой кислоты, при этом появляется опалесценция.

Ионы SiO32–, Na+ образуют двойной электрический слой в коллоидной частице.

В полученном золе H2SiO3 дисперсионная среда сильно щелочная,

рН 11,18.

Какие ионы являются зарядообразующими и как заряжены коллоидные частицы мицеллы золя H2SiO3?

Результаты записывают в таблицу:

Характеристика мицеллы золя H2SiO3

Написать формулу мицеллы золя кремниевой кислоты.

Лабораторная работа № 2

ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРОФОБНОГО ЗОЛЯ Fe(OH)3

Реактивы и мерная посуда

Электроплитка; стакан на 200 мл; капельная пипетка; 2%-й раствор

FeCl3.

Описание работы

Реакция получения гидроксида железа (III) посредством гидролиза протекает по схеме:

21

FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 + 3HCl

Fe(OH)3 малорастворим в воде. FeCl3 является стабилизатором.

Опыт. В стакане 100 мл дистиллированной воды нагревают до кипения. Затем в кипящую воду по каплям добавляют 10 мл 2 %-го раствора FeCl3. Получают устойчивый коллоидный раствор гидроксида железа (III) интенсивного красно-коричневого цвета.

В полученном золе Fe(OH)3 дисперсионная среда сильно кислая, рН = 1,33. Ионы Fe3+, Cl– образуют двойной электрический слой в коллоидной частице.

Какие ионы являются зарядобразующими и как заряжены коллоидные частицы золя Fe(OH)3?

Указать противоионы мицеллы золя Fe(OH)3. Результаты записывают в таблицу:

Характеристика мицеллы золя Fe(OH)3

Написать формулу мицеллы золя гидроксида железа (III). Полученный золь Fe(OH)3 подвергают очистке от электролита HCl.

Очистка золя гидроксида железа (III)

Полученный золь Fe(OH)3 содержит электролит HCl. Для очистки золя от электролита HCl применяют метод, называемый диализом, а служащий для этой цели прибор – диализатором.

Сущность диализа заключается в том, что золь отделяется от дистиллированной воды полупроницаемой перегородкой (мембраной). Для диализа применяют полупроницаемую перегородку из пергамента.

Вдиализатор или мешочек из пергамента, предварительно смоченного водой, наливают золь и опускают в стакан с дистиллированной водой,

которую время от времени меняют. При этом возникает диффузия ионов Н+ и Cl– через пергамент в дистиллированную воду, вследствие чего понижается кислотность дисперсионной среды золя.

Впроцессе диализа через каждые 15 минут определяют значение рН дисперсионной среды индикаторной бумажкой.

По достижении рН 3–3,5 дисперсионной среды диализ прекращают. Очищенный золь электролита Fe(OH)3 сливают в колбу.

22

Лабораторная работа № 3

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ РЕАГИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ НА ПОЛУЧЕНИЕ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ

Концентрация реагирующих веществ в реакциях двойного обмена, в результате которого образуются малорастворимые продукты, влияет на размеры дисперсных частиц.

При очень низких концентрациях реагирующих веществ образуются высокодисперсные коллоидные системы. При средних и высоких концентрациях реагирующих веществ образуются грубодисперсные коллоидные системы с образованием осадка.

Реактивы и мерная посуда

Два стакана на 200 мл; бюретка на 50 мл; растворы: 0,005N, 0,1N FeCl3, 0,005N, 0,1N K4[Fe(CN)6].

Описание работы

Опыт 1. В стакан наливают 5 мл 0,005N раствора хлорида железа (III) и добавляют 5 мл 0,005N раствора соли гексацианоферрата(II) калия K4[Fe(CN)6]. Разбавляют полученный раствор 50 мл дистиллированной воды.

Получается прозрачный устойчивый золь гексацианоферрата (II) же-

леза (III), Fe4[Fe(CN)6]3.

Опыт 2. В стакан наливают 5 мл 0,1N раствора хлорида железа (III) и добавляют 5 мл 0,1N раствора K4[Fe(CN)6]. Из раствора выпадает осадок

Fe4[Fe(CN)6]3.

КОАГУЛЯЦИЯ ГИДРОФОБНЫХ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ

Коагуляция – это процесс соединения незаряженных коллоидных частиц дисперсной фазы с образованием осадка. Коагуляция коллоид-

ных растворов наступает под воздействием электролитов.

Минимальная концентрация электролита, вызывающая явную коагуляцию (помутнение) и седиментацию, называется порогом коа-

гуляции гидрофобных золей. Порог коагуляции, т.е. критическая концентрация Ск, выражается в мг-экв/л золя.

В табл. 4 приведены значения критической концентрации некоторых электролитов.

Из табл. 4 видно, что золи AgI и Fe(OH)3 коагулируют при разных критических концентрациях электролита в зависимости от его природы. В электролите коагулирующей способностью обладает тот ион, заряд которого противоположен по знаку заряду коллоидных частиц.

Данные табл. 4 подтверждают, что отрицательно заряженный золь AgI особенно чувствителен к катионам. Положительно заряженный золь Fe(OH)3, напротив, чувствителен к анионам. Причем с ростом заряда катионов и анионов коагулирующая активность их возрастает.

23

Итак, экспериментально доказано, что с повышением концентрации электролита, а следовательно, с увеличением ионной силы дисперсионной среды устойчивость коллоида резко уменьшается и наступает быстрая коагуляция. Следовательно, данные табл. 2 и табл. 4 согласуются между собой. Таким образом, доказано уменьшение устойчивости коллоида при увеличении ионной силы дисперсионной среды.

Порог коагуляции вычисляют по формуле

Ск =VэлVN+элV1000 ,

з эл

где Ск – порог коагуляции, мг-экв/л; Vэл – объем раствора электролита, мл; Nэл – нормальность раствора электролита, г-экв/л; Vз – объем золя, мл.

Величина, обратная критической концентрации, Vк, л/мг-экв, называется коагулирующей способностью электролита:

Vк = С1к .

Она измеряется объемом золя, который может быть скоагулирован одним миллиграммэквивалентом данного электролита.

Лабораторная работа № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОГА КОАГУЛЯЦИИ ЗОЛЯ Fe(OH)3 ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

Работа заключается в определении визуальным методом порога коагуляции, т. е. критической концентрации Ск электролита, при которой происходит коагуляция золя Fe(OH)3 с образованием осадка.

Реактивы и мерная посуда

Три пробирки на 15 мл с делениями в 0,1 мл; три капельные пипетки;

золь Fe(OH)3; растворы: 1N KCl; 0,01N K2SO4; 0,001N K3[Fe(CN)6].

24

Описание работы

Опыт. В три чистые сухие пробирки наливают по 5 мл золя гидроксида железа (III). После этого в каждую пробирку с золем осторожно по каплям добавляют из капельной пипетки растворы различных электролитов до появления первых признаков коагуляции (помутнение).

Определив объем электролита для коагуляции 5 мл золя Fe(OH)3, порог коагуляции, коагулирующую способность электролита для трех электролитов, указать коагулирующие ионы. Результаты записать в таблицу:

Лабораторная работа № 5

ОЧИСТКА ВОДЫ КОАГУЛЯЦИЕЙ

При смешивании двух золей с противоположно заряженными коллоидными частицами наступает взаимная (полная) коагуляция. При этом общее число зарядов коллоидных частиц одного золя нейтрализует общее число противоположных зарядов коллоидных частиц другого золя.

При иных соотношениях коллоидная система будет нести знак заряда тех коллоидных частиц, которые окажутся в избытке.

В природных водах всегда содержится некоторое количество органических веществ и почвенных частиц, которые создают в основном коллоидные системы. Как правило, их коллоидные частицы несут отрицательный заряд. Поэтому удаление коллоидных примесей из природных вод проводят коагуляцией. Образующиеся при этом крупные хлопья могут быть легко удалены при помощи фильтрования, при отстаивании.

Реактивы и мерная посуда

Колба на 100 мл; шесть пробирок; золь гидроксида железа (III); глина. Приготавливают загрязненную воду, для чего в литре водопроводной

воды взбалтывают 0,1 г глины.

Описание работы

Опыт. В шесть пробирок наливают по 10 мл полученной мутной воды и различные количества золя гидроксида железа (III) в количествах, указанных в таблице. В таблицу вносят результаты наблюдений через определенные промежутки времени:

25

12.Как можно получить устойчивую суспензию гидрофобного вещества в воде?

13.Указать степень дисперсности эмульсий и области их применения.

14.Указать значение аэрозолей в природе и в практике.

15.Как производят очистку газов промышленных предприятий?

Библиографический список

1. Зимон, А. Д. Коллоидная химия / А. Д. Зимон. – М.: Агар, 2001. – 317 с.

2. Щукин, Е. Д. Коллоидная химия / Е. Д. Щукин, А. В. Перцов,

Е. В. Амелина. – М.: Высш. шк., 2004. – 445 с.

3. Гельфман, М. И. Коллоидная химия / М. И. Гельфман, О. В. Ковалевич, В. П. Юстратов. – 5-е изд. – СПб.: Лань, 2010. – 336 с.

27

28