5192

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

С.В.Митрофанова, И.Л.Смельцова

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Химия (общая, неорганическая,

органическая)» для обучающихся по направлению подготовки 20.05.01 Пожарная безопасность, Специализация Пожарная безопасность

Нижний Новгород

2022

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

С.В.Митрофанова, И.Л.Смельцова

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Химия (общая, неорганическая,

органическая)» для обучающихся по направлению подготовки 20.05.01 Пожарная безопасность, Специализация Пожарная безопасность

Нижний Новгород

2022

УДК 541 (075)

Митрофанова, С.В. Дисперные системы: учебно-методическое пособие / С. В. Митрофанова, И. Л. Смельцова; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2022. – 14 с. : ил. – Текст : электронный.

Приведены указания по выполнению лабораторных работ по теме «Дисперсные системы», рассматриваются основные свойства дисперсных систем (золей, эмульсий, пен), методы их получения, способ определения порога коагуляции золей, определение типа эмульсий, стабилизации и разрушения пен.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Химия (общая, неорганическая, органическая)» для студентов 1 курса, по направлению подготовки 20.05.01 Пожарная безопасность, Специализация Пожарная безопасность

© С.В.Митрофанова,

И.Л. Смельцова, 2022

© ННГАСУ, 2022.

Введение

Системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц равномерно распределено в среде другого вещества называются дисперсными системами. В дисперсных системах различают дисперсную фазу и дисперсионную среду. Дисперсная фаза – совокупность частиц равномерно распределенных в дисперсной среде. Дисперсная среда – вещество, в котором распределена дисперсная фаза. Степень измельчения вещества называют степенью дисперсности.

Нам знакомы системы, называемые растворами. Например, раствор соли в воде. В растворах степень дробления растворенного вещества достигает отдельных молекул и ионов (гомогенная система). В дисперсных системах размер частиц дисперсной фазы гораздо более крупный. Частица дисперсной фазы представляет собой совокупность многих тысяч молекул и ионов. Такая частица образует уже поверхность раздела с дисперсионной средой, т.е. составляет другую фазу. Поэтому дисперсные системы являются микрогетерогенными.

Дисперсные системы широко распространены в природе и в промышленности. Сложной дисперсной системой, состоящей из различных минеральных частиц и органических веществ в коллоидном состоянии, является почва. Широко используются различные дисперсные системы и строительстве: цементные растворы, лаки, краски и т.д.

Классификация дисперсных систем Классификация по дисперсности. Дисперсные системы в зависимости от

размера частиц разделяют на коллоидные (с размером частиц дисперсной фазы 10-5 - 10-7 см) и грубо-дисперсные (10-3- 10-5см). Коллоидные системы (от греческого слова "колла" - клей) по размеру частиц занимают как бы промежуточное положение между растворами и грубо-дисперсными системами, к которым относятся суспензии и эмульсии.

Классификация по агрегатному состоянию. Дисперсные системы классифицируют в зависимости от того, какой является дисперсионная среда.

Если дисперсионная среда - газ, а вещество находится в нем в виде мелких жидких капелек или твердых частиц, то это туманы, дым, пыль.

Если твердые коллоидные частицы распределены в жидкой дисперсионной среде, то они образуют золь. Например, раствор гидроксида железа, берлинской лазури и др. Если частицы твердой фазы крупнее, чем коллоидные частицы, а дисперсионная среда остается жидкой, то такая система называется суспензией. Например, цементный "раствор".

В случае, если частицы одной жидкости равномерно распределены в другой в виде мелких капелек и жидкости плохо растворимы друг в друге, то такая система называется эмульсией. Например, молоко, природная нефть и др.

Дисперсная система, представляющая собой твердое пористое тело или жидкость, содержащую пузырьки газа, называется пеной .(мыльная пена, керамзит, пемза и др.).

Типы агрегатных дисперсных систем

Классификация дисперсных систем по межфазному взаимодействию.

Дисперсные системы классифицируют по характеру взаимодействия частиц со средой, в которой они находятся. Если частицы вещества взаимодействуют с растворителем, то такие дисперсные системы называются лиофильными, если такое взаимодействие отсутствует - лиофобными. Если растворителем, в котором находятся частицы вещества, является вода, то дисперсные системы разделяют на гидрофильные и гидрофобные.

Гидрофильными являются растворы высокомолекулярных соединений, белков, углеводов и др. Гидрофобными - растворы неорганических соединений, например, коллоидные растворы серы, гидроксида железа, некоторых солей серебра и др. Характер взаимодействия в гидрофильных и гидрофобных дисперсных системах ион-дипольный. Гидрофильные коллоиды представляют собой длинные молекулы, в которых чередуются углеводородные цепочки и ионогенные группы. Вокруг ионогенных групп ориентируются дипольные молекулы воды. Так осуществляется взаимодействие коллоидных частиц с растворителем

Подобное взаимодействие происходит и в гидрофобных коллоидах с ионами диффузного слоя, но оно гораздо слабее выражено, В гидрофобных коллоидах диффузный слой не прочный, он легко отделяется от частиц даже при тепловом движении, вместе отделяются от частицы и водные оболочки.

Способы получения коллоидных систем

Дисперсионные методы основаны на раздроблении твердых тел до частиц коллоидного размера и образовании таким образом коллоидных растворов. Процесс диспергирования осуществляется различными методами: механическим размалыванием вещества в т.н. коллоидных мельницах, электродуговым распылением металлов, дроблением вещества при помощи ультразвука.

Метод химической конденсации основан на проведении химических реакций, сопровождающихся образованием нерастворимых или малорастворимых веществ. Вещество, находящееся в молекулярно-дисперсном состоянии, можно перевести в коллоидное состояние при замене одного растворителя другим – т.н. методом замены растворителя.

Лиофобные коллоиды обладают очень высокой поверхностной энергией и являются поэтому термодинамически неустойчивыми.

Лиофильные коллоиды не требуют специальных методов получения. Достаточно растворить высокомолекулярное соединение в воде или другом растворителе, чтобы получить лиофильный или гидрофильный коллоидный раствор.

Образование коллоидных растворов схематично можно представить следующим образом:

Строение структурной единицы лиофобных коллоидов – мицеллы – может быть показано лишь схематически, поскольку мицелла не имеет определенного состава.

Строение мицеллы гидрофобного золя

на примере золя гидроксида железа

Рассмотрим образование гидрофобного золя гидроксида железа при реакции гидролиза хлористого железа FeCl3. Гидролиз проводят при нагревании:

Одновременно протекает побочная реакция образования хлорокиси железа:

Хлорокись железа в водном растворе диссоциирует:

FeOCl FeO+ + Cl-

Мицелла состоит из трех основных частей ядра мицеллы, адсорбционного и диффузионного слоев. Ядро мицеллы состоит из нескольких тысяч ,а иногда даже миллиона молекул, которые образуют определенной формы кристаллическую структуру. На ядре мицеллы абсорбируются ионы или частицы, которые имеют с ядром общий элемент (правило Фаянса). В нашем случае на ядре мицеллы адсорбируются ионы Fe3+ или FeO+. Эти ионы называются потенциалопределяющими. К ним притягиваются противоионы Cl-, первый слой

Рис. 1. Строение мицеллы золя гидроксида железа.

По мере удаления от ядра слой противоионов становится более размытым изза теплового движения ионов, он называется диффузионным слоем. Ядро и адсорбционный слой представляют наиболее прочную часть мицеллы и составляют вместе частицу или гранулу. Противоионы Cl- в адсорбционном слое лишь частично компенсируют заряд потенциалопределяющих ионов, поэтому частица или гранула всегда заряжена и знак ее заряда определяется зарядом потенциалопределяющих ионов. Заряд диффузионного слоя равен по величине заряду гранулы и противоположен ему по знаку, поэтому мицелла является электронейтральной частицей. Вокруг ионов диффузионного слоя ориентируются дипольные молекулы воды. Однако, диффузионный слой является непрочным и при тепловом движении мицеллы он может отходить от нее. Можно также показать строение мицеллы в виде формулы

{m[Fe(OH)3]∙n FeO+ ∙ (n-x) Cl-}x+∙x Cl-

Ядро

Частица (гранула)

Мицелла

Более общим способом получения гидрофобных коллоидов является получение их реакций обмена между солями в избытке одной из солей. Например, при реакции между солями:

AgNO3 + KI AgI + KNO3

Если одну соль взять в избытке (например AgNO3), то плохо растворимая соль AgI не будет выпадать в осадок, а будет удерживаться в коллоидном состоянии в растворе. Соль AgNO3 при диссоциации образует Ag+ и NO3-, которые расходуются на построение мицеллы.

Рис. 2. Строение мицеллы золя иодида серебра.

Схематически мицелла золя иодида серебра, полученного в избытке AgNO3 может быть изображена следующим образом:

{ m[AgI] · n Ag+ · (n-x) NO3- }x+ · x NO3-

Коагуляция коллоидов

Коагуляция - слипание частиц в более крупные агрегаты. Коагуляция золей может быть вызвана различными факторами: прибавлением электролитов, нагреванием или замораживанием, механическим воздействием и т.д.

Для коагуляции золей электролитами установлен ряд эмпирических закономерностей:

1.Для начала коагуляции золя необходима некоторая минимальная концентрация электролита, называемая порогом коагуляции γ.

2.Коагулирующим действием обладает тот из ионов электролита, заряд которого противоположен заряду коллоидных частиц, причем коагулирующее действие иона тем сильнее, чем больше его заряд (правило Шульце – Гарди или правило значности).

3.В рядах неорганических ионов с одинаковыми зарядами коагулирующее действие возрастает с уменьшением гидратируемости ионов;

в ряду однозарядных катионов щелочных металлов коагулирующее действие возрастает от лития к рубидию:

γ (Li+) > γ (Na+) > γ (К+) > γ (Rb+)

4.В осадках, получаемых при коагуляции золей электролитами, всегда присутствуют ионы, вызвавшие коагуляцию.

5.При коагуляции золей смесями электролитов сравнительно редко наблюдается их независимое (аддитивное) действие; обычно имеет место взаимное усиление либо ослабление коагулирующего действия.

Экспериментальная часть

Лабораторная работа №1.

Получение и коагуляция золя Fe(OH)3.

Цель работы: Конденсационным методом получить золь Fe(OH)3. Провести коагуляцию золя электролитами с разными зарядами коагулирующих ионов. Определить пороги коагуляции для электролитов KCl, Na2SO4 и K3[Fe(CN)6].

Налить с помощью мерного цилиндра 85 мл дистиллированной воды в коническую колбу и довести до кипения (на плитке). В кипящую воду приливать по каплям 15 мл 2% раствора FeCl3. После нескольких минут кипячения получается в результате гидролиза красно-коричневый золь гидроксида железа, стабилизированный FeOCl.

Написать уравнение реакций, нарисовать схему строения мицеллы, написать формулу мицеллы. Какой знак имеет заряд коллоидной частицы?

Полученный золь с помощью мерного цилиндра разлить в три колбы по 25 мл в каждую. Для определения порога коагуляции применяют три раствора разных электролитов отличающихся величиной заряда аниона:

Раствор KCl (заряд аниона Cl- равен 1-), 5М.

Раствор Na2SO4 (заряд аниона SO42- равен 2-), 0,005М.

Раствор K3[Fe(CN)6] (заряд аниона [Fe(CN)6]3- равен 3-), 0,001М.

Налить растворы электролитов в соответствующие бюретки и установить уровни на нулевые деления бюреток. В одну из колб с золем при помощи бюретки прикапывают медленно по каплям при интенсивном помешивании смеси раствор одного из электролитов. Как только раствор слегка помутнеет, добавление