Холодный утренний туман, оседающий на землю, столб дыма над костром, взвешенные частицы в воде рек и озер — все это мы видели множество раз.
Нас постоянно окружают дисперсные системы
Понимание коллоидных систем важно для общего понимания образования гидроокиси железа в водоочистке и принципов фильтрации. Этот старый советский обучающий фильм отлично рассказывает о том, что такое коллоиды, как они образуются и взаимодействуют с окружающей средой. СМОТРИМ! Если смотреть не получается — читаем.
Они состоят из вещества в мелкораздробленом состоянии — дисперсной фазы и среды в которой эта фаза распределеа и которую называют дисперсионной средой.
Величина частиц и степень их дисперсности может быть различной. Сравнительно большие размеры частиц имеют грубодисперсные системы — взвеси и эмульсии .
В истинных растворах вещество находится в виде молекул или оинов распределенных равномерно среди молекул растворителя.
Частицы грубодисперсных систем хорошо видны в микроскоп. Например, молоко, представляющее эмульсию капелек жира в сыворотке, дым — это множество твердых частиц, взвешенных в воздухе.
Грубодисперсные системы неустойчивы и со временем дисперсная фаза отделяется от дисперсионной среды (выпадает в осадок).
По размеру частиц промежуточной положение между истинными растворами и взвесями занимают коллоидные растворы — золи.
Коллоидные частицы очень малы. И все же они могут состоять из сотен и тысяч молекул.
Свойства коллоидных растворов
Коллоидные частицы настолько малы, что не видны в обычный микроскоп. По внешнему виду коллоидный раствор нельзя отличить от истинного. Однако, если на освещенный коллоидный раствор посмотреть сбоку, то свет луча будет виден, как светлая дорожка, образовавшаяся от рассеивания света частицами. Это явление используют для распознавания коллоидных растворов.
В истинном растворе свет луча не виден, так как молекулы и ионы истинного раствора слишком малы и не рассеивают его.
В коллоидном — свет хорошо заметен. Он образует так называемый конус Тиндаля . Частицы коллоидных растворов под уадарами молекул растворителя совершают непрерывные хаотические перемещения. Это явление носит название Броуновского движения .
Из-за очень малых размеров коллоидные частицы имеют огромную суммарную поверхность.
Поверхность кубика с длинной ребра в 1 см составляет всего 6 квадратных сантиметров.. Но если 1 кубический сантиметр вещества раздробить на части объемом в 1 кубический микрон, то общая их поверхность увеличится в 10 тысяч раз. Поэтому и поглотительные свойства у коллоидных частиц проявляются значительно сильнее, чем у нераздробленного вещества.
Дисперсные системы в природе и технике
Вещества в коллоидном состоянии являются основой органической жизни на земле. Протоплазма любой живой клетки — это сложная коллоидная система. Мышечные ткани, хрящи, клеточные ткани растений, оболочки эритроцитов — тоже разновидности студней.
Коллоиды почвы играют большую роль в корневом питании растений. Адсорбированные на поверхности частиц почвы ионы калия, кальция и других элементов, в результате ионного обмена переходят в почвенный раствор и всасываются корневой системой.
Вещества в коллоидном состоянии принимают участие в образовании многих минералов:
- агата
- малахита
- мрамора
Некоторые драгоцнные камни, например жемчуг представляют собой колоидную систему, где дисперсионной средой является твердое тело — углекислый кальций, а дисперсной фазой — капельки воды. Окраска драгоценных камней: рубинов, изумрудов, сапфиров зависит от присуствия в них небольших количеств золей тяжелых металлов.
Еще в глубокой древности человек использовал коллоидные процессы. Египтяне забивали в щели скал деревянные клинья. Поливали их водой. Древесина набухала, создавалось огромное давление, которое разрушало самые твердые скальные породы.
Процессы коагуляции коллоидов применяют для очистки природной воды. В бассейн отстойник добавляют электролит и коллоиды осаждаются в виде хлопьев, которые задерживает песчаный фильтр.
Мели и наносы в устьях рек образуются под действием морской воды, приводящие к коагуляции коллоидных частиц, находящихся в реке.
Сегодня с коллоидными процессами связаны важнейшие отрасли химической промышленности:
- производство искусственного волокна
- раличных клеящих веществ
- синтетического каучука
- и многих других химических продуктов
Знакомые уже нам явления электрофареза используют в работе электрофильтров — дымоуловителей.
Адсорбционные свойства коллоидных частиц положены в основу процесса флотационного обогащения руд. Частицы пустой породы гидрофильны, то есть удерживают на своей поверхности молекулы воды, а частицы руды при добавлении некоторых химических веществ приобретают гидрофобные — водоотталкивающие свойства. При продувании через эту смесь воздуха несмачиваемые частички руды поднимаются на поверхность, а пустая порода опускается на дно.
Важные пищевые продукты:
- простокваша
- кефир
- творог
- джемы
- и другие
"Увеличение скорости химической реакции при введении катализатора происходит в результате уменьшения.......
Ответ "энергии активации"
Ответ 1. "Sn" 2. "Mg" 3. "Zn"
"Дисперсная система была получена путем обработки вещества ультразвуком. Этот способ является:
Ответ "диспергационным"
"Соотнесите название метода анализа с законом, на котором основан метод:
Ответ: "титриметрия" - "эквивалентов"; "потенциометрия" - "Нернста"; "кулонометрия" - "Фарадея"
"При добавлении к раствору, содержащему ионы железа, добавили гексацианоферрат (II) калия K4 или желтую кровяную соль. Какой ион присутствует в растворе, если образовался темно-синий осадок берлинской лазури:
Ответ "Fe3+"
Задан вопрос: "Синтетическим полимером является: Ответ "капрон"
"Неорганическая кислота, которая имеет полимерное строение называется: Ответ "кремниевой"
"Эквивалентны ли 1 моль молекул CО2 и 1 моль молекул SO2 ? Ответ "да"
Ответ "CuCl2"
"Наибольшее давление водяного пара будет наблюдаться над раствором, в 1 литре
"Наименьшую энергию ионизации имеет атом: Ответ "Na"
Задан вопрос: "Возможно ли протекание реакции: 2SO2(г)+О2(г) -> 2SО3 в стандартных условиях..... ?н= -197,8 кДж/моль; ?G=-142 Дж/моль; ?s=-187,8 Дж/моль?К
Ответ "да"
"Возможно ли протекание реакции: СаСО3(т) ->СаО(г)+СО2(г) в стандартных условиях
Н= 178 кДж | |
Ответ "нет" |
"Какие из перечисленных металлов будут вступать в реакцию c HNO3 (концентрированную или разбавленную).
Ответ 1. "Bi" 2. "Na" 3. "Ag"
"Какое утверждение справедливо?
Ответ "Гранула коллоидной частицы с диффузным слоем образует мицеллу"
Ответ "SnCl4"
"В основе титриметрического метода анализа лежит закон: Ответ "эквивалентов"
"В основе спектрофотометрического метода анализа лежит: Ответ "поглощение света"
"Наиболее высокой температурой кипения при прочих равных условиях будет обладать 20%-ный водный раствор:
"формальдегида (МЧ=15)"
"Число нейтронов, совпадает с числом протонов в ядре атома изотопа: Ответ "21Н"
"Какой из перечисленных металлов будет служить протектором для медного кабеля. Ответ "Zn"
"Является ли данная реакция окислительно-восстановительной: 4Al+3O2=2Al2O3 ? Ответ "ДА"
Ответ "Na2HPO4"
"Соотнесите явление А и процесс В."
Ответ: "пептизация" - "укрупнение коллоидных частиц"; "коагуляция" - обратимый переход геля в золь при механическом воздействии"; "тиксотропия" - "превращение свежевыпавшего осадка в золь при действии электролита"
"Формула вещества, способного вступать в реакцию поликонденсации, имеет вид:
Ответ "NН2-CH2COOH"
"Полимер, которому соответствует формула: (-СH2-CH(OCOCH3-)n, называется..." Ответ: "поливинилацетат"
"Эквивалентны ли 44 грамма СО2 и 64 грамма SO2 ? Ответ "да"
"Сильным электролитом является водный раствор: Ответ "СuSО4"
"Сильным электролитом является водный раствор:
Ответ "CuCl2"
"Масса H2SO4, содержащаяся в 0,5 литрах раствора с молярной концентрацией
"Формула соли, значение рН водного раствора которой больше 7, имет вид:
Ответ "Na2CО3"
"Масса H2SO4, необходимая для приготовления 500 мл раствора с молярной концентрацией растворенного вещества 1 моль/л составляет....... граммов. Ответ "49"
"Для электронов, находящихся на р-орбиталях, значение орбитального квантового числа равно:
Наибольшей степенью ионности характеризуется химическая связь в соединениях:
Ответ "NaCl"
"Назовите газообразный продукт, при реакции HNO3 конц. с Hg, если реакция возможна. Ответ "NO2
"Определите в какой из реакций выделится наибольшее количество тепла, условия стандартные.
Ответ: "2Zn(к) +O2(г)?2ZnО(к)"
"Частицы дисперсной фазы имеют размеры от 10 нм до 100 нм. Они являются частицами: Ответ "колллоидными частицами"
"Продуктом восстановления перманганата калия сульфитом натрия в сернокислой среде является вещество, формула которого:
Ответ "MnSO4"
Ответ "NaOH"
"Цепь состоит из: -Si-О-, -Al-О-, -Са-О-, -Mg-O- фрагментов - это полимеры: Ответ "неорганические"
"К гомополимерам относится: Ответ "капрон"
"Число неспаренных электронов в основом состоянии атомаэлемента, образующего высший оксид состава Э2О5 равно:
"Назовите вещество, которое легче всего окисляется в стандартных условиях, используя значение?0
"Какой знак заряда гранулы мицеллы золя AgJ, полученного по реакции KJ c AgNO3 при избытке второго?
Ответ "отрицательный"
"Два моль молекул SO2 при нормальных условиях занимает обьем ______ л. Ответ "44,8"
Текущая оценка 5,000 (5)
"Количество моль молекул, содержащихся в четырех моль эквивалентах O2, равно ______
"Какой обьем (л) при нормальных условиях занимает 1,5 моль эквивалентов кислорода. Ответ пользователя: "8,4"
"Концентрация ионов водорода в водном растворе с рН=11 составляет..... моль/л: Ответ "10-11"
"500 мл водного раствора, содержащего 156 граммов Na2S, разбавили водой в 2 раза. Молярная концентрация вещества в полученном растворе составляет.......... моль/л.
"Масса H2SO4, содержащаяся в 0,5 литрах раствора с молярной концентрацией эквивалентов (нормальная концентрация) 2 моль/л, равна......... граммам. Ответ "49"
"Число электронных орбиталей определяет..... квантовое число. Ответ "главное"
"Назовите какой продукт образуется при реакции H2SO4 конц. с Cu, если реакция возможна.
Ответ "SO2"
"Продуктами, выделяющимися на инертных электродах при электролизе водного раствора сульфата натрия, являются......
Ответ "Н2 и О2"
"Какая формула описываетизменение энтропии системы: Ответ "?S=Qобр/T"
"Какие из перечисленных металлов будут вступатьв реакцию с разбавленной H2SO4 и
"Водород является окислителем в реакции:
Ответ "Сa+H2=CaH2
"Коллоидная частица имеет положительный заряд. Выбрать электролит, который наиболее эффективно (при прочих равных условиях) вызовет коагуляцию этого золя.
Ответ "K2SO4"
"Коллоидная частица имеет отрицательный заряд. Выбрать электролит, который наиболее эффективно (при прочих равных условиях) вызовет коагуляцию этого золя.
Ответ "Al(NO3)3"
"Остатки аминокислот являются структурными звеньями: Ответ "полипептидов"
"Вещества, при взаимодействии которых с активными радикалами происходит образование малоактивных центров, не способных инициировать дальнейший процесс полимеризации, называется:
Ответ "ингибиторами"
"К сополимерам относится:
Ответ "карбамидоформальдегидная смола"
"Оксидом, который не проявляет амфотерные свойства, является: Ответ "CuO
"В одном литре насыщенного раствора содержится 5,7*10-4 SrSO4. Значение произведения растворимости ПРSrSO4 равно.....
Ответ "3,2*10 -7"
"Наиболее низкой температурой кристаллизации при стандартных условиях будет обладать 5%-ный водный раствор:
Ответ "формальдегида (МЧ=15)"
"Наибольшее давление водяного пара будет наблюдаться над раствором, в 1 литре
"Для электронов, находящихся на d-орбиталях, значение орбитального квантового числа равно:
"Число нейтронов, совпадает с числом протонов в ядре атома изотопа: Ответ "168О"
"Для электронов, находящихся на р-орбиталях, значение орбитального квантового числа равно:
"Cоотнесите: термодинамическую характеристику реакции с возможностью самопроизвольного протекания реакции
Ответ: "?G=0" ассоциируется с: (1)"в системе установилось равновесие"; "?G>0" - "реакция невозможна" "?G<0" - "реакция возможна"
"Вещество, атомы или ионы которого принимают электроны, называется: Ответ "окислителем"
Задан вопрос: "Какой знак заряда гранулы мицеллы золя PbJ2, полученного по реакции KJ c Pb(NO3)2 при избытке первого?
Ответ "отрицательный"
"Люминесцентный анализ относится к методам:" Ответ "спектральным"
"К сополимерам относится:"
Ответ "фенолформальдегидная смола"
"К природным полимерам относится:" Ответ "крахмал"
"Один моль молекул О2 при нормальных условиях занимает обьем ______ л."
Ответ "22,4"
"Сколько граммов соли потребуется для приготовления 500 граммов 15% раствора. (с точностью до целого значения)
"Концентрация ионов водорода в водном растворе с рН=6 составляет..... моль/л: Ответ "10-6"
"Наибольшее давление водяного пара будет наблюдаться над раствором, в 1 литре
"Наиболее низкой температурой кипения при прочих равных условиях будет обладать 10%-ный водный раствор:
Ответ "сахарозы (МЧ=342)"
"Молярная концентрация эквивалентов (нормальная концентрация) СаO, в растворе, полученном растворением 28 граммов этого вещества в 2000 мл воды (изменением обьема при растворении пренебречь), равна....... моль/л.
Ответ "0,5"
"Укажите элементы - неметаллы:" Ответ 1. "фосфор" 2. "сера" 3. "хлор"
"Выбрать процесс, происходящий на аноде при нарушении целостности покрытия на пластинке оцинкованного железа, находящейся в растворе HCl, доступ О2 свободный.
Ответ: "Zn -2e ? Zn2+"
"Определите катодную реакцию в серебряно-магниевом гальваническом элементе."
Ответ "Ag+ + e ? Ag"
"Атомы каких элементов относятся к металлам:"
Ответ 1. "Na" 2. "K"
"Возможно ли протекание реакции: 2SO2(г)+О2(г) -> 2SО3 в стандартных условиях.....
Н= -197,8 кДж/моль;
G=-142 Дж/моль; ?s=-187,8 Дж/моль?К" Ответ "да"
"Если реакция при температуре 700 С протекает за 54 минут, а при 1000 С - за 2 минуты то температурный коэффициент равен......."
"Теплота сгорания метанола равна 726 кДж/моль. При сгорании 8 г метанола выделится
КДж теплоты Образец ответа: 234,4"
Ответ "181,5"
"Число электронов, которое присоединяет 1 моль окислителя в окислительно-
восстановительной реакции: Zn+HNO3(разб)? Zn(NO3)2+NH4NO3+H2O равно.........
"Какие из указанных веществ могут проявлять как восстановительные, так и окислительные свойства:
"Процесс перехода свежевыпавшго осадка в золь при действии электролита называется:" Ответ "пептизация"
"Коллоидная частица имеет положительный заряд. Выбрать электролит, который наиболее эффективно (при прочих равных условиях) вызовет коагуляцию этого золя."
Ответ "K3PO4"
"Частицы дисперсной фазы имеют размер 30 нм. Относится ли эта система к коллоидным?"
Ответ "да"
"Cooтнесите определяемый катион и реактив для его обнаружения:"
Ответ: "Fe(II)" - "K3"; "Cd(II)" - "K2S"; "Fe(III)" - "K4Fe[(CN)6]"
Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами. Поэтому их можно получать двумя путями:
а) методами диспергирования – дроблением более крупных частиц до коллоидной степени дисперсности – механическим, электрическим, ультразвуком, пептизацией (превращение осадков в коллоидный раствор под влиянием химических веществ – пептизаторов);
б) методами конденсации – укрупнением частиц в агрегаты коллоидной степени дисперсности (получение нерастворимых веществ в результате реакций различных типов);
в) ультрафильтрацией через полупроницаемые мембраны.
Строение коллоидных частиц
Образование нерастворимого вещества в результате химической реакции – это лишь одно из условий получения коллоидного раствора. Другим не менее важным условием является неравенство исходных веществ, взятых в реакцию. Следствием этого неравенства является ограничение роста величины частиц коллоидах растворов, которое привело бы к образованию грубодисперсной системы.
Механизм образования коллоидной частицы рассмотрим на примере образования золя иодистого серебра, который получается при взаимодействии разбавленных растворов азотнокислого серебра и йодистого калия.
AgNO 3 +KI = AgI + KNO 3
Ag + + NO 3 ¯ +K + + I ¯ = AgI ↓ + NO 3 ¯ + K +
Нерастворимые нейтральные молекулы йодистого серебра образуют ядро коллоидной частицы.
Сначала эти молекулы соединяются в беспорядке, образуя аморфную, рыхлую структуру, которая постепенно превращается в высокоупорядоченную кристаллическую структуру ядра. В рассматриваемом нами примере ядро это кристаллик йодистого серебра, состоящий из большого числа (m) молекул AgI:
m - ядро коллоидной частицы
На поверхности ядра происходит адсорбционный процесс. По правилу Пескова-Фаянса, на поверхности ядер коллоидных частиц адсорбируются ионы, входящие в состав ядра частицы, т.е. адсорбируются ионы серебра (Аg +) или ионы иода (I –). Из этих двух видов ионов адсорбируютcя те, которые находятся в избытке.
Так, если получать коллоидный раствор в избытке йодистого калия, то адсорбироваться на частицах (ядрах) будут ионы иода, которые достраивают кристаллическую решетку ядра, естественно и прочно входя в его структуру. При этом образуется адсорбционный слой, который придает ядру отрицательный заряд:
Ионы, адсорбирующиеся на поверхности ядра, придавая ему соответствующий заряд, называются потенциалобразующими ионами.
При этом в растворе находятся и противоположно заряженные ионы, их называют противоионами. В нашем случае это ионы калия (K +), которые электростатически притягиваются к заряженному ядру (величина заряда может достигать I в). Часть противоионов К + прочно связывается электрическими и адсорбционными силам и и входит в адсорбционный слой. Ядро с образовавшимся на нем двойным адсорбционным слоем ионов называется гранулой.
{m . nI – . (n-x) K + } x – (структура гранулы)
Оставшаяся часть противоионов (обозначим их числом "х К + ") образует диффузный слой ионов.
Ядро с адсорбционным и диффузным слоями называется мицеллой:
{m . nI –. (n-x) K + } x – . х К + (структура мицеллы)
При пропускании постоянного электрического тока через коллоидный раствор гранулы и противоионы двинутся к противоположно заряженным электродам соответственно.
Наличие одноименного заряда на поверхности частиц золей является важным фактором его устойчивости. Заряд препятствует слипанию и укрупнению частиц. В устойчивой дисперсной системе частицы удерживаются во взвешенном состоянии, т.е. не происходит выпадения в осадок коллоидного вещества. Это свойство золей называется кинетической устойчивостью.
Строение мицелл золя иодистого серебра, полученного в избытке AgNO 3 , представлено на рис. 1а, в избытке KCI - 1б.
Рис.1.5. Строение мицелл золя иодистоого серебра, полученного в избытке:
а) азотнокислого серебра; б) хлорида калия.
1 . Золь фторида кальция получен смешиванием 32 мл раствора фторида натрия с молярной концентрацией NaF, равной 8,0·10 -3 моль/л и 25 мл раствора хлорида кальция с молярной концентрацией CaCl 2 , равной 9,6·10 -3 моль/л. Напишите формулу мицеллы полученного золя, укажите все её составные части. Определите тип коллоида, знак заряда гранулы коллоидной частицы золя и направление её движения в электрическом поле.
Решение . Зная молярные концентрации растворов NaF и CaCl 2 , определяем количество вещества фторида натрия ν(NaF) и хлорида кальция ν(СаСl 2), вступивших в реакцию обмена по уравнению
2NaF + CaCl 2 = ↓CaF 2 + 2NaCl:
ν(NaF) = Cμ(NaF)·V(NaF) = (8,0·10 -3 моль/л)·(32·10 -3 л) = 2,56·10 -4 моль,
ν(CaCl 2) = Cμ(CaCl 2)·V(CaCl 2) = (9,6·10 -3 моль/л)·(25·10 -3 л) = 2,4·10 -4 моль.
Cогласно уравнению реакции, вещества взаимодействуют между собой в соотношении ν(NaF):ν(CaCl 2) = 2:1, а из приведенных расчетов видно, что ν(NaF):ν(CaCl 2) =(2,56·10 -4)/(2,4·10 -4) = 1,07:1, т.е. в растворе имеется избыток хлорида кальция, который и служит в данном случае стабилизатором коллоидной мицеллы. Поскольку по условию задачи речь идет о водных растворах взаимодействующих солей, то ионы стабилизатора (Са + и Cl -) будут гидратированными, т.е. окруженными молекулами растворителя Н 2 О. Вместе с тем, зародыш коллоидной частицы, формирующийся из нерастворимых молекул фторида кальция СаF 2 , будучи веществом кристаллическим, воду не поглощает. Отсюда первый вывод – коллоридная частица является гидрофобной .
Из ионов стабилизатора генетически близким к составу зародыша (согласно правилу Пескова-Фаянса) является ион кальция Са 2+ . Отсюда мы делаем второй вывод – потенциалопределяющими ионами будут ионы Са 2+ ·ρН 2 О , и, следовательно, гранула коллоидной мицеллы будет положительно заряженной , т.е. в электрическом поле будет перемещаться к катоду .
Противоионами в этом растворе служат гидратированные хлорид-ионы стабилизатора 2Cl - ·(q+ℓ)H 2 O , которые располагаются вокруг ядра двумя слоями : первый – адсорбционный, состоящий из 2Cl - ·qH 2 O, второй – диффузный, его строение 2Cl - ·ℓH 2 O.
Теперь можно записать мицеллярную формулу частицы золя фторида кальция:
{[(m(CaF 2)·nCa 2+ ·ρН 2 О) 2 n+ ·2(n-x)Cl - ·qH 2 O] 2 x+ + 2xCl - ·ℓH 2 O} 0 .
потенциал- |зародыш _| адсорбц. слой диффузн. слой
определяющий | ядро | противоионов
ион | гранула |
| мицелла |
Как видим, гранула золя CaF 2 в данном случае заряжена положительно и при наложении электрического поля гранула будет двигаться к отрицательно заряженному электроду (катоду), а противоионы диффузного слоя (2хCl - ·ℓH 2 O) – к положительно заряженному электроду (аноду).
Ответ : образуется гидрофобный золь, гранула заряжена положительно, перемещается под дейситвием электрического поля к катоду.
2 . Золь сульфата бария получен смешением равных объемов растворов нитрата бария и серной кислоты. Напишите формулу мицеллы золя, гранула которой в электрическом поле перемещается к аноду. Ответьте на вопрос, будут ли одинаковыми исходные молярные концентрации электролитов. Укажите природу и строение мицеллы золя.
Решение . Нерастворимой дисперсной фазой в коллоидном растворе, образующемся при смешивании растворов Ba(NO 3) 2 и H 2 SO 4 , будет кристаллический сульфат бария, согласно реакции обмена
Ba(NO 3) 2 + H 2 SO 4 = ↓BaSO 4 + 2HNO 3 .
Поскольку дисперсная фаза имеет кристаллическую структуру, то образующаяся на её основе мицелла является гидрофобной. Если гранула перемещается к аноду, значит, она имеет отрицательный заряд и, следовательно, потенциалопределяющими ионами могут быть только гидратированные анионы SO 4 2- ·рН 2 О (правило Пескова-Фаянса). Ясно, что противоионами выступают гидратированные протоны 2Н + ·(q+ℓ)H 2 O, т.е. электролитом-стабилизатором является серная кислота, а значит, её концентрация в этой системе должна быть больше в сравнении с концентрацией раствора нитрата бария:С μ (H 2 SO 4) > С μ (Ba(NO 3) 2 .
С учетом проведенного анализа, построим формулу мицеллы гидрофобного золя сульфата бария:
{[(m(BaSO 4)· nSO 4 2- ·рН 2 О) 2 n- ·2(n-x)H + ·qH 2 O] 2 x- + 2xH + ·ℓH 2 O} 0 .
Потенциал- | зародыш | адсорбц. слой диффузн. слой
определяющий | ядро | противоионов
ион | гранула |
| мицелла |
Ответ : золь сульфата бария гидрофобный, гранула заряжена отрицательно, в раствореС μ (H 2 SO 4) > С μ (Ba(NO 3) 2 .
3 . Золь гидроксида железа (3), полученный при добавлении к 85 мл кипящей дистиллированной воды 15 мл раствора хлорида железа (3) с массовой долей FeCl 3 , равной 2%, образуется в результате частичного гидролиза соли по уравнению:
FeCl 3 + 3H 2 O = ↓Fe(OH) 3 + 3HCl.
Напишите возможные формулы мицелл золя Fe(OH) 3 , учитывая, что при образовании частиц гидроксида железа (3) в растворе присутствовали следующие ионы: Fe 3+ , FeO + , H + , Cl - , ОН - . При этом все ионы гидратированы молекулами растворителя.
Решение . Как показывает уравнение гидролиза, приведенное в условии задачи, образованию нерастворимого гидроксида железа (3) соответствует соотношение Сμ(Fe 3+):Сμ(ОН -) = ν(Fe 3+):ν(ОН -) = 1:3.
Определим количество вещества каждого из участников процесса гидролиза. Согласно данным таблицы №3 приложения № 10, плотность 2% раствора хлорида железа (3) при нормальных условиях равна 1,015 г/см 3 . Зависимость массы FeCl 3 и массовой доли ω(FeCl 3) определяется из соотношения m(FeCl 3) = ω(FeCl 3)·V р-ра (FeCl 3)·ρ р-ра (FeCl 3). С другой стороны, количество вещества соли ν(FeCl 3) = m(FeCl 3)/M(FeCl 3), где M(FeCl 3) – молярная масса хлорида железа, она равна M(FeCl 3) = 56 + 3·35,5 = 162,5 г/моль. Отсюда получаем расчетную формулу для определения количества вещества соли, а значит, и количества вещества ионов Fe 3+ , вступивших в реакцию гидролиза:
ν(Fe 3+) = ν(FeCl 3) = [ω(FeCl 3)·V р-ра (FeCl 3)·ρ р-ра (FeCl 3)]/M(FeCl 3).
Произведем соответствующие расчеты и получим:
ν(Fe 3+) = ν(FeCl 3) = (0,02·15·1,015)/162,5 = 1,85·10 -3 моль.
Для определения концентрации Сμ и количества вещества ν гидроксид-ионов ОН – вспомним правило ионного произведения воды. Оно гласит, что в нейтральном растворе молярные концентрации ионов Н + и ОН – равны и не превышают 1·10 -7 моль/л. При гидролизе, как показывает уравнение в условии задачи, концентрация ОН – будет и того меньше (гидролиз приводит к подкислению раствора). Даже если мы допустим, что в нашей системе присутствует 100 мл чистой воды, то в них будет содержаться не более 1·10 -7 моль ионов ОН – .
Следовательно, электролитом-стабилизатором при образовании мицелл гидроксида железа (3) ни при каких условиях не может выступать вода (как источник ионов ОН – и Н +). Зато другие ионы - Fe 3+ , FeO + , Cl – могут участвовать в стабилизации коллоидных частиц. Исходя из этих рассуждений, построим две возможные формулы мицелл золя, не забывая при этом, что гидроксид железа является веществом аморфным, а потому активно адсорбирующим молекулы растворителя. Это означает, что обе возможные мицеллы будут иметь гидрофильную природу.
Случай 1) : потенциалопределяющие ионы – Fe 3+ ·pH 2 O; противоионы - 3Сl - ·(q+ℓ)H 2 O. При этих условиях формула гидрофильной мицеллы золя Fe(OH) 3 будет иметь вид: {[(m(Fe(OH) 3 ·rH 2 O·nFe 3+ ·pH 2 O) 3 n+ ·3(n-x)Cl – ·qH 2 O] 3 x+ + 3xCl – ·ℓH 2 O} 0 .
Случай 2) : потенциалопределяющие ионы – FeO + ·pH 2 O; противоионы - Сl - ·(q+ℓ)H 2 O. Мицелла гидрофильная, её формула
{[(m(Fe(OH) 3 ·rH 2 O·nFeО + ·pH 2 O) n+ ·(n-x)Cl – ·qH 2 O] x+ + xCl – ·ℓH 2 O} 0 .
В обоих случаях гранулы имеют положительный заряд и в электрическом поле перемещаются к катоду.
Ответ : возможно образование двух гидрофильных мицелл с гранулами положительного заряда
{[(m(Fe(OH) 3 ·rH 2 O·nFeО + ·pH 2 O) n+ ·(n-x)Cl – ·qH 2 O] x+ + xCl – ·ℓH 2 O} 0
и {[(m(Fe(OH) 3 ·rH 2 O·nFe 3+ ·pH 2 O) 3 n+ ·3(n-x)Cl – ·qH 2 O] 3 x+ + 3xCl – ·ℓH 2 O} 0 .
4 . Золь берлинской лазури можно получить при взаимодействии неэквивалентных количеств разбавленных растворов железа (3) хлорида и калия феррицианата K 4 . Напишите формулы мицелл гидрофобных золей, имея в виду, что комплексные ионы подвергаются гидратации с такой же силой, как и простые.
Решение . В основе образования коллоидных растворов лежит реакция обмена, приводящая к формированию нерастворимой фазы:
4FeCl 3 + 3K 4 = ↓Fe 4 3 + 12KCl.
Нерастворимые частицы гексацианоферрата (2) железа (3) образуют зародыш коллоида, причем гидрофобный, т.к. вещество имеет кристаллическое строение. В зависимости от того, какая из солей взята в избытке, потенциалопределяющими ионами могут выступить либо гидратированные анионы 4- ·рН 2 О, либо гидратированные катионы Fe 3+ ·pH 2 O. Соответственно, противоионами будут в разных случаях либо 4К + ·(q+ℓ)H 2 O, либо 4Cl - ·(q+ℓ)H 2 O.
На основании проведенного анализа составим формулы возможных мицелл:
а) С N K 4 > С N FeCl 3 , тогда
{[ (m(Fe 4 3 ·n 4- ·рН 2 О) 4 n- ·4(n-x)K + ·q(H 2 O)] 4 x- + 4xK + ·ℓH 2 O} 0 ;
б) С N K 4 < С N FeCl 3 , тогда
{[(m(Fe 4 3 ·nFe 3+ ·pH 2 O) 3 n+· 3(n-x)Cl - ·qH 2 O] 3 x+ + 3xCl - ·ℓH 2 O} 0 .
Хотя обе мицеллы являются гидрофобными, но заряды их гранул противоположны по знаку. Если смешать растворы в эквивалентных количествах, произойдет компенсация зарядов на этапе формирования гранул и мицеллы скоагулируют (произойдет их разрушение).
Ответ : формулы образующихся в двух различных случаях мицелл имеют вид:
а) {[(m(Fe 4 3 ·n 4- ·рН 2 О) 4 n- ·4(n-x)K + ·q(H 2 O)] 4 x- + 4xK + ·ℓH 2 O} 0 ;
б) {[(m(Fe 4 3 ·nFe 3+ ·pH 2 O) 3 n+· 3(n-x)Cl - ·qH 2 O] 3 x+ + 3xCl - ·ℓH 2 O} 0 .
5 . Рассчитайте объем 0,0025 М. раствора KI, который необходимо добавить к 0,035 л 0,003 н. раствора Pb(NO 3) 2 , чтобы получить гидрофобный золь иодида свинца и при электрофорезе его противоионы двигались к аноду. Постройте формулу мицеллы золя.
Решение . Как уже подчеркивалось не раз, в основе образования коллоидного раствора лежит реакция обмена, приводящая к формированию нерастворимой дисперсной фазы: 2KI + Pb(NO 3) 2 = ↓PbI 2 + 2 KNO 3 .
Если противоионы мицеллы при электрофорезе перемещаются к аноду, следовательно, они заряжены отрицательно, а потенциалопределяющими ионами являются положительные ионы. Согласно правилу Пескова-Фаянса, для дисперсной фазы PbI 2 таковыми могут быть только катионы свинца Pb 2+ . Отсюда ясно, что электролитом-стабилизатором выступает раствор нитрата свинца Pb(NO 3) 2 и противоионами становятся анионы NO 3 - .
При таких условиях электролит-стабилизатор должен быть в избытке, следовательно,
С N (Pb(NO 3) 2 ·V(Pb(NO 3) 2 > C N (KI)·V(KI).
Решим полученное неравенство относительно объема раствора иодида калия, помня, что С N (KI) = C μ (KI) = 0,0025 моль/л.
V(KI) < [С N (Pb(NO 3) 2 ·V(Pb(NO 3) 2 ]/C N (KI);
V(KI) < (0,003·0,035)/0,0025 < 0,042 (л).
Это означает, что для получения золя иодида свинца необходимо использовать меньше 42 мл раствора иодида калия с концентрацией 0,0025 моль/л.
Формула гидрофобной мицеллы золя иодида свинца имеет вид:
Ответ : для получения золя иодида свинца с положительной гранулой и отрицательными противоионами нужно использовать менее 42 мл раствора KI;
мицелла золя имеет гидрофобную природу, её формула
{[(m(PbI 2)·nPb 2+ ·pH 2 O) 2 n+ ·2(n-x)NO 3 - ·qH 2 O] 2 x+ + 2xNO 3 - ·ℓH 2 O} 0 .
Специфической особенностью коллоидных растворов по сравнению с истинными является их агрегативная неустойчивость , т.е. способность разделяться на фазы под влиянием незначительных внешних воздействий. Еще легче такое расслоение происходит в случае грубодисперсных гетерогенных систем (неустойчивых эмульсий, суспензий и т.п.)
Причиной принципиальной неустойчивости гетерогенных дисперсных систем является наличие у них большой межфазной поверхности. Эта поверхность обладает большим избытком энергии. При разделении фаз (расслаивании гетерогенной системы) межфазная поверхность становится минимальной, общая энергия системы понижается, система становится более стабильной.
При своем хаотическом тепловом движении частицы дисперсной фазы сталкиваются и объединяются, так как на близких расстояниях между ними возникают межмолекулярные (ван-дер-ваальсовские) силы притяжения. Далее укрупненные частицы под действием гравитационных сил объединяются, образуя слои фаз, например, осадок твердой фазы отделяется от жидкой фазы, или более плотная жидкость опускается вниз, а более легкая остается наверху, или пузырьки газа отделяются от жидкости и т.д.
Однако, если частицы дисперсной фазы достаточно малы, многие коллоидные растворы и другие ультрамикрогетерогенные системы в определенных условиях могут существовать как угодно долго, не смотря на большую избыточную поверхностную энергию. Это означает. что сближению частиц и их укрупнению препятствуют какие-то силы.
В ряде случаев устойчивость ультрамикрогетерогенных систем можно объяснить редкими столкновениями между частицами. Например, аэрозоли (дисперсионная среда – газ) существуют только благодаря малочисленности столкновений между частицами в результате их низкой концентрации в газе. Относительная устойчивость вязких коллоидных систем, особенно твердых, объясняется медленным броуновским движением частиц, что также приводит к редким столкновениям.
Иногда сближению частиц, при котором начинают действовать ван-дер-ваальсовские силы притяжения, может препятствовать сольватная оболочка из молекул среды.
Но главной причиной устойчивости коллоидных систем считают наличие одноименного заряда на поверхности коллоидных частиц
. Частицы не могут подойти близко друг к другу из-за электростатического отталкивания одинаковых по знаку зарядов.
С современной точки зрения, заряд на коллоидных частицах обусловлен наличием на их поверхности двойного электрического слоя (ДЭС) из ионов, возникающего либо в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита, находящегося в растворе, либо за счет ионизации поверхностных молекул вещества.
Избирательная адсорбция – это адсорбция ионов, общих с ионами, входящими в состав кристалла. Адсорбирующиеся ионы участвуют в достройке кристаллической решетки и связаны с поверхностью прочными химическими связями. Иногда в достройке кристаллической решетки участвуют изоморфные ионы, т.е. близкие по размеру и строению.
Например, при смешивании растворов AgNO 3 и KI образуется малорастворимое соединение AgI.
AgNO 3 + KI = KNO 3 + AgI↓
При эквивалентном соотношении реагентов (1: 1 мольн.) из раствора выпадает осадок иодида серебра. Если один из реагентов взят в избытке, образуется коллоидный раствор.
В случае избытка KI образующиеся кристаллы AgI адсорбируют на поверхности ионы I¯ . Иодид- ионы участвуют в достройке кристалла иодида серебра. Поверхность частицы при этом заряжается отрицательно. Оставшиеся свободные ионы К + притягиваются к заряженной поверхности. Образуется двойной электрический слой, состоящий из отрицательно заряженных ионов иодида и положительно заряженных ионов калия. Возникает разность потенциалов.
Существует несколько теорий, объясняющих строение двойного электрического слоя на поверхности коллоидных частиц: теория Гельмгольца-Перрена, теория Гуи-Чэпмена, теория Штерна. Эти теории различаются, в основном, представлениями о структуре слоя противоионов.
Согласно теории Гельмгольца-Перрена, двойной электрический слой (ДЭС) является плоским конденсатором; одна обкладка – поверхность частицы, другая – находится в жидкости на расстоянии l = 2r иона.
Теория Гуи-Чэпмена предполагает, что вследствие теплового движения не все противоионы находятся рядом с поверхностью. Их концентрация постепенно убывает по мере удаления от поверхности. Таким образом, ДЭС состоит из адсорбционного и диффузного слоя.
Теория Штерна объединяет эти две теории и дополняет картину представлением о том, что адсорбированные на поверхности ионы находятся на расстоянии от поверхности, равном радиусу иона.
В целом образовавшаяся частица остается нейтральной. Эти нейтральные частицы дисперсной фазы называют мицеллами . Строение мицеллы в описанном выше случае образования AgI в присутствиии избытка KI можно изобразить следующим образом:
{n(AgI) mI¯ (m-x)K + } xK +
где {n(AgI) mI - (m-x)K + } – коллоидная частица, обладающая зарядом;
n(AgI) – ядро частицы;
I¯ - потенциалопределяющие ионы;
К + - противоионы.
В случае избытка AgNO 3 в достройке кристалла AgI участвуют ионы Ag + . Поверхность частицы заряжается положительно, к ней притягиваются противоионы NO 3 ¯, образуя двойной электрический слой. Строение мицеллы в этом случае имеет вид:
{n(AgI) mAg + (m-x)NO 3 ¯} хNO 3 ¯
Общие правила написания формулы мицеллы:
1) Ядро частицы образует малорастворимое вещество.
2) Потенциалопределяющими (т.е. адсорбируемыми) ионами могут быть только ионы, входящие в состав кристаллической решетки малорастворимого вещества (за некоторым исключением, когда в решетку встраиваются "чужие" ионы, подходящие по размеру и имеющиеся в растворе в достаточном количестве).
3) Встраиваются в решетку те ионы, которые входили в состав реагента, взятого в избытке.
4) Противоионами тоже являются ионы, входящие в состав реагента, взятого в избытке.
5) Часть противоионов, находящихся близко к поверхности и образующих адсорбционный слой, - (m-x) - записывают во внутреннюю сферу мицеллы, выделенную фигурными скобками. Другая часть противоинов, свободно перемещающаяся вблизи поверхности и образующая диффузионный слой - (х) - находится во внешней сфере мицеллы.
Заряд на поверхности частицы может также образовываться за счет электролитической диссоциации молекул вещества, образующего ядро частицы. Так, на поверхности частицы малорастворимого оксида кремния SiO 2 происходит образование кремниевой кислоты и последующая ионизация ее молекул:
SiO 2 + H 2 O = H 2 SiO 3
H 2 SiO 3 ↔ SiO 3 2 ¯ + 2H + .
Строение мицеллы: {n(SiO 2) mSiO 3 2 ¯ 2(m-x)H + }2xH + .
Если мицеллу поместить в электрическое поле, то ионы диффузного слоя начнут перемещаться к одному из электродов, а противоположно заряженная частица – к другому электроду. Мицелла как бы «разрывается». Потенциал, соответствующий границе скольжения, называется электрокинетическим или дзета-потенциалом (ξ) . Именно этот потенциал обнаруживается при всех четырех электрокинетических явлениях; от его величины зависит скорость этих процессов.
Кроме дзета-потенциала для характеристики ДЭС пользуются величиной термодинамического потенциала. Термодинамический потенциал (φ) - скачок потенциала в адсорбционном слое.
Описанный механизм образования зарядов на поверхности частиц дисперсной фазы указывает на необходимое условие образования коллоидных растворов и других устойчивых гетерогенных систем - наличие вещества, образующего ДЭС на поверхности частиц. Это вещество называется стабилизатором .
©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-26