ТЕМА 16: Коллоидные растворы

Коллоиды относятся к микрогетерогенным системам. В зависимости от отсутствия или наличия взаимодействия между частицами дисперсионной фазы и дисперсной среды различают свободнодисперсные коллоиды ‒ золи и связнодисперсные – гели.

В золях дисперсная фаза образована частицами, называемыми мицеллами, которые практически нерастворимы в дисперсной среде.

Строение мицеллы можно рассмотреть на примере обменной реакции, которая наблюдается в разбавленных растворах при небольшом избытке одного из реагентов.

Пример 1. Как представить условной химической формулой строение мицеллы золя, полученного в результате взаимодействия КI с избытком AgNO₃?

Решение. Запишем уравнение взаимодействия указанных веществ в молекулярном и ионно‒молекулярном виде:

AgNO₃ + KI ® AgI¯ + KNO₃

 избыток

Ag⁺ + NO₃^‒ + K⁺ + I^‒ ® AgI¯ + K⁺ + NO₃^‒

Мицелла состоит из ядра, имеющего кристаллическую или аморфную структуру:

m[AgI]

Образовавшееся ядро коллоидной степени дисперсности является носителем свободной поверхностной энергии, поэтому на его поверхности идет адсорбционный процесс. Обычно адсорбируется ион, входящий в состав ядра и находящийся в избытке. В данном примере ионы серебра – Ag⁺ достраивают структуру ядра, образуя адсорбционный слой, и придают ядру соответственно положительный заряд m[AgI]×nAg⁺, поэтому их называют потенциалопределяющими ионами.

В растворе остаются ионы, заряд которых противоположный заряду потенциалопределяющих ионов – противоионы. В данном примере противоионами являются анионы NO₃^‒, которые электростатически притягиваются потенциалопределяющими ионами адсорбционного слоя. Часть противоионов     (n–x)NO₃^‒ прочно связывается электрическими и адсорбционными силами и входит в адсорбционный слой. Ядро с адсорбционным слоем называется гранулой:

{m[AgI]×nAg⁺× (n‒x)NO₃^‒ }^x+

Гранула имеет заряд потенциалопределяющих ионов, величина которого зависит от числа ионов, вошедших в адсорбционный слой. Оставшаяся часть противоионов образует диффузионный слой. Ядро с адсорбционным и диффузионным слоями называется мицеллой:

{m[AgI]×nAg⁺ ×(n‒x)NO₃^‒ }^x+ × xNO₃^‒

 

Если получать золь йодистого серебра при избытке йодида калия, т.е. при избытке I^‒, то коллоидная частица, благодаря адсорбции ионов nI^‒  на поверхности ядра, получит отрицательный заряд: m[AgI]×nI^‒

                                          гранула

 

{m[AgI]×nI^‒×(n‒x)K⁺ }^х‒×xK⁺

 

                                          мицелла

Числа m, n, x в зависимости от условий приготовления золей могут изменяться в широких пределах, т.е. мицелла не имеет строго определенного состава.

Наличие одноименного заряда у всех гранул является важным фактором его устойчивости. Заряд препятствует слипанию и укрупнению коллоидных частиц. Если такой процесс наблюдается, то это происходит, в основном, вследствие уменьшения свободной поверхностной энергии, и называется он коагуляцией. Достигнув определенных размеров за счет укрупнения, частицы под действием силы тяжести оседают, наблюдается явление седиментации.

Реагент, который находится в избытке, выполняет функции стабилизатора коллоидной системы, а ядро – дисперсной фазы.

Установлено, что коагуляцию можно вызвать повышением температуры, механическим воздействием, высокочастотными колебаниями и т.д., а также введением специальных растворов электролитов. В последнем случае введенные ионы десольватируют ионы диффузионного слоя, способствуют переходу их в адсорбционный слой, при этом достигается полная электрическая нейтрализация гранул – изоэлектрическое состояние системы, и происходит сжатие диффузионного слоя и уменьшение сил электрического отталкивания, а силы межмолекулярного сцепления растут, что способствует слипанию и укрупнению частиц.

Кроме перечисленного выше, коагуляцию можно вызвать добавлением к одному золю другого с противоположным зарядом гранулы: происходит взаимная коагуляция и выпадают в осадок оба золя.

Начальная стадия коагуляции протекает незаметно и называется скрытой коагуляцией. Наименьшее количество электролита, которое вызывает начало явной (заметной) коагуляции, определяет порог коагуляции золя.

Коагулирующая способность электролитов (ионов) неодинакова и может быть определена как величина, обратная порогу коагуляции:

КС = 1/ ПК,

где КС – коагулирующая способность электролитов;

              ПК – порог коагуляции, ммоль/л.

Согласно правилу Шульца-Гарди: чем выше заряд коагулирующего иона, тем больше выражена его коагулирующая способность, тем ниже порог коагуляции.

Коагулирующим действием обладает лишь тот ион электролита, который несет заряд, противоположный заряду гранулы.

Часто наблюдается процесс, обратный коагуляции – переход коагулята в золь, называемый пептизацией или дезагрегацией.

Связнодисперсные системы – гели – твердообразны. Они возникают при контакте частиц дисперсной фазы, приводящем к образованию структуры в виде каркаса или сетки. Такую систему можно рассматривать как дисперсную среду в дисперсной фазе. Подобные структуры ограничивают текучесть дисперсной системы и придают ей способность сохранять форму.

Переход золя в гель, происходящий в результате понижения устойчивости золя, называется гелеобразованием.

Пример 2. Мицелла золя гидроксида меди (II) имеет вид:

{m[Cu(OH)₂]·nOH^‒·(n‒x)Na⁺}^x‒·xNa⁺. Из приведенных ниже ионов составьте ряд ионов‒коагуляторов для этой коллоидной системы: Fe³⁺; SiO₃^2‾; РО₄^3‒; Сl^‒; К⁺; Сa²⁺; NО₃^‒. Для какого из ионов порог коагуляции наименьший?

Решение. Согласно правилу Шульца‒Гарди коагулирующей способностью для данной коллоидной системы обладают ионы Fe³⁺; К⁺; Сa²⁺, так как их заряды противоположны заряду гранулы. Если расположить данные ионы в порядке снижения коагулирующей способности, то этот ряд будет выглядеть следующим образом: Fe^3+; Сa²⁺; К⁺. Соответственно, наименьший порог коагуляции имеет ион Fe³⁺.

 

Контрольные задания согласно варианта из приложения А (таблица А.1)

301. Как представить условной химической формулой строение мицеллы, если: коллоидно‒дисперсная фаза [FeS], ионный стабилизатор K₂S → 2K⁺ + S^2‾. Указать какой из приведенных ниже ионов наиболее эффективный коагулятор для этой коллоидной системы: Al³⁺, РО₄^3‒; Са²⁺, SiO₃^2‾, ОН^‾, Na⁺. Ответ обоснуйте.

302. Как представить условной химической формулой строение мицеллы золя, полученного в результате взаимодействия К₂S c избытком ZnSO₄? Какой из приведенных ионов будет наиболее подходящим коагулятором для этой коллоидной системы: Al³⁺, РО₄^3‒; Са²⁺, SiO₃^2‾, ОН^‾, Na⁺. Почему?

303. Как представить условной химической формулой строение мицеллы золя, полученного в результате взаимодействия AgNO₃ c избытком КBr? Какой из приведенных ионов будет наиболее подходящим коагулятором для этой коллоидной системы: Al³⁺, РО₄^3‒; Са²⁺, SiO₃^2‾, ОН‾, Na⁺. Почему?

304. Как представить условной химической формулой строение мицеллы золя, полученного в результате взаимодействия NaBr c избытком AgNO₃? Какой из приведенных ионов будет наиболее подходящим коагулятором для этой коллоидной системы: Al³⁺, РО₄^3‒; Са²⁺, SiO₃^2‾, ОН‾, Na⁺. Почему?

305. Как представить условной химической формулой строение мицеллы золя, полученного в результате взаимодействия FeCl₃ c избытком KОН? Какой из приведенных ионов будет наиболее подходящим коагулятором для этой коллоидной системы: Al³⁺, РО₄^3‒; Са²⁺, SiO₃^2‾, ОН‾, Na⁺. Почему?

306. Условная формула мицеллы золя кремниевой кислоты имеет вид:

{m[H₂SiO₃]·nSiO₃^2‒·2(n‒x)K⁺}^2x‒·2xK⁺. Из приведенных ниже ионов составьте ряд ионов‒коагуляторов для этой коллоидной системы: Fe³⁺; SiO₃^2‾; РО₄^3‒; Сl^‒; К⁺; Сa²⁺; NО₃^‒. Для какого из ионов порог коагуляции наименьший? Ответ обоснуйте.

307. Как представить условной химической формулой строение мицеллы золя, полученного в результате взаимодействия FeCl₃ c избытком К₂S? Какой из приведенных ионов будет наиболее подходящим коагулятором для этой коллоидной системы: Al³⁺, РО₄^3‒; Са²⁺, SiO₃^2‾, ОН‾, Na⁺. Почему?

308. Условная формула мицеллы золя сульфата бария имеет вид:

{m[BaSO₄]·nBa²⁺·2(n‒x)Cl^‒}^2x+·2xCl^‒. Какой золь из тех, чьи условные формулы приведены ниже, нужно добавить к данному золю, чтобы вызвать взаимную коагуляцию: {m[H₂SiO₃]·nSiO₃^2‒·2(n‒x)K⁺}^2x‒·2xK⁺;

{m[Fe(OH)₃]·nFeO⁺·(n‒x)Cl^‒}^x+·xCl^‒.

Ответ обоснуйте. Какой из приведенных ионов будет наиболее подходящим коагулятором для золя сульфата бария: Al³⁺, РО₄^3‒; Са²⁺, SiO₃^2‾, ОН‾, Na⁺. Почему?

309. Условная формула мицеллы золя кремниевой кислоты имеет вид:

{m[H₂SiO₃]·nSiO₃^2‒·2(n‒x)K⁺}^2x‒·2xK⁺. Какой золь из тех, чьи условные формулы приведены ниже, нужно добавить к данному золю, чтобы вызвать взаимную коагуляцию: {m[Cu(OH)₂]·nOH^‒·(n‒x)Na⁺}^x‒·xNa⁺;

{m[Fe(OH)₃]·nFeO⁺·(n‒x)Cl^‒}^x+·xCl^‒.

Ответ обоснуйте. Какой из приведенных ионов будет наиболее подходящим коагулятором для золя кремниевой кислоты: Al³⁺, РО₄^3‒; Са²⁺, SiO₃^2‾, ОН‾, Na⁺. Почему?

310. Условная формула мицеллы золя гидроксида меди (II) имеет вид:

{m[Cu(OH)₂]·nOH^‒·(n‒x)Na⁺}^x‒·xNa⁺. Какой золь из тех, чьи условные формулы приведены ниже, нужно добавить к данному золю, чтобы вызвать взаимную коагуляцию: {m[BaSO₄]·nBa²⁺·2(n‒x)Cl^‒}^2x+·2xCl^‒;

 

{m[Fe(OH)₃]·nFeO⁺·(n‒x)Cl^‒}^x+·xCl^‒.

Ответ обоснуйте. Какой из приведенных ионов будет наиболее подходящим коагулятором для золя гидроксида меди (II): Al³⁺, РО₄^3‒; Са²⁺, SiO₃^2‾, ОН‾, Na⁺. Почему?

311. Какое строение будет иметь мицелла золя полученного в результате взаимодействия Na₂SiO₃ с избытком НС1? Какой из указанных ионов: C1^‒, Na⁺, А1³⁺, Н⁺, SiO₃^2‒ будет наиболее эффективным коагулятором для этой коллоидной системы? Почему?

312. Как представить условной химической формулой строение мицеллы золя, если коллоидно‒дисперсная фаза [Fe(OH)₃]m, а ионный стабилизатор FeOCl → FeO⁺ + Cl^‒?

Какой из приведенных ионов будет наиболее подходящим коагулятором для этой коллоидной системы: Cl‾, SO₄²‾, Na⁺, Fe²⁺, Fe³⁺? Ответ обоснуйте.

313. Как представить условной химической формулой строение мицеллы, если: коллоидно‒дисперсная фаза [H₂SiO₃]m, ионный стабилизатор K₂SiO₃ → 2K⁺ + SiO₃²‾. Указать какой из приведенных ниже ионов наиболее эффективный коагулятор для этой коллоидной системы: Al³⁺, Са²⁺, SiO₃²‾, ОН‾, Na⁺. Ответ обоснуйте.

314. Как представить условной химической формулой строение мицеллы золя, полученного в результате взаимодействия Na₂SiO₃ c избытком Са(ОН)₂?

Какой из этих ионов будет наиболее эффективным коагулятором для этой коллоидной системы: Al³⁺, Са²⁺, SiO₃²‾, ОН‾, Na⁺. Почему?

315. Мицелла золя гидроксида железа (III) имеет вид:

{m[Fe(OH)₃]·nFeO+·(n‒x)Cl^‒}^x+·xCl^‒. Из приведенных ниже ионов составьте ряд ионов‒коагуляторов для этой коллоидной системы: Fe³⁺; SiO₃^2‾; РО₄^3‒; Сl^‒; К⁺; Сa²⁺; Cu²⁺. Для какого из ионов порог коагуляции наименьший? Ответ обоснуйте.

316. Как представить условной химической формулой строение мицеллы золя, полученного в результате взаимодействия Li₂SiO₃ c избытком HCl? Какой из приведенных ионов будет наиболее эффективным коагулятором для этой коллоидной системы: Al³⁺, РО₄^3‒; Са²⁺, SiO₃^2‾, ОН‾, Na⁺. Почему?

317. Как представить условной химической формулой строение мицеллы золя, полученного в результате взаимодействия HCl c избытком AgNO₃? Какой из приведенных ионов будет наиболее эффективным коагулятором для этой коллоидной системы: Al³⁺, РО₄^3‒; Са²⁺, SiO₃^2‾, ОН‾, Na⁺. Почему?

318. Как представить условной химической формулой строение мицеллы золя, полученного в результате взаимодействия KОН c избытком Cu(NO₃)₂? Какой из приведенных ионов будет наиболее эффективным коагулятором для этой коллоидной системы: Al³⁺, РО₄^3‒; Са²⁺, SiO₃^2‾, ОН‾, Na⁺. Почему?

319. Как представить условной химической формулой строение мицеллы золя, полученного в результате взаимодействия Na₂S c избытком СuCl₂? Какой из приведенных ионов будет наиболее эффективным коагулятором для этой коллоидной системы: Al³⁺, РО₄^3‒; Са²⁺, SiO₃^2‾, ОН^‾, Na⁺. Почему?

320. Как представить условной химической формулой строение мицеллы золя, полученного в результате взаимодействия Bа(ОН)₂ c избытком К₂SO₄? Какой из этих ионов будет наиболее эффективным коагулятором для этой коллоидной системы: Al³⁺, РО₄^3‾; Са²⁺, SiO₃^2‾, ОН^‾, Na⁺. Почему?

 

ТЕМА 17: s‒Элементы (… ns ^1‒2)

Контрольные задания согласно варианта из приложения А (таблица А.1)

321. Составьте электронные и молекулярные уравнения реакций: а) бериллия с раствором щелочи; б) магния с концентрированной серной кислотой, учитывая, что окислитель приобретает низшую степень окисления.

322. При сплавлении оксид бериллия взаимодействует с диоксидом кремния и с оксидом натрия. Напишите уравнения соответствующих реакций. О каких свойствах ВеО говорят эти реакции?

323. Какие соединения магния и кальция применяются в качестве вяжущих строительных материалов? Чем обусловлены их вяжущие свойства?

324. Как можно получить карбид кальция? Что образуется при его взаимодействии с водой? Напишите уравнения соответствующих реакций.

325. Как можно получить гидроксиды щелочных металлов? Почему едкие щелочи необходимо хранить в хорошо закрытой посуде? Составьте уравнения реакций, происходящих при насыщении гидроксида натрия а) хлором; б) оксидом серы SO₃, в) сероводородом.

326. Чем можно объяснить большую восстановительную способность щелочных металлов. При сплавлении гидроксида натрия с металлическим натрием последний восстанавливает водород щелочи в гидрид‒ион. Составьте электронные и молекулярное уравнения этой реакции.

327. Какое свойство кальция позволяет применять его в металлотермии для получения некоторых металлов из их соединений? Составьте электронные и молекулярные уравнения реакций кальция: а) с V₂0₅; б) с CaSO₄,. В каждой из этих реакций окислитель восстанавливается максимально, приобретая низшую степень окисления.

328. Какие соединения называют негашеной и гашеной известью? Составьте уравнения реакций их получения. Какое соединение образуется при прокаливании негашеной извести с углем? Что является окислителем и восстановителем в последней реакции? Составьте электронные и молекулярные уравнения.

329. Составьте электронные и молекулярные уравнения реакций: а) кальция с водой; б) магния с азотной кислотой, учитывая, что окислитель приобретает низшую степень окисления.

330. Составьте уравнения реакций, которые нужно провести для осуществления следующих превращений:

Ca → CaH₂ → Ca(OH)₂ → CaCO₃ → Ca(HCO₃)₂

331. Какую степень окисления может проявлять водород в своих соединениях? Приведите примеры реакций, в которых газообразный водород играет роль окислителя и в которых — восстановителя.

332. Напишите уравнения реакций натрия с водородом, кислородом, азотом и серой. Какую степень окисления приобретают атомы окислителя в каждой из этих реакций?

333. Напишите уравнения реакций с водой следующих соединений натрия: Na₂О₂, Na₂S, NaH, Na₃N.

334. Как получают металлический натрий? Составьте электронные уравнения процессов, проходящих на электродах при электролизе расплава NaOH.

335. Какие свойства может проявлять пероксид водорода в окислительно‒восстановительных реакциях? Почему? На основании электронных уравнений напишите уравнения реакций Н₂О₂: а) с Аg₂О; б) с К1.

336. Почему пероксид водорода способен диспропорционировать (самоокисляться — самовосстанавливаться)? Составьте электронные и молекулярные уравнения процесса разложения Н₂О₂.

337. Как можно получить гидрид и нитрид кальция? Напишите уравнения реакций этих соединений с водой. К окислительно‒восстановительным реакциям составьте электронные уравнения.

338. Назовите три изотопа водорода. Укажите состав их ядер. Что такое тяжелая вода? Как она получается и каковы ее свойства?

339. Гидроксид какого из s‒элементов проявляет амфотерные свойства? Составьте молекулярные и ионно‒молекулярные уравнения реакций этого гидроксида: а) с кислотой, б) со щелочью.

340. При пропускании диоксида углерода через известковую воду [раствор Са(ОН)₂] образуется осадок, который при дальнейшем пропускании СО₂ растворяется. Дайте объяснение этому явлению. Составьте уравнения реакций.