Агрегативна стійкість і коагуляція колоїдних розчинів

Агрегативна стійкість колоїдних систем обумовлена електростатичним відштовхуванням однойменно заряджених частинок, дією сил неелектростатичного характеру, зв¢язаних з наявністю сольватних оболонок на поверхні частинок, та розклинюючою дією середовища. Великий вплив на агрегативну стійкість дисперсних систем має співвідношення міжмолекулярних сил притягання і сил електростатичного відштовхування.

Порушення агрегативної стійкості колоїдних розчинів у бік збільшення частинок внаслідок їх злипання під дією молекулярних сил притягання називається коагуляцією. Коагуляція колоїдних частинок може бути викликана старінням системи, зміною концентрації дисперсної фази, температури, введенням колоїдних частинок протилежного знаку заряду або електролітів.

Найбільш важливою є коагуляція колоїдів електролітами. Експериментально встановлені закономірності коагуляції, відомі під назвою правил коагуляції. Основними з них є:

1. Будь-який електроліт, введений в певній кількості, може визвати коагуляцію ліофобного золю.

2. Для початку коагуляції необхідно, щоб концентрація електроліту перевищила деяку мінімальну величину, яку називають порогом коагуляції (С_К). Поріг коагуляції – це мінімальна кількість електроліту, необхідна для швидкої коагуляції 1 м³ золю. Розрахувати поріг коагуляції можна за рівнянням

                                        С_К =  ,                            (2.20)

де n – кількість моль-еквівалентів електроліту, доданого до колоїдного розчину, яку визначають за формулою

                                          n = ;                              (2.21)

V _{заг .} – загальний об¢єм золю і доданого електроліту.

Тоді                                С_К = ,                            (2.22)

де V _{ел .} – об¢єм електроліту, мл; V _{з .} – об¢єм золю, мл.

3. Коагулюючою дією володіє лише той іон електроліту, заряд якого протилежний заряду колоїдної частинки. Чим більше заряд іону, тим сильніша його коагулююча здатність. Ця закономірність була встановлена Шульце і Гарді. Залежність порога коагуляції ліофобних золів від заряду іона описується рівнянням

                                   С_К^І: С_К^ІІ: С_К^ІІІ = 1: .              (2.23)

Коагулююча здатність іонів однакового заряду зростає зі збільшенням радіуса іона.

4. Коагулююча дія органічних іонів зростає зі збільшенням адсорбційної здатності.

5. При коагуляції спостерігається зниження електрокінетичного потенціалу до критичної величини (~0,03 В).

Певне значення має взаємна коагуляція колоїдних розчинів. Будь-який стійкий золь можна розглядати як електроліт, у якого один з іонів має великий заряд і масу. При змішуванні двох колоїдних розчинів відбувається їх взаємна коагуляція. При цьому загальна кількість позитивних зарядів у частинок одного колоїдного розчину повинна дорівнювати загальній кількості негативних зарядів у частинок другого колоїда. Але електростатичне притягання частинок – не єдина умова взаємної коагуляції колоїдних розчинів. Можливо, що між частинками колоїдів виникає адсорбційна і хімічна взаємодія, бо коагулювати можуть і однойменно заряджені золі, які розрізняються природою дисперсної фази і складом іонної атмосфери.

Дуже часто треба не зруйнувати, а захистити колоїдні розчини від коагуляції. Невеликі добавки поверхнево-активних речовин впливають на агрегативну стійкість колоїдних систем. У ряді випадків відбувається пептизація дисперсної фази, тобто збільшення кількості дрібних частинок, що беруть участь у створенні коагуляційної структури. В інших випадках, наприклад, у процесі кристалізації молекули поверхнево-активної речовини вибірково адсорбуються на гранях виникаючих зародків нової фази, змінюють форму кристалів і уповільнюють їх зростання. Цей ефект адсорбційного модифікування приводить до підвищення дисперсності.

В якості поверхнево-активних речовин для стабілізації золей використовують желатин, казеін, крохмаль, гемоглобін тощо.

Розв ¢ язання типових задач

Задача 1. У пробірки, що містять по 10 мл золю, додали: у першу – 1 мл 0,1н. розчину Al(NO₃)₃, у другу – 3 мл 1н. розчину Ca(NO₃)₂, у третю – 5 мл 10н. розчину KNO₃. В усіх пробірках відбулася коагуляція. Визначте, який заряд мали частинки золю.

Розв¢язання. Визначимо пороги коагуляції електролітів за рівнянням (2.22)

С_К = .

Тоді                             С_{К, 1} =

С_{К ,2} =

С_{К, 3} =

Таким чином, пороги коагуляції Al(NO₃)₃, Ca(NO₃)₂ і KNO₃ відповідно дорівнюють 9,09^. 10^-3; 0,23; 3,33 моль-екв/л. Оскільки аніони в усіх електролітів однакові, а пороги коагуляції різні, то коагулюючими іонами будуть катіони електролітів. Отже, частинки золю мають негативний заряд.

Задача 2. Визначте, скільки мілілітрів 1 н. розчину CaCl₂ необхідно взяти для коагуляції негативно зарядженого золю, якщо коагуляція даного золю може бути визвана 100 мл 1 н. розчину NaCl.

Розв¢язання. Оскільки частинки золю мають негативний заряд, то коагулюючими іонами будуть катіони електролітів, які мають різні заряди. Визначимо кількість моль-еквівалентів NaCl, що визиває коагуляцію золю за формулою (2.21)

           n_NaCl =

Знаючи, що С_К^І : С_К^ІІ = 1: , розрахуємо кількість моль-еквівалентів CaCl₂, яка визиватиме коагуляцію золю.

                   .

Звідси

                 

Об¢єм CaCl₂, який визиватиме коагуляцію золю, визначимо за рівнянням

                   

Задача 3. Розрахуйте, який об¢єм 0,1 н. розчину AlCl₃ треба взяти для коагуляції золю AgI (стабілізатор – AgNO₃), якщо на його коагуляцію витрачено 5 мл 0,2 н. розчину CaCl₂.

Розв¢язання. Визначимо заряд колоїдних частинок, для чого напишемо формулу міцели золю AgI.

                  {[mAgI] n Ag⁺(n-x) NO₃^-}⁺xNO₃^-.

Колоїдні частинки золю мають позитивний заряд. Тоді коагулюючими іонами електролітів будуть аніони.

Розрахуємо кількість моль-еквівалентів CaCl₂, яка визиває коагуляцію золю.

                

Оскількі аніони обох електролітів мають однаковий заряд, то поріг коагуляції AlCl₃ буде дорівнювати порогу коагуляції CaCl₂. Об¢єм розчину AlCl₃ визначимо за рівнянням

                

 

Задачі для практичних занять, самостійної роботи

(домашніх завдань) та контрольних робіт

1. Коагуляція золю AgI (стабілізатор KI) відбувається при додаванні 15 мл 0,01 н. розчину Al(NO₃)₃. Визначте, який об¢єм 0,01 н. розчину Ca(NO₃)₂ треба додати, щоб визвати коагуляцію цього золю.

2. Щоб визвати коагуляцію 10 мл золю, додали в першому випадку 20 мл 0,5 н. розчину NaCl, у другому – 12 мл 0,05 н. розчину K₂SO₄, у третьому – 0,5 мл 0,01 н. розчину K₃PO₄. Визначте, який заряд мають частинки золю.

3. Який об¢єм 0,1 н. розчину Al₂(SO₄)₃ треба додати для коагуляції 10 мл золю Al₂S₃? Поріг коагуляції дорівнює 19,35^.10^-3 моль-екв/л.

4. Для коагуляції золю {[mAgI] n Ag⁺(n-x) NO₃^-}⁺xNO₃^- необхідно додати 1,5 мл 1 н. розчину KNO₃. Визначте, який об¢єм 0,1 н. розчину Ca(NO₃)₂ або 0,01 н. розчину Al(NO₃)₃ треба додати, щоб визвати коагуляцію золю.

5. Визначте, який об¢єм 1 н. розчину AlCl₃ або 1 н. розчину CaCl₂ необхідно узяти для коагуляції золю з негативно зарядженими частками, якщо його коагуляція була визвана 10 мл 0,1 н. розчину KCl.

6. Визначте орієнтовний поріг коагуляції золю 1 н. розчином AlCl₃, якщо для коагуляції 20 мл цього золю знадобилось 10 мл 0,1 н. розчину CaCl₂ або 10 мл 1 н. розчину KCl.

7. Визначте, який об¢єм 1 н. розчину К₃РО₄ треба додати, щоб відбулася коагуляція золю, якщо для коагуляції певної кількості даного золю знадобилось 5 мл 0,1 н. розчину К₂SO₄ або 2 мл 0,25 н. розчину KCl. Який заряд мають колоїдні частинки золю?

8. Коагуляція золю АgІ (стабілізатор КІ) відбулася при додаванні 0,1 мл 0,5 н. розчину Al(NO₃)₃. Який об¢єм 0,01 н. розчину Ca(NO₃)₂ або 1 н. розчину KNO₃ треба додати, щоб відбулась коагуляція цього золю?

9. Знайдіть орієнтовний поріг коагуляції золю NiS (стабілізатор Н₂S) 1 н. розчином Al(NO₃)₃, якщо для коагуляції 10 мл цього золю знадобилось 5 мл 0,1 н. розчину Сa(NO₃)₂ або 5 мл 1 н. розчину NaCl.

10. Який об¢єм 0,01 н. розчину K₂Cr₂O₇ треба додати до 1 л золю Al₂O₃, щоб визвати його коагуляцію? Поріг коагуляції золю дорівнює 0,65^.10^-3 моль-екв/л.

11. У скільки разів зменшиться поріг коагуляції золю As₂S₃, якщо для коагуляції 10 мл золю замість 1,2 мл 0,5 н. розчину NaCl узяти 0,4 мл 0,036 н. розчину MgCl₂ або 0,1 мл 0,01 н. розчину AlCl₃?

12. На коагуляцію 30 мл золю NiS (стабілізатор H₂S) пішло 6 мл 3 н. розчину K₂SO₄. Розрахуйте поріг коагуляції цього золю розчином Al₂(SO₄)₃.

13. Визначте об¢єми електролітів, необхідних для коагуляції золю Fe(OH)₃ (стабілізатор NaOH),  якщо замість 10 мл 0,1 н. розчину KCl узяти 1 н. розчин СaCl₂ або 1 н. розчин AlCl₃.

14. Щоб визвати коагуляцію золю Fe(OH)₃, до 10 мл золю додали у першому досліді 1,05 мл 1 н. розчину КСl, у другому – 6,25 мл 0,01 н. розчину Na₂SO₄, а у третьому – 3,7 мл 0,001 н. розчину Na₃PO₄. Визначте знак заряду частинок золю.

15. На коагуляцію 20 мл негативно заряджених частинок золю пішло 4 мл 3 н. розчину КСl. Розрахуйте пороги коагуляції золю розчинами KCl та AlCl₃. Скільки KCl та AlCl₃ (кг) потрібно для коагуляції 100 м³ цього золю?

16. Для коагуляції 5 мл золю треба відповідно по 5 мл 1,8 н. розчину KCl, 0,08 н. розчину CaCl₂ і 0,006 н. розчину AlCl₃. Визначте заряд колоїдних частинок.

17. Визначте об¢єм 0,01 н. розчину K₂Cr₂O₇, який треба додати до 1 л золю Al(OH)₃, щоб визвати його коагуляцію. Поріг коагуляції цього золю дорівнює 0,63^.10^-3 кмоль/м³.

18. У три колби було налито по 100 мл золю Fe(OH)₃. Для коагуляції цього золю у першу колбу додали 10,5 мл 1 н. розчину KCl, в другу – 62,5 мл 0,01 н. розчину Na₂SO₄, у третю – 37 мл 0,001 н. розчину Na₃PO₄. Визначте знак заряду частинок золю.

19. Для коагуляції золю Fe(OH)₃ до 5 мл золю необхідно додати 4 мл 3 н. розчину NaCl або 0,5 мл 0,01 н. розчину Na₂SO₄. Визначте знак заряду частинок золю.

20. Визначте об¢єм 0,1 н. розчину Na₃PO₄, який треба додати, щоб відбулася коагуляція золю. Відомо, що для коагуляції цього золю знадобилось 10 мл 0,1 н. розчину Na₂SO₄ або 5 мл 0,2 н. розчину NaCl. Який заряд мали частинки золю?

21. Для коагуляції золю CoS (стабілізатор H₂S) знадобились 10 мл 0,1 н. розчину NaCl. Визначте об¢єми 1 н. розчинів FeCl₃ і CaCl₂, які необхідні для коагуляції цього золю.

22. Гідрозоль AgI отримали шляхом змішування рівних об¢ємів 0,008 н. розчину KI і 0,01 н. розчину AgNO₃. Коагуляція отриманого золю відбувається при додаванні 8 мл 0,1 н. розчину KCl. Визначте об¢єм 0,2 н. розчину CaCl₂, який треба додати до золю, щоб відбулася його коагуляція.

23. Для коагуляції 15 мл золю знадобилось 10 мл 1 н. розчину NaNO₃, 3 мл 1 н. розчину Ca(NO₃)₂ та 3 мл 0,1 н. розчину Fe(NO₃)₃. Визначте заряд колоїдних частинок золю.

24. Визначте об¢єм 1 н. розчину  NaNO₃, який треба додати до золю Ca(OH)₂ (стабілізатор КОН), щоб визвати коагуляцію цього золю. Відомо, що його коагуляція відбувається при додаванні 2 мл 1 н. розчину MgCl₂.

25. Знайдіть орієнтовний поріг коагуляції золю 1 н. розчином Fe(NO₃)₃, якщо відомо, що для коагуляції 10 мл цього золю знадобилось 5 мл 0,1 н. розчину Ca(NO₃)₂ або 5 мл 1 н. розчину NaNO₃.

 

Л І Т Е Р А Т У Р А

 

1. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. – Л.: Химия, 1984. – 386 с.

2. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1982. – 400 с.

3. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1975. – 512 с.

4. Усков И.А., Еременко Б.В., Пилипенко С.С. и др. Коллоидная химия. – К.: Высш. шк., 1988. – 167 с.

5. Расчеты и задачи по коллоидной химии. / Под ред. В.И. Барановой – М.: Высш. шк., 1989. – 288 с.

6. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. / Под ред. Ю. Г. Фролова, А.С. Гродского – М.: Химия, 1986. – 216 с.

7. Шутова А.И. Задачник по коллоидной химии. – М.: Высш. шк., 1966. – 87 с.  

 

 

ЗМІСТ

 

В С Т У П.. 3

1. ПОВЕРХНЕВІ ЯВИЩА.. 4

1.1. Адсорбція. 4

1.2. Змочування. 8

2. ДИСПЕРСНІ СИСТЕМИ.. 19

2.1. Колоїдні розчини. Будова колоїдних міцел. 19

2.2. Властивості колоїдних розчинів. 26

           2.2.1. Оптичні властивості колоїдних розчинів. 26

           2.2.2. Молекулярно-кінетичні властивості колоїдних розчинів. 28

           2.2.3. Електричні властивості колоїдних розчинів. 43

           2.2.4. Агрегативна стійкість і коагуляція колоїдних розчинів. 44

 Л І Т Е Р А Т У Р А…………………………………………………….53

 

Навчальне видання