Лабораторна робота № 6 «одержання та коагуляцiя золів»

Перш ніж приступати до виконання лабораторної роботи, потрібно ознайомитись з методами одержання, стійкістю та властивостями золів, зрозуміти принципи утворення колоїдних міцел, вміти писати їхні формули та визначати складові частини: ядро, потенцiалвизначаючi iони, протиiони, частинка, адсорбцiйний та дифузний шари iонiв, мiцела. Слiд також ознайомитися з правилами коагуляцiї золів електролiтами, факторами стiйкості та методами руйнування колоїдних систем, залежнiстю порога коагуляцiї вiд природи та концентрацiї електролiта, що спричиняє коагуляцію.

Стислі теоретичні відомості

Основними ознаками колоїдного стану твердої речовини у системі є гетерогенність та дисперсність системи. Подрібнена речовина утворює дисперсну фазу, а безперервне середовище, в якому вона розподілена, називається дисперсійним середовищем.

Частинки дисперсної фази є не окремими молекулами, а агрегатами молекул. Розміри частинок дисперсної фази колоїдної системи суттєво більші за розміри молекул та іонів в істинних розчинах. Дисперснi ультрамiкрогетерогеннi системи з розмiрами часток дисперсної фази
10^–9–10^–7 м, що рiвномiрно розподiленi у дисперсiйному рідкому середовищi, називаються колоїдними розчинами або лiозолями. Таким системам притаманні сповільнена дифузія, малий осмотичний тиск, опалесценція, коагуляція (злипання часток) та електрофорез.

Колоїдні розчини можуть бути отримані шляхом диспергування або внаслідок процесів фізичної та хімічної конденсації. Фізична конденсація частинок дисперсної фази досягається утворенням її пересичених розчинів у відповідному дисперсійному середовищі. При хімічній конденсації частинки дисперсної фази з’являються у системі внаслідок перебігу в ній хімічної реакції: іонного обміну, гідролізу або окисно-відновного процесу за умови, що в результаті такої реакції утворюється малорозчинна сполука – ядро майбутньої міцели.

Для приготування колоїдного розчину шляхом хімічної конденсації необхідно проводити реакцію при низьких концентраціях реагентів (10^–5 – 10^–3 моль/дм³) для утворення наночасток (10^–9 – 10^–7 м), використовуючи при цьому значний надлишок одного з реагентів для того, щоб на поверхні кристалу (ядра) утворився подвійний електричний шар – основний чинник агрегативної стійкості.

Як приклад, розглянемо механізм утворення міцели колоїдного розчину хлориду срібла за реакцією AgNO₃ + KCl = AgCl¯ + KNO₃ при надлишку KCl та її будову. Якщо проводити цю реакцію при еквімолярних співвідношеннях речовин, то відбудеться осадження AgCl, але колоїдна система при цьому не утвориться. Якщо ж до розведеного розчину AgNO₃ додати надлишок KCl, то у системі з’явиться велика кількість центрів кристалізації – ядер AgCl. Ядро кожної частинки цього золю складається з великої кількості (m) молекул AgCl. За правилом Панета-Фаянса на поверхні ядра з розчину завжди адсорбуються однойменні іони, щоб добудувати кристалічну решітку ядра міцели. Оскільки в розчині у надлишку KCl, на поверхні ядра AgCl накопичується деяка кількість (n) іонів Cl^–, які будуть в цьому випадку потенціалвизначаючими іонами (ПВІ). При цьому поверхня ядра набуває негативного заряду. До негативно зарядженої поверхні під дією електростатичних сил притягуються позитивно заряджені протиіони К⁺ також у кількості (n). Частина цих протиіонів (n – х) буде розміщена ближче до частинки в адсорбційному шарі, а частина (х) – далі від ядра, в об’ємі розчину. Таким чином, ядро, ПВІ та частина протиіонів, що розміщені у нерухомому відносно ядра шарі, складають частинку (гранулу) міцели (рис. 21). Частинка золю має заряд, проте міцела в цілому завжди є електронейтральною.

Міцели колоїдних розчинів наводять у вигляді специфічної формули. Починають запис формули з утвореного ядра міцели, далі записують потенціалвизначаючі іони (ПВІ), після них зазначають протиіони. Особливістю такого запису є те, що в ньому зображують структуру утвореної міцели, розподіляючи протиіони між адсорбційним та дифузним шарами, що дає можливість показати заряджену частинку міцели (гранулу), відокремлюючи її фігурними дужками.

Рис. 21. Формула міцели AgCl та схема її будови

Золі можуть існувати і при цьому бути стійкими у разі, коли виконуватимуться три умови: малий розмір частинок (запобігає осіданню); наявність електричного заряду (запобігає коагуляції); сольватація частинок (запобігає їх подальшому росту).

Особливе значення мають способи одержання колоїдних систем, засновані на пептизації. При пептизації високодисперсні частинки осаду, що утворилися в результаті хімічної реакції, диспергуються до колоїдного стану. Для цього їх обробляють такими реагентами, які сприяють утворенню на поверхні частинок подвійного електричного шару (ПЕШ), внаслідок чого частинки набувають заряду і диспергуються у дисперсійному середовищі. Витрати енергії на таке утворення золю значно менші, ніж при диспергуванні твердого тіла. За механізмом утворення ПЕШ пептизацію поділяють на адсорбційну та диссолюційну. Чим більш ліофільним є осад і чим менше часу пройшло з моменту коагуляції, тим ефективнішою є пептизація.

Стійкість дисперсійної системи характеризується здатністю зберігати в часі свої основні параметри: дисперсність та рівноважний розподіл дисперсної фази в дисперсійному середовищі. Термодинамічно стійкими є лише ліофільні системи, які здатні утворюватись в результаті самочинного диспергування (D G < 0). Лiофобнi системи мають бiльший запас вiльної поверхневої енергiї, тому вони термодинамiчно нестiйкi і не здатні диспергуватись самочинно (D G > 0). Такі системи схильні до агрегації частинок, що призводить до зменшення міжфазної поверхнi і, як наслідок, до зменшення вiльної поверхневої енергiї. Укрупнення частинок дисперсної фази шляхом їх злипання називається коагуляцією. Таким чином, у ліофобних системах процес злипання часток (коагуляція) є термодинамічно вигідним і самочинним.

Коагуляція призводить до порушення агрегативної та седиментаційної стійкості, наслідком чого є випадання осаду. Коагуляцію можна спричинити зміною температури, рН розчину, введенням у систему електролітів, перемішуванням, дією сонячного світла та ін.

Найефективнішим методом коагуляції є введення в систему електролітів. Будь-який електроліт при певній концентрації може спричинити коагуляцію. Важливо лише те, щоб концентрація електроліту в системі була достатньо великою для стиснення подвійного електричного шару та зниження енергетичного бар’єру, який запобігає злипанню частинок при їх наближенні. Поріг коагуляції γ – це найменша концентрація електроліту, яка необхідна для початку коагуляція золю. Він вимірюється в моль-екв/м³.

Гарді встановив, що коагуляцію золю викликають лише іони, протилежні за знаком до заряду колоїдної частинки. Таким чином, коагуляція золів з негативно зарядженими частинками відбувається лише під впливом катіонів, а коагуляція золів з позитивно зарядженими частинками – лише під впливом аніонів.

Відповідно до правила Шульце-Гарді (правило валентності – значності) коагулююча сила іона тим більша, чим більша його валентність. При цьому коагулююча сила іона зростає значно швидше, ніж його валентність. Це емпіричне правило підтверджується теорією ДЛФО, згідно з якою поріг коагуляції обернено пропорційний шостому степеню валентності коагулюючих іонів: ~ . Таким чином, поріг коагуляції тим менший, чим вища валентність коагулюючого іона.

Метою роботи є одержаннязолів різними методами, встановлення заряду колоїдних частинок, визначення порогу коагуляції золів.

Робота 6.1.Приготування золів

Хід виконання роботи

1. Відповідно до номеру бригади згідно із завданнями табл. 6.1 написати у протокол роботи наведені нижче прописи приготування вказаних золів. Після кожного пропису залишити вільними чотири рядки для запису спостережень, рівнянь реакцій та формул міцел золів.

2. Точно за прописами провести досліди. Для кожного з отриманих золів записати спостереження і рівняння реакції, за якою він був отриманий. Обов’язково зазначити, який із реагентів був взятий у надлишку, і навести формулу утвореної міцели. При визначенні надлишку

Таблиця 6.1. Завдання до виконання роботи

 

№	Бригада №	Розділ / Завдання
	Фiзична конденсацiя (замiна розчинника)
І - ІІІ	А. Золь канiфолi у водi.
ІV - VI	Б. Золь сiрки у водi.
	Хiмiчна конденсацiя
2.1	Метод окисно-вiдновних реакцiй
І, ІІІ, V	А. Золь металічного срiбла.
ІІ, ІV, VI	Б. Золь дiоксиду мангану.
2.2	Метод реакцiй обмiну
І	А. Золь iодиду срiбла. З. Золь берлiнської блакитi.
ІІ	Б. Золь iодиду срiбла. Ж. Золь берлiнської блакитi.
ІІІ	В. Золь бромiду срiбла. Е. Золь гексацiано- (II)ферату мiдi.
ІV	Г. Золь бромiду срiбла. Д. Золь гексацiано-(II) ферату кобальту.
V	В. Золь бромiду срiбла. Д. Золь гексацiано-(II) ферату кобальту.
VI	Б. Золь iодиду срiбла. Е. Золь гексацiано-(II) ферату мiдi.
2.3	І - VI	Реакцiї гiдролiзу.
	Отримання золю гiдроксиду залiза (III) пептизацiєю
3.1	І, ІІІ, V	Адсорбцiйна пептизацiя.
3.2	ІІ, ІV, VI	Дисолюцiйна пептизацiя.
	І - VI	Одержання емульсiї

вважати, що в 1 см³ розчинів міститься приблизно 40 крапель.

1. Фiзична конденсацiя (замiна розчинника)

А. Золь канiфолi у водi.

До 50 см³ води додають при безперервному перемiшуваннi 10–15 крапель 10 % – го спиртового розчину канiфолi (з крапельницi). При цьому утворюється «бiлий» золь канiфолi з негативно зарядженими колоїдними частками. Золь опалесцiює.

 

Б. Золь сiрки у водi.

До 50 см³ води додають пiпеткою при перемiшуваннi 1 см³ насиченого розчину сiрки в ацетонi. Утворюється блакитно-бiлий золь опалесцiюючої сiрки у водi з негативно зарядженими колоїдними частинками.

 

В. Золь парафiну.

До 50 см³ води додають пiпеткою при перемiшуваннi 1 см³ насиченого розчину парафiну в етанолi. Утворюється золь парафiну у водi з негативно зарядженими колоїдними частинками, який опалесцiює.

Хiмiчна конденсацiя