Физико-химия дисперсных систем

КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ: ПОЛУЧЕНИЕ, СВОЙСТВА,

СТРОЕНИЕ КОЛЛОИДНЫХ ЧАСТИЦ

УСТОЙЧИВОСТЬ

И КОАГУЛЯЦИЯ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Цель занятия:

1. Освоить методы получения коллоидных растворов, изучить свойства и строение коллоидных частиц.

2. Изучить влияние электролитов на устойчивость коллоидных растворов и правила коагуляции.

План занятия:

1. Разбор и закрепление теоретического материала.

2. Решение задач по теме занятия.

3. Выполнение лабораторных работ.

a. Получение гидрофобных коллоидных растворов.

b. Определение порога коагуляции коллоидных растворов.

4. Отчет по выполненной работе.

Основные вопросы, разбираемые на занятии:

1. Понятие коллоидных растворов. Дисперсная система. Дисперсная фаза. Дисперсионная среда. Золь.

2. Классификация коллоидных растворов:

а) в зависимости от типа дисперсной среды;

б) в зависимости от характера взаимодействия частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды.

3. Строение коллоидных частиц.

4. Методы получения коллоидных растворов (золей).

5. Методы очистки коллоидных частиц.

6. Свойства коллоидных растворов:

а) молекулярно-кинетические;

б) оптические;

в) электрические;

г) электрокинетические.

7. Устойчивость и коагуляция коллоидных растворов:

а) факторы устойчивости коллоидных растворов;

б) виды устойчивости коллоидных растворов;

в) кинетика коагуляции;

г) правила коагуляции.

8. Биологическая роль коллоидных растворов.

Ключевые вопросы темы:

Система, состоящая из растворенного вещества, равномерно распреде­ленного в какой-либо среде, называется дисперсной системой. Дисперсные системы, у которых вещество раздроблено до частиц размером 10^-5см, находящихся в жидкой среде во взвешенном состоянии, называются колло­идными растворами (золями). Раздробленное вещество называется дис­персной фазой, а среда, в которой эти частицы взвешены, дисперсионной средой. Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов называются ми­целлами.

Коллоидные системы могут быть получены двумя методами:

 

1. Конденсацией - создание условий, когда атомы или молекулы агрегируют - соединя­ются в агрегаты коллоидной степени дисперсности.

 

2. Диспергированием - дробление грубодисперсных веществ на более мел­кие частицы.

Для получения устойчивых золей необходимо наличие небольшого количества стабилизатора. Стабилизаторами обычно являются электролиты, ионы которых образуют на поверхности ядра двойной электрический слой. На поверхности ядра прочно адсорбируются потенциалопределяющие ионы, образующие с частью противоположных по знаку ионов (противоионов) адсорбционный слой. Остальная часть противоионов образует подвижный диф­фузный слой. Например, мицелла золя йодида серебра, полученного по реак­ции избытка KJ с AgN0₃, имеет следующее строение:

AgNО₃ + KI → AgI ↓ + KNО₃

^{избыток}

nAgNО₃ ↔ nAg⁺ + n NO₃‾

{ m[AgI] nAg⁺ (n - x)NO₃‾ }^{+ x} x NO₃‾

^{ядро адсорбционный слой дифф. слой}

^{гранула}

Мицелла электронейтральна, гранула же несет электрический заряд. Электростатическое отталкивание одноименно заряженных гранул является причиной устойчивости гидрофобных золей. Заряженные гранулы в электрическом поле передвигаются к соответствующему электроду. Явление передвижения частиц дисперсной фазы в электрическом поле называется электрофорезом. Явление электрофореза используется для определения знака заряда коллоидных частиц, величины электрокинетического потенциала (дзета-потенциала), который образуется на границе адсорбционного и диффузного слоев.

Для очистки коллоидных растворов от избытка электролитов служат методы диализа, ультрафильтрации. Диализ основан на применении мембран, проницаемых для ионов и молекул и непроницаемых для коллоидных частиц. По одну сторону мембраны находится диализуемый коллоидный раствор, а по другую - вода.

Количество электролита, необходимое для стабилизации данного золя, строго ограничено. Избыток электролита вызывает нарушение агрегативной устойчивости и приводит к коагуляции. Коагуляцией называется процесс укрупнения коллоидных частиц под действием внешних факторов. Мини­мальная концентрация электролита, которая вызывает явную коагуляцию, называется порогом коагуляции и выражается в миллимолях на литр (ммоль/л) коллоидно­го раствора. Величина, обратная порогу коагуляции, называется коагулирующей силой. Процесс электролитной коагуляции подчиняется правилу значности и валентности, выведенному Шульце и Гарди. Согласно этому правилу коагуляцию вызывает ион, знак заряда которого противоположен заряду гранулы. Чем больше заряд иона, вызывающего коагуляцию, тем меньше порог коагуляции и, следовательно, больше коагулирующая сила данного иона.

Коллоидные растворы широко распространены в природе. Биологические жидкости организма - кровь, плазма, лимфа, спинномозговая жидкость представляют собой коллоидные системы, в которых белки, гликоген и др. находятся в коллоидном состоянии.

Коллоиды различных тканей организма обуславливают разнообразие их свойств. В биологических лабораториях пользуются диализом для освобождения растворов белков от низкомолекулярных веществ. Принцип диализа положен в основу работы аппарата, получившего название «Искусственной почки", при помощи которого можно освобождать кровь от продуктов обмена веществ и временно замещать функцию больной почки.

Лабораторные работы, выполняемые на занятии

ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРОФОБНЫХ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ.

Получение золя йодида серебра реакцией обмена.

К 10 мл раствора 0,002 Н KJ прибавить 1 мл 0,01 Н раствора AgN0₃ и взболтать. Получается золь AgJ с отрицательным зарядом гранулы. Написать формулу мицеллы полученного золя. Проверить эффект Тиндаля.

Получение золя берлинской глазури.

К 20 мл 0,1 % раствора K₄[Fe(CN) ₆] прибавить 5-6 капель 2%раствора FeCl₃. Получается золь, окрашенный в темно-синий цвет.

К 20 мл 2% раствора FeCl₃ прибавить 5-6 капель 0,1% раствора K₄[Fe(CN)]₆. Золь окрашивается в зеленый цвет. Написать формулы мицелл полу­ченных золей.

Получение золя канифоли методом замены растворителя.

К 5 мл воды прибавить 2-3 капли 1 % спиртового раствора канифоли. Образуется бесцветный опалесцирующий золь. Проверить эффект Тиндаля.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОГА КОАГУЛЯЦИИ

КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

В четыре колбочки отмерить по 10 мл коллоидного раствора гидроксида железа и осторожно оттитровать первую колбочку 2 М раствором KCl; вторую - 0,1 М К₂Сr0₄; третью - 0,01 M K₃[Fe(CN) ₆] до появления за­метной на глаз мути. Четвертая колба служит контролем.

Рассчитать порог коагуляции (П_К) для каждого электролита и его коагулирующую силу.

Сделать выводы по работе.

Задачи для самостоятельной работы

1. Какова структура мицеллы золя, если для приготовления его взяты H₂S0₄ и избыток ВаС1₂? Какой из электролитов СаС1₂, А1С1₃, Fe₂(S0₄)₃ будет иметь наименьший порог коагуляции для полученного золя?

2. Какой объем 0,005 Н раствора AgN0₃ надо прибавить к 20 мл 0,015 Н раствора KJ, чтобы получить золь йодида серебра с положительным за рядом гранулы? Написать формулу мицеллы.

3. Золь серы получен путем добавления 5 мл раствора серы в спирте к 10 мл дистиллированной воды. Каким методом получен золь? Чем объясняется, что в проходящем свете золь обладает красноватым, а в отраженном – голубоватым цветом?

4. Золь хромата серебра получен смешением равных объемов нитрата се­ребра и хромата натрия? Написать структуру мицеллы золя. Одинаковы ли исходные концентрации электролитов, если в электрическом поле гранула перемешается к аноду.

5. Пороги коагуляции электролитов для данного золя оказались равными:

П_к (KMnO₄)= 50 ммоль/л, П_к (MgCl₂) = 0,717 ммоль/л

П_к (KC1) = 51 ммоль/л, П_к (A1C1₃) = 0,093 ммоль/л

Определить знак заряда гранулы данного золя.

6. На коагуляцию 10 мл золя AgN0₃ пошло 2 г СаС1₂. Определить величину порога коагуляции.

7. На коагуляцию 15 мл золя Fe(OH)₃ пошло 10 мл раствора 0,2 Н Na₂S0₄. Определить величину порога коагуляции.

 

Литература

1. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. Учебник для медицинских вузов. (Ю.А.Ершов, В.А.Попков, А.С.Берлянд и др. Ред.Ю.А.Ершов), 8 изд., 560 с.- М,: Высш.шк., 2010 г.

2. Практикум по общей химии. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. Учебное пособие для студентов медицинских вузов (Ред. В.А.Попков).- М., Высшая школа, 4 изд., 239 с., 2008 г.

3. Сборник задач и упражнений по общей химии. Учебное пособие. (С.А. Пузаков, В.А. Попков, А.А. Филиппова). М.: Высшая школа, 4 изд., 255 с., 2010г.

4. Общая химия. Учебник для медицинских вузов. (В.А. Попков, С.А. Пузаков), 976 с. - М, ГЭОТАР Медиа, 2007 г.

5. Физическая и коллоидная химия: Курс лекций (Н.Н.Мушкамбаров), – 2-е изд., исправл. – М.: ГЭОТАР – МЕД, 2001. – 384 с.

Занятие № 14