Т е м а: Физико-химия дисперсных систем

 

Примеры решения задач

 

Задача 1. Золь бромида серебра получен смешиванием 0,02 л 0,005н раствора бромида калия и 0,015 л 0,01 н раствора нитрата серебра. Определите заряд частиц полученного золя и напишите формулу его мицеллы.

Решение

При смешивании растворов AgNO₃ и KBr протекает реакция:

AgNO₃ + KBr = AgBr + KNO₃

Формула мицеллы и заряд гранулы золя зависят от того, какой из реагентов взят в избытке. Определяем количество моль AgNO₃ и KBr, участвующих в реакции:

n(АgNO₃) = 0,015×0,01 = 1,5×10⁻⁴ моль;

n(KBr) = 0,020×0,005 = 1×10⁻⁴ моль.

В избытке взят раствор AgNO₃, следовательно, на поверхности ядра коллоидных частиц золя AgBr будут адсорбироваться одноименные с ядром ионы и гранула золя приобретет положительный заряд. Противоионами будут служить ионы .

Формула мицеллы золя такова:

.

Задача 2. Вычислить порог коагуляции для раствора сульфата натрия, если добавление 0,003 л 0,1М Na₂SO₄ вызывает коагуляцию 0,015 л золя.

Решение

Минимальная концентрация электролита в золе, необходимая для того, чтобы вызвать его коагуляцию, называется порогом коагуляции (ммоль/л):

где С _эл - молярная концентрация электролита, моль/л; V _эл - объем электролита, вызывающего коагуляцию, мл; V_з – объем золя, мл.

= 20 ммоль/л.

Разбавлением электролита пренебрегаем.

Задача 3. Какой объем 0,02 н раствора хлорида бария надо добавить к 0,015 л 0,01н раствора сульфата магния, чтобы получить положительно заряженные частицы золя? Напишите формулу мицеллы и укажите, для какого из электролитов NaNO₃ или K₃[Fe(CN)₆] порог коагуляции будет меньшим.

Решение

Образование золя происходит по реакции

BaCl₂ + MgSO₄ = BaSO₄ + MgCl₂.

Вычислим объем раствора BaCl₂, который необходим для реакции, при условии, что исходные вещества реагируют в эквивалентных количествах:

0,0075 л.

Для получения положительных частиц золя BaSO₄ в растворе должен быть избыток хлорида бария по сравнению с сульфатом магния. Следовательно, для получения золя нужно взять более 0,0075 л 0,02 н раствора BaCl₂.

Формула мицеллы золя сульфата бария:

.

Коагуляцию золя вызывают те из ионов прибавляемого электролита, заряд которых противоположен заряду гранулы золя. Следовательно, коагулирующими ионами для данного золя будут анионы и [Fe(CN)₆]³⁻. Согласно правилу Шульце - Гарди, с увеличением валентности коагулирующего иона порог коагуляции должен уменьшаться, т. е. меньший порог коагуляции будет иметь электролит K₃[Fe(CN)₆].

 

 

Вопросы и задания

 

1. Какие методы используются для получения лиофобных коллоидных систем? Охарактеризуйте их сущность.

2. Объясните сущность и приведите конкретные примеры процесса пептизации.

3. Объясните суть конденсационного метода образования золей. Каковы возможности управления данным процессом при получении устойчивого золя?

4. Чем обусловлено броуновское движение частиц дисперсных систем? В каких системах возможно броуновское движение и какие факторы оказывают на него влияние?

5. Объясните сущность седиментационного анализа в применении к коллоидным и грубодисперсным системам?

6. Чем золи отличаются по величине коэффициента диффузии от истинных растворов? По каким экспериментальным данным можно рассчитать его величину?

7. Каким образом можно отличить коллоидные системы от истинных растворов?

8. Что такое изоэлектрическое состояние коллоидной системы? В чем оно проявляется? Приведите строение мицеллы золя сульфата бария в изоэлектрическом состоянии.

9. Что является движущей силой процесса диффузии? Какие факторы оказывают влияние на коэффициент диффузии?

10. Что понимают под кинетической (седиментационной) и агрегативной устойчивостью золей? Какие приемы используют для повышения устойчивости золей?

11. В чем сущность явления перезарядки золей? Какие методы определения заряда частиц золя вам известны?

12. В чем проявляются особенности коагуляции золей под действием смеси электролитов? Объясните сущность явлений аддитивности, синергизма и антагонизма.

13. Сформулируйте правило Шульце - Гарди и поясните его на конкретном примере.

14. В чем проявляются особенности оптических свойств коллоидных систем? Как объяснить, что все предупредительные сигналы имеют красный цвет?

15. Объясните особенности молекулярно-кинетических свойств коллоидных систем.

16. Какой вид устойчивости нарушается в коллоидно-дисперсных системах? В грубодисперсных системах?

17. Объясните сущность и практическое значение процессов электрофореза и электроосмоса.

18. Какие системы называют лиофобными и лиофильными? Приведите примеры.

19. Объясните отличие золей от истинных растворов по величине коэффициента диффузии? По каким экспериментальным данным можно рассчитать его величину?

20. Можно ли определить размеры частиц и их концентрацию в коллоидном растворе по величине осмотического давления?

21. Сравните величины осмотических давлений двух золей одинаковой концентрации, но различной дисперсности: r ₁=3×10^–8 м, r ₂=5,5×10^–8 м.

22. Какие оптические методы используют для определения размера частиц дисперсной фазы? Объясните их сущность.

23. Какие оптические методы используют для определения концентрации дисперсной фазы? Обьясните их сущность.

24. Как будут отличаться интенсивности рассеянного света системой при направлении на нее монохроматических пучков синего (l=410 нм) и красного (l=630 нм) света?

25. Объясните сущность процесса диализа. Почему при длительном диализе может происходить разрушение коллоидной системы? Каким образом явление диализа используется в медицине и биологии?

26. В чем состоит сущность процесса пептизации? Поясните на конкретном примере. Можно ли процесс пептизации рассматривать как метод получения коллоидных систем?

27. Какие методы используются для получения коллоидных растворов? Кратко опишите их сущность.

28. Объясните принцип работы аппарата "искусственная почка". Какое явление лежит в основе его работы?

29. В чем заключается принципиальное отличие ультрамикроскопа от обычного светового микроскопа?

30. К какому типу дисперсных систем (по агрегатному состоянию) можно отнести: дым, туман, облака, минеральную воду, пенопласт, глину в воде, растительное масло в воде, мучную пыль, пену?

31. Как изменяется устойчивость коллоидной системы с повышением температуры?

32. Как будут соотноситься интенсивности рассеянного системой света, если падающий свет имеет длины волн 500 нм и 700 нм?

33. В чем заключаются особенности метода ультрамикроскопии? Какие характеристики дисперсных систем могут быть определены с его помощью?

34. В чем заключаются особенности метода нефелометрии? Какие параметры дисперсной системы можно определить с его помощью?

35. В чем заключаются основные положения электролитной коагуляции золей?

36. Какие факторы влияют на величину электрокинетического потенциала? Как изменится x-потенциал отрицательно заряженных частиц при введении в золь нитрата калия и нитрата алюминия?

37. Объясните сущность электрокинетических явлений в коллоидно-дисперсных системах.

38. Каким образом можно защитить коллоидную систему от коагуляции? Какое практическое применение находит данное явление?

39. Перечислите факторы, при действии которых может наступить коагуляция золей.

40. Объясните механизм коагуляции отрицательно заряженного золя сульфата бария при действии на него хлорида алюминия.

41. В чем состоит сущность явлений "привыкания" и "коллоидной защиты " золей?

42. Какие явления относятся к электрокинетическим?

43. В чем заключается принципиальная разница между диализом и осмосом?

44. В чем сущность правила Пескова - Паннета - Фаянса? Приведите конкретные примеры.

45. Какие условия необходимы для получения золей методом химической конденсации? Какие приемы применяют для очистки золей от присутствующих электролитов?

46. Как расположатся пороги коагуляции в ряду солей: хлорид алюминия, сульфат натрия, хлорид кальция, дигидрофосфат натрия, сульфат магния для отрицательно заряженного золя диоксида кремния? Ответ обоснуйте.

47. Поясните механизм коагуляции золей при действии электролитов на конкретном примере. Покажите, как при этом изменяется x-потенциал.

48. Что такое порог коагуляции и коагулирующая способность электролита? От каких факторов зависит их величина?

49. Золь AgI получен при добавлении 9 мл 0,03 н раствора иодида калия к 15 мл 0,02 н раствора нитрата серебра. Как будут заряжены частицы данного золя и каково их поведение в электрическом поле?

50. Изобразите формулу строения мицеллы золя сульфата бария, полученного взаимодействием равных объемов 0,01 н раствора сульфата калия и 0,02 н раствора хлорида бария. Каким образом можно определить заряд частиц золя?

51. Каково строение мицеллы золя сульфата бария, полученного действием 10 мл 0,01н раствора хлорида бария на 0,01н раствор сульфата калия объемом 15 мл. В каком направлении будут перемещаться частицы этого золя при электрофорезе?

52. Какой объем 0,01 н раствора хлорида бария необходимо добавить к 20 мл 0,02 н раствора сульфата калия для получения отрицательного золя сульфата бария? Приведите строение мицеллы данного золя. (Меньше 40 мл.)

53. Золь сульфида мышьяка получен при избытке сероводорода. Изобразите строение мицеллы данного золя. Как изменится скорость электрофореза при добавлении в систему раствора CaCl₂?

54. К какому электроду будут перемещаться частицы золя Al(OH)₃, стабилизированного раствором хлорида алюминия? Как изменится скорость электрофореза при добавлении в систему раствора сульфата калия?

55. Коэффициент диффузии сферической частицы составляет
2,1×10⁻¹¹ м²/с, а радиус ее равен 1,4×10⁻⁸ м. Рассчитайте вязкость среды при 298 К. (7,42·10^–4 Па·с.)

56. Чтобы вызвать коагуляцию 10 мл гидрозоля сульфида мышьяка (III), потребовалось в каждом случае 0,25 мл 2 н раствора хлорида натрия, 1,3 мл 0,01 н раствора хлорида кальция и 2,76 мл 0,001 н раствора хлорида алюминия. Какой заряд имеют частицы золя? Чему равен порог коагуляции каждого электролита? Напишите формулу мицеллы изучаемого золя.

57. Получены два золя иодида серебра: один из них - приливанием 16 мл 0,05 н раствора нитрата серебра к 20 мл 0,05 н раствора иодида калия, а другой - приливанием 10 мл 0,01 н раствора иодида калия к 7 мл 0,02 н раствора нитрата серебра. Напишите строение мицелл полученных золей. Что произойдет при их сливании в общий сосуд?

58. Золь бромида серебра получен реакцией двойного обмена 16 мл 0,005 н раствора нитрата серебра и 40 мл 0,0025 н раствора бромида калия. Какой из двух электролитов - MgSO₄ или K₃[Fe(CN)₆] - будет иметь больший порог коагуляции для полученного золя?

59. Рассчитайте среднее квадратичное смещение аэрозольной частицы за 15 с, если ее радиус 1×10⁻⁸ м, вязкость среды 1,9×10⁻³ Па×с, температура 298 К. (3,46·10^–10 м²)

60. Рассчитайте коэффициент диффузии частиц коллоидного золота при 20 °С, если радиус частиц равен 1×10⁻⁹ м, а вязкость среды - 1×10⁻³ Па×с. (2,15·10^–10 м²/с)

61. Рассчитайте радиус частиц золя иодида серебра, если известно, что коэффициент диффузии равен 1,2×10⁻¹⁰ м²/с, вязкость среды 1×10⁻³ Па×с, температура 300 К. (1,83·10^–9 м)

62. Рассчитайте коэфициент диффузии коллоидного золота при 45 °С в воде, если радиус его частиц равен 1×10⁻⁹ м, вязкость среды 0,001 Па×с. (2,33·10^–10 м²/с)

63. Для коагуляции 5 мл золя иодида серебра потребовалось 2 мл 0,1 н раствора нитрата бария. Рассчитайте порог коагуляции в ммоль/л золя. (20 ммоль/л)

64. Напишите формулу мицеллы золя бромида серебра, полученного при взаимодействии 10 мл 0,1 н раствора бромида калия и 15 мл 0,05 н раствора нитрата серебра. К какому электроду будут перемещаться частицы данного золя в электрическом поле?

65. Какой из электролитов (Na₃PO₄, K₂SO₄, BaCl₂) будет оказывать большее коагулируюшее действие по отношению к золю Fe(ОН)₃, стабилизированного хлоридом железа?

66. Порог коагуляции гидрозоля золота, вызываемой раствором хлорида натрия, равен 24 ммоль/л, а раствором сульфата калия - 1,15 ммоль/л. Оцените возможные пороги коагуляции для следующих электролитов: CaCl₂, MgSO₄, Al₂(SO₄)₃, Na₃PO₄.

67. Золь иодида серебра получен взаимодействием 10 мл 0,015 н раствора нитрата серебра и 20 мл 0,01 н раствора иодида калия. Для какого электролита (сульфата калия или ацетата кальция) порог коагуляции будет наименьший?

68. Золь сульфида мышьяка получен при взаимодействии 15 мл 0,01 н раствора хлорида мышьяка и 10 мл 0,02 н раствора сероводорода. Напишите строение мицеллы и определите, для какого электролита (KCl, K₂SO₄, MgSO₄, CaCl₂, AlCl₃) будет меньший порог коагуляции.

69. Как будут отличаться пороги коагуляции электролитов NaCl, Ba(NO₃)₂, FeCl₃, K₂SO₄ при их действии на:

а) золь золота, стабилизованного KAuO₂;

б) золь Fe(OH)₃, стабилизованного FeCl₃.

70. Каково строение мицеллы золя сульфата бария, полученного действием 10 мл 0,01 н раствора хлорида бария на 0,01 н раствор сульфата калия объемом 15 мл. Что будет происходить при помещении этого золя в постоянное электрическое поле?

71. Гранула золя сульфата бария в электрическом поле перемещается к отрицательному электроду. Напишите формулу мицеллы данного золя и укажите ионы, способные вызывать коагуляцию данного золя, если на него действовали электролитами: Na₂SO₄, NaCl, CaCl₂, K₃PO₄.

72. Определите коэффициент диффузии красителя конго красного в водном растворе, если при градиенте концентрации равном –0,5 кг/м⁴ за 2 ч через поперечное сечение равное 2,5×10⁻⁴ м² продиффундировала масса вещества равная 4,9×10⁻⁷ кг. (5,44·10^–7 м²/с)

73. Пороги коагуляции электролитов для золя сульфида мышьяка (III) равны:

,

.

Определите заряд гранулы исследуемого золя и отношение коагулирующих способностей ионов.

74. Рассчитайте среднее квадратичное смещение частиц диоксида кремния за 10 с при 25 °С, если радиус частиц равен 2×10⁻⁸м, вязкость среды - 2×10⁻³ Па×с. (1,09·10^–10 м²)

75. Изобразите схемы строения мицелл золя сульфида цинка, образующихся при получении золя по реакции:

ZnSO₄ + (NH₄)₂S = ZnS + (NH₄)₂SO₄,

если выполняются следуюшие условия: а) взят избыток сульфата цинка, б) взят избыток сульфида аммония.

76. В воде содержатся ультрамикроскопические радиоактивные частицы. Для очистки воды от них предложено вводить электролиты: хлорид алюминия или фосфат натрия. Предварительно установлено, что частицы при электрофорезе движутся к катоду. Какой электролит следует предпочесть в данном случае?

77. Укажите, к какому электроду должны двигаться частицы золя гидроксида алюминия, образующиеся при неполном гидролизе хлорида алюминия, стабилизированного продуктом неполного гидролиза хлорида алюминия.

78. Определите к какому электроду должны перемещаться частицы золя, получаемого по реакции при небольшом избытке сероводорода:

2H₃AsO₃ + 3H₂S = As₂S₃ + 6H₂O.

Расположите электролиты АlCl₃, CaCl₂, Na₂SO₄ в порядке возрастания порогов коагуляции при действии на данный золь.

79. Напишите схемы строения мицелл сульфида цинка, образующихся при получении золя взаимодействием: 1) 25 мл 0,01 н раствора сульфата цинка и 10 мл 0,02 н раствора сульфида аммония; 2) 20 мл 0,01 н раствора сульфата цинка и 15 мл 0,02 н раствора сульфида аммония. Что можно наблюдать при действии одного золя на другой?

80. Для коагуляции 10 мл золя сульфата бария потребовалось 0,5 мл 0,1 М раствора нитрата кальция или 0,2 мл 0,01 М раствора хлорида алюминия или 1,5 мл 1 М раствора хлорида калия. Рассчитайте пороги коагуляции (ммоль/л), определите заряд гранулы золя и приведите коагулирующие ионы.

81. Золь гидроксида алюминия был получен при взаимодействии растворов гидроксида натрия и хлорида алюминия. Напишите строение мицеллы золя, если известно, что при электрофорезе противоионы движутся к катоду.

82. Какой обьем 0,015 н раствора силиката натрия надо добавить к 25 мл 0,025 н раствора соляной кислоты, чтобы под действием электрического тока частицы золя кремниевой кислоты перемещались к катоду? Напишите формулу строения мицеллы золя. (Меньше 41,7 мл)

83. Пороги коагуляции золя сульфида цинка хлоридом натрия и нитратом бария равны соответственно 21 и 0,67 ммоль/л. Определите заряд гранулы золя сульфида цинка и укажите, выполняется ли правило Шульце-Гарди.

84. Коагулирующая способность нитрата натрия по отношению к исследуемому золю меньше, чем коагулирующая способность сульфата калия. Какой заряд имеет гранула данного золя? Дайте оценку коагулирующей способности фосфата калия.

85. Коагуляция золя сульфата бария обьемом 25 мл наступает при введении 10 мл 0,05 н раствора хлорида алюминия. Рассчитайте порог коагуляции золя (в ммоль/л). (6,7 ммоль/л)

86. Золь гидроксида железа (III) получен взаимодействием равных объемов 0,1 н раствора гидроксида натрия и 0,15 н раствора хлорида железа (III). Какой из электролитов Ba(NO₃)₂ или K₂SO₄ имеет меньший порог коагуляции. Напишите формулу мицеллы золя гидроксида железа (III).

87. Во сколько раз различаются значения среднего квадратичного смещения для частиц с радиусами м и м, при условии одинакового промежутка времени, температуры и вязкости среды.

88. Коэффициент диффузии сферической частицы равен 2,1×10⁻¹⁰ м²/с, а радиус ее равен 2×10⁻⁹ м. Рассчитайте вязкость среды при 23 °С. (5,16·10^–4 Па·с)

Библиографический список

 

1. Гельфман М. И. Коллоидная химия / М. И. Гельфман, О. В. Ковалевич, В. П. Юстратов. – СПб.: Лань, 2003. – 336 с.

2. Евстратова К. И. Физическая и коллоидная химия / К. И. Евстратова, Н. А. Купина, Е. Е Малахова. - М.: Высш. шк., 1980. - 486 с.

3. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. А. А. Равделя и А. М. Пономаревой. – Л.: Химия. Ленингр. отд-ние, 1983. – 232 с.

4. Ленский А. С. Введение в бионеорганическую и биофизическую химию / А. С. Ленский. - М.: Высш. шк., 1989. - 255 с.

5. Литвинова Т. Н. Сборник задач по общей химии: учебное пособие для студентов мед. вузов / Т. Н. Литвинова. – 3-е изд, перераб. – М.: Оникс, 2007. – 224 с.

6. Мушкамбаров Н. Н. Физическая и коллоидная химия: учеб. для вузов / Н. Н. Мушкамбаров. - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2001. - 384 с.

7. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: учеб. для вузов / Ю. А. Ершов, В. А. Попков, А. С. Берлянд [и др.] / под ред. Ю. А. Ершова. – 5-е изд. – М.: Высш. шк., 2005. –540 с.

8. Уильямс В. Физическая химия для биологов / В. Уильямс, Х. Уильямс. - М.: Мир, 1976. - 600 с.

9. Хмельницкий Р.А. Физическая и коллоидная химия / Р. А. Хмельницкий. - М.: Высш. шк., 1988. - 399 с.

10. Чанг Р. Физическая химия с приложениями к биологическим системам / Р. Чанг. - М.: Мир, 1980. - 662 с.

Содержание

ПРЕДИСЛОВИЕ. 3

Химическая термодинамика. 5

Химическая кинетика. 17

Растворы.. 26

Электропроводность растворов. 35

Электродные потенциалы и электродвижущие силы.. 45

Физико-химия поверхностных явлений. 55

Физико-химия дисперсных систем. 66

Библиографический список. 74