Электрические свойства коллоидных растворов

 

Электрические свойства коллоидных растворов или электрокинетические явления обусловлены наличием электрического заряда, как у коллоидных частиц, так и у дисперсионной среды. Это приводит к тому, что при наличии внешней разности электрических потенциалов происходит направленное перемещение заряженных коллоидных частиц и самой дисперсионной среды. В первом случае явление называется электрофорезом, а во втором – электроосмосом. Возможно, также, и самопроизвольное возникновение разности потенциалов в объёме коллоидного раствора в результате частичного оседания более тяжёлых и одноимённо заряженных коллоидных частиц. Возникающий в таких случаях скачок электрического потенциала между придонными и более высокими слоями жидкости называется потенциалом оседания. При течении коллоидных растворов через тонкие капилляры разность потенциалов может возникать и за счёт избирательной сорбции поверхностью капилляров частиц с определённым электрическим зарядом. Это – потенциал течения.

 

КОАГУЛЯЦИЯ

Когуляция (от лат. coagulum –сгусток) – слипание коллоидных частиц с образованием более или менее крупных агрегатов. Коагуляция – проявление термодинамической неустойчивости дисперсных систем. Процесс укрупнения коллоидных частиц связан с потерей агрегативной устойчивости и приводит к потере ими кинетической устойчивости, которая выражается в образовании осадка. Коагуляция в разбавленных системах приводит к образованию хлопьев, выпадающих в осадок (или всплывающих), тогда как в концентрированных системах может также привести к возникновению сплошной пространственной структуры – геля. В ряде случаев свежий коагулят под влиянием механического воздействия (напр., перемешивания) или образования адсорбционных слоёв при добавлении некоторых веществ (пептизаторов) способен к обратному переходу в состояние золя. Это явление называется пептизацией.

Коагуляцию вызывают различные воздействия: добавление различных веществ – коагулянтов (электролитов или неэлектролитов), длительный диализ, электрофорез, повышение температуры, действие света и др. высокочастотных электромагнитных колебаний, а также ультразвуковых колебаний, встряхивание и перемешивание. Гидрозоли могут коагулировать при взбалтывании с неполярными жидкостями (напр., бензин), частицы при этом собираются на границе раздела жидкостей. В аэрозолях (дымах и туманах) частицы несут на своей поверхности очень малые заряды или вовсе не заряжены, из-за чего в аэрозолях всегда идет самопроизвольная коагуляция. В промышленных условиях коагуляция дымов и др. аэрозолей производится путем фильтрации их через пористые материалы или с помощью электрических полей с высоким градиентом потенциала (электрофильтр Коттреля и др.). В практике очистки природных и сточных вод от коллоидов чаще применяется химический метод коагулирования, основанный на введении в систему электролита.

Наиболее изучена коагуляция, вызываемая электролитами. Коагулирующее действие электролитов связано со сжатием двойного электрического слоя на поверхности дисперсных частиц (уменьшением дзета-потенциала) и одновременным снижением лиофильности их поверхности. Наименьшая концентрация электролита, вызывающая коагуляцию за определённый (обычно короткий) промежуток времени, называется порогом коагуляции (γ). Для различных электролитов величины порогов коагуляции могут сильно варьировать. Теоретически показано, что отношения порогов коагуляции у одно-, двух- и трёх-зарядных ионов при прочих равных условиях обратно пропорциональны шестой степени величины заряда. В среднем можно считать, что концентрации электролитов, соответствующие порогу коагуляции, с однозарядными ионами в 60 раз выше, чем с ионами двухзарядными, и приблизительно в 750 раз выше, чем с ионами трехзарядными (правило Шульца и Гарди).

Коагуляции препятствуют электрический заряд частиц (электрический фактор устойчивости) и сольватация их поверхности (молекулярно - сольватационный фактор), а иногда – адсорбция на ней молекул поверхностно-активных и высокомолекулярных веществ - стабилизаторов (структурно-механический). Для коллоидных систем это явление получило название коллоидной защиты, которая обусловлена образованием структурно-механического барьера на поверхности частиц. Добавление высокомолекулярных веществ к лиофобным золям может привести иногда и к уменьшению устойчивости по отношению к электролитам (сенсибилизация) и даже к коагуляции. Снижение величины электрического заряда (или дзета-потенциала) коллоидных частиц и их сольватации (обычно изменения электрических свойств и сольватации поверхности частиц происходят одновременно) вызывает коагуляцию.

Коагуляция очень распространена в природных и техногенных дисперсных системах. Она играет важную роль в геологических и почвенных процессах, в биологических и метеорологических явлениях. Явления коагуляции представляют интерес в связи с вопросами агрегативной устойчивости многих дисперсных систем, напр. почв, коллоидных растворов, суспензий различных веществ и в том числе продуктов питания и лекарственных веществ. Коагуляцию широко применяют в разнообразных технологических процессах (напр., деэмульгирование нефти, очистка питьевой воды и воздуха с целью освобождения от взвешенных частиц и бактерий).

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

271. Написать формулу мицеллы золя золота (ядро коллоидной частицы [Au]m) полученным распылением золота в растворе NaAuO₂. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

272. Напишите формулу мицеллы золя бромида серебра, полученного при взаимодействии разбавленного раствора бромида калия и избытка нитрата серебра. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

273. Напишите формулуы коллоидной частицы и мицеллы золя, полученных при взаимодействии 10 мл 0,0001 н раствора MnSO₄ и 30 мл 0,0001 н раствора NaOH. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

274. Напишите формулуы коллоидной частицы и мицеллы золя, полученных при взаимодействии избытка сероводорода с кислородом на основе окислительно-восстановительной реакции. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

275. Напишите строение мицеллы золя гидроксида никеля, полученного при взаимодействии раствора сульфата никеля с избытком гидроксида калия. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

276. Напишите строение мицеллы золя гидроксида никеля, полученного при взаимодействии избытка диоксида кремния и воды. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

277. Напишите формулу мицеллы золя гидроксида алюминия, полученного в результате гидролиза хлорида алюминия. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

278. Напишите формулу мицеллы сульфата натрия, полученного при взаимодействии 10 мл 0,001н раствора сульфата марганца и 30 мл 0,0001н раствора гидроксида натрия. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

279. Напишите формулу мицеллы сульфата бария, полученного при взаимодействии 10 мл 0,0001н раствора хлорида бария и 10 мл 0,001н раствора серной кислоты. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

280. Напишите формулу мицеллы сульфата бария, полученного при взаимодействии 25 мл 0,001н раствора серной кислоты и 35 мл 0,001н раствора хлорида бария. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

281. Какой заряд золя хлорида серебра получится при взаимодействии водного раствора хлорида калия и избытка нитрата серебра? Напишите строение мицеллы. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

282. Напишите формулу мицеллы золя берлинской лазури, полученного при взаимодействии желтой кровяной соли с избытком хлорида железа (III). При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

283. При взаимодействии избытка водного раствора желтой кровяной соли с хлоридом железа (III) образуется золь берлинской лазури. Напишите строение мицеллы. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

284. Напишите формулу мицеллы золя турнбулевой сини, полученного при взаимодействии сульфата железа (II) с избытком красной кровяной соли. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

285. При взаимодействии избытка водного раствора красной кровяной соли с раствором сульфата железа (II) образуется золь турнбулевой сини. Напишите строение мицеллы. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

286. Золь гидроксида железа (III) получен добавлением небольших количеств раствора хлорида железа (III) к кипящей воде. Напишите строение мицеллы золя гидроксида железа (III). Какой из электролитов: NaCl, CaCl ₂, AlCl ₃ – имеет наименьший порог коагуляции полученного золя? При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

287. Напишите формулу мицеллы золя кремневой кислоты, полученного при взаимодействии силиката натрия и соляной кислоты. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

288. Напишите формулу мицеллы золя серы, полученного в результате окисления сероводорода кислородом. Необходимо учесть, что сероводород частично диссоциирует на ионы H ₂ S ó HS ^- + H ⁺. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

289. При пропускании сероводорода через водный раствор мышьяковистой кислоты получен золь сульфида мышьяка (III). Напишите строение мицеллы. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

290. Если пропустить сероводород через спиртовый раствор цианида ртути Hg(CN) ₂,то получается золь сульфида ртути (II). Напишите формулу мицеллы сульфида ртути. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

291. При взаимодействии водного раствора перманганата калия с раствором тиосульфата натрия образуется золь диоксида марганца. Напишите уравнение окислительно-восстановительной реакции и формулу мицеллы золя диоксида марганца. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

292. Для получения золя хлорида серебра смешали 15 см³ 0,025н KCl с 85см³ 0,055н AgNO₃. Написать формулу мицеллы полученного золя. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

293. Золь йодида серебра получен при постепенном добавлении к 20см³ 0,01н раствора KI 15см³ 0,2% - ного раствора нитрата серебра. Написать формулу мицеллы образующегося золя. Плотность раствора нитрата серебра принять равной единице. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

294. Золь гидроксида железа (III) получен при добавлении к 85см³ кипящей дистиллированной воды 15см³ 2%-ного раствора хлорида железа (III). При этом соль частично подвергается гидролизу FeCl₃+3H₂O↔Fe(OH)₃+3HCl. Написать формулу мицеллы золя Fe(OH)₃. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

295. Золь бромида серебра получен смешением 25см³ 0,008н KBr и 18см³ 0,0096н AgNO₃. Определить знак заряда частиц и составить формулу мицелл золя. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

296. При длительном стоянии сероводородной воды в результате окисления H₂S кислородом воздуха образуется сера в коллоидном состоянии. Написать формулу мицелл золя серы. Каким методом получен золь? При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

297. Золь ферроцианата меди был получен при действии на соль меди (II) и избытком K₄[Fe(CN)₆]. Составить формулу мицеллы золя. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

298. При пропускании избытка сероводорода через раствор хлорида мышьяка AsCl₃ получили золь сульфида мышьяка. Напишите формулу мицеллы золя. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

299. При взаимодействии растворов K₂SiO₃ и HCl был получен золь кремниевой кислоты H₂SiO₃. Напишите формулу мицеллы золя и определите, какой из электролитов был в избытке. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы.

300. Напишите формулу мицеллы гидрозоля алюминия, полученного при глубоком гидролизе сульфата алюминия. При написании формулы мицеллы укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы, гранулу, диффузной слой, заряд гранулы

 

ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

№ в-та	Номера задач, относящихся к данному заданию

 

Литература

 

1. Н.В..Коровин, Общая химия, М..Высш.шк 2007, с.230.

2. Н.Л.Глинка Общая химия, М.Интегр-Пресс 2004, с.341.

3. Ю.А.Золотов. Основы аналит.химии. М., В.Ш. 2004, с. 256.

4. Т.Н.Хаскова, П.М.Кругляков. Коллоидная химия. Пенза.ПГАСА.

2003, с. 181.

5. Н.С.Ахметов. Общая и неорг.химия. М., Высш.шк.., 2007, с. 324.

6. Н.Л.Глинка Задачи и упр. по общей химии М.Интегр-Пресс, 2003.

7. Н.В..Коровин, Лаб. работы по химии. М.,Высш.шк.1998.

 

Учебно-методическое пособие

и контрольные задания

для студентов инженерно-технических специальностей заочной формы обучения

 

Составители: Лаптева Людмила Ивановна

Комлева Наталья Николаевна

Громаков Николай Семенович

Спирина Ольга Викторовна

Мурафа Наталья Кирилловна

 

 

Редактор B.B.Попова

 

Редакционно-издательский отдел

Казанской государственной архитектурно-строительной академии

Лицензия ЛР N 020379 от 22.01.92 г.

 

Подписано в печать Формат 60 ´ 84/16

Заказ Бумага тип N2 Усл.-печ.л. 0,9

Тираж 300 Печать офсетная Учетн.-изд.л. 0,9

 

Печатно-множительный отдел КазГАСА

Лицензия N 03/380 от 16.10.95 г.

420043, Казань, Зелёная, 1