Обработка результатов эксперимента
1. По уравнениям 1-3 находят r
1
(радиус) частичек для каждой фракции: r
max
= C
min
, r min
= C
max
2. Строим седиментационную кривую – зависимость суммарной массы осадка (m
1
) от времени оседания (t
1
).
Путем графической обработки седиментационной кривой находят массы отдельных фракций Р
1
. Масса первой фракции Р
1
, которая осела на момент времени t
1
, определяется отрезком, который отсекается на оси ординат касательная кривой седиментации в точке t
1
(первая касательная).
Касательная кривой в точке t
2
(вторая касательная) отсекает на оси ординат отрезок, который отвечает суммарной массе двух фракций – первой (осела за время t
1
) и вторая (осела за время t
2
). Отрезок между первой и второй касательной соответствует массе второй фракции. То есть отрезки между касательными на оси ординат соответствуют массам отдельных фракций.
Разбить систему на фракции можно и другими способами: в местах наибольшего изменения кривизны седиментационной кривой.
По уравнению 4 высчитывают процентное содержание фракции Q
1
; и суммарный процент содержания фракции от наибольшего к данному или наименьшего к данному. Результаты вычислений заносят в таблицу:
Время оседа- ния t
1
(сек)
Суммар- ная масса осадка m
i
,мг скорость оседания
(1) радиус частичек фракции масса фракц ии
Р
i мг проц. содерж.
Q% (4)
Возраст суммрнпроцсодержф ции
№
Диа паз он r
От наиболь шего
От наименьш его t
1
m
1 u
1 r
1 1 r
max
P
1
Q
1
Q
1 100 37
-r
1
t
2
m
2 u
2 r
2 2 r
1
-r
2
P
2
Q
2
Q
1 +
Q
2
Q
n
+Q
n-1
+…+Q
3
+
Q
2 t
3
m
3 u
3 r
3 3 r
2
-r
3
P
3
Q
3
Q
1
+Q
2
+
Q
3
Q
n
+Q
n-1
+
…+Q
3
t n-1 m
n-1 u
n-1 r
n-1 n-1 r
n-
2—
r n-1
P
n-1
Q
n-1
Q
1
+Q
2
+
…+Q
n-1
Q
n
+Q
n-1 t
n m
n u
n r
n
N r
n-1
- r
n
P
n
Q
n
100
Q
n
3. Интегральная кривая показывает суммарное процентное содержание всех фракций от наибольшего радиуса к данному (или от наименьшего к данному) в зависимости от радиуса.
Первая точка соответствует r n
= r min и лежит на оси ординат (r min
; 100%), так как суммарный процентный состав всех фракций от максимального до минимального радиуса составляет 100%. Вторая точка: радиусу r n-1 соответствует суммарное процентное содержание фракций от максимального до r n-1
, то есть, исключая фракцию r n
-r n-1
, процентное содержание которой составляет Q
n
. Итак, координаты второй точки (r n-1
; 100-Q
n
= Q
1
+Q
2
+…+ Q
n-
1
).
Третья точка: (r n-2
; 100-Q
n
-Q
n-1
= Q
1
+Q
2
+…+Q
n-1
). Так, например, радиусу r
2
соответствует суммарное процентное содержание первых двух фракций Q
1
+
Q
2
. Предпоследняя точка: (r
1
, Q
1
), так как суммарно-процентное содержание фракций от максимального к данному радиусу соответствует массе первой фракции Q
1
. Суммарно-процентное содержание фракций от наибольшего до r
max равняется 0, так как частичек больших по размеру чем r max нет. Итак, последняя точка (r max
;0) лежит на оси абсцисс. Так как максимальный радиус неизвестный, кривую продолжают до оси абсцисс пунктиром.
38
Можно построить интегральную кривую как зависимость суммарного процентного содержания; Q
1
всех фракций от наименьшего радиуса к данному от радиуса. Радиусу r min
= r n
соответствует Q
1
= 0%, так как частичек меньше чем r min нет, и это первая точка интегральной кривой.
Радиусу r n-1 отвечает суммарное процентное содержание всех частичек радиусом от наименьшего к данному, то есть от r n
до r n-1
, что отвечает процентному содержанию последней фракции Q
n
. Радиусу r n-2
отвечает суммарное процентное содержание всех частичек с радиусом от r до r n-2
, а именно Q
n
+ Q
n-1
. Последняя точка: так как r max мы не знаем, от точки (r
1
, Q
i
= Q
n
+ Q
n-1
+ … + Q
2
) проводим кривую пунктиром до уровня 100%. Разница этих двух последних ординат равна Q
1
. В таких координатах интегральная кривая будет зеркальным отображением первой.
Интегральная кривая дает возможность определить интервал радиусов, которому отвечает наиболее вероятный размер частичек. Этому интервалу радиусов отвечает наибольший прирост процентного содержания дисперсной фазы вблизи точки перегиба кривой.
На основании интегральной кривой строят дифференциальную кривую.
Дифференциальная кривая описывает зависимость ∆Q/∆r от r, и дает более наглядное представление о распределении частичек по размерам. u
1
=
(1); C =
(2); r
1
= C
1
(3); Q
1
=
·100%
(4).
Вывод. 1. Дать характеристику дисперсной системы согласно классификации по дисперсности и агрегатному состоянию и назвать систему.
2. Определить наиболее вероятный размер частичек. 3. Оценить степень полидисперсности системы:
P =
Работа 3. Определение электрокинетического потенциала коллоидных частичек методом электрофореза.
39
Цель работы:Экспериментально изучить явление электрофореза и определить электрокинетический потенциал частичек суспензии высокодисперсного кремнезема в зависимости от рН среды.
Водные суспензии кремнезема получают из «Аэросила» марки А-300
(торговые марки препаратов «Полисорб», «Силлард», «Силикс»). Удельная поверхность аэросила составляет 300 м
2
/г. Аэросил – белый, очень легкий порошок (насыпная пыльность 40-60 г/л), которая представляет собой смесь частичек непористого аморфного кремнезема SiO
2
с размером от5 до 20 нм, которые в процессе хранения порошка образовывают агрегаты и агломераты размером до 10мкм. Эти агрегаты и агломераты в водной среде частично разрушаются за счет гидратации поверхности частичек. При рН>2 происходит постепенное увеличение отрицательного заряда поверхности за счет поверхностной диссоциации кремнезема с образованием ионизированных силанольных групп [SiO
-
]. рН 2 отвечает изоэлектрической точке кремнезема: концентрация диссоциированныхсиланольных групп равна нулю.
В фармации и медицине высокодисперсный кремнезем (аэросил) применяют и как самостоятельный лекарственный препарат сорбционного действия (энтеросорбент), и как вспомогательное вещество или матрицу- носитель в комбинированных лекарственных препаратах. От других сорбентов его отличает высокая химическая чистота (более 99,8%) и однородность, химическая, термическая, радиационная и микробиологическая стойкость, высокие адсорбционные свойства и физиологическая безвредность.
Водные суспензии кремнезема с концентрацией дисперсной фазы 5% готовят путем диспергирования порошка в шаровой мельнице. Полученные таким способом суспензии
целодисперсные и содержат достаточно большие агрегаты, что обуславливает седиментационную неустойчивость суспензий.
Для отделения агрегатов частичек большого размера суспензии отстаивают.
Надосадочный слой, который представляют собой кинетически устойчивую
40
фракцию, используют для исследований. Содержание дисперсной фазы в полученных таким способом суспензиях составляет в среднем 3,6%, а величина радиуса в среднем составляет ≈100 нм, что в общем случае не превышает радиус частичек кинетически стойких систем.
Зависимость электрокинетического потенциала частичек кремнезема от рН среды изучают в интервале рН 4-8, что отвечает допустимым значениям рН в лекарственных суспензиях высокодисперсного кремнезема.
Измерение ξ-потенциала частичек дисперсной фазы проводят методом движущейся границы по смещению границы раздела дисперсная система - дисперсионная среда к одному из электродов.
Этим методом электрофорез проводят в V-образной градуированной трубке 1 (прибор Чайковского, или одна из его модификаций), у которой внизу кран 2, соединенный со шлангом 3 со стеклянной лейкой 4. В V- образную трубку наливают необходимое количество (1/3 трубки) побочной жидкости (ультрафильтрат золя, или раствор электролита с электрической проводимостью, которая равна проводимости золя), погружают электроды и, осторожно открывая кран, добиваются четкой границы золь – побочная жидкость. После погружения электродов в жидкость, кран закрывают и
41
измеряют время t, за которое граница под действием электрического поля поднимется на определенное расстояние h к одному из электродов.
Электрокинетический потенциал рассчитывают по уравнению
Гельмгольца – Смолуховского: ξ =
Строят график зависимости электрокинетического потенциала от рН среды.
Работа 4.Изучение порога коагуляции золя гидроксида железа.
Цель роботы: изучить порог коагуляции золя при действии разных электролитов, сравнить коагулирующую способность ионов электролитов и проверить правило Шульце-Гарди.
В работе используют золь Fe(OH)
3
полученный
методом гидролиза, нагревают до кипения 150 мл дистилированой воды, добавляют 30 мл 2% раствора хлорида Fe ³ и кипятят еще несколько минут. Готовят раствор электролитов- коагулянтов: 2М
КСl, 0,05 М
K2
SO4
I,0,005 М
K3
Fe(CN)6
Готовят три серии пробирок по 8-10 штук (для каждого из 3 электролитов) и разливают золь по 5 мл в каждую пробирку. Добавлением определенных объемов растворов электролитов и воды в разных соотношениях задают разные концентрации электролитов в каждой серии, так чтобы общий объем раствора оставался постоянным. Пробирки с одним и тем же электролитом помещают в штативах в ряд от самой низкой до самой высокой концентрации. Через 30 минут наблюдают, в каких пробирках произошла явная коагуляция (помутнение). При минимальной концентрации, которая необходима для коагуляции, вычисляют приблизительное значение порогов коагуляции.
Чтобы определить порог коагуляции более точно, готовят для каждого готовят электролита другую серию растворов, в которых концентрация электролита лежит в
интервале между концентрацией в пробирке, где наблюдалась коагуляция, и где в ближайшей к ней, где нет помутнения.
42
Результаты наблюдений заносят в таблицу.
№
Золь, мл
Вода, мл
Электролит, мл с , моль/л Помутнение
1 5
4,5 0,5 2
5 4
1 3
5 3
2 4
5 1
4
Работа 5. Изучение явления Коллоидной защиты.
Цель работы: исследовать защитное действие желатина на золь Fe(OH)
3
В роботе используют золь Fe(OH)
3
полученый методом гидролиза.
Отфильтровывают 10 мл золя раствором одного из электролитов 2М КСl,
0,05 М K
2
SO
4
I
,0,005 М K
3
Fe(CN)
6
до помутнения, или сразу добавляют количество электролита, которое производит к коагуляции (на основе результатов предыдущей роботы). В другой пробирке, до 10 мл золя добавляют 1 мл 0,5%-ного раствора желатина, перемешивают и добавляют столько электролита, сколько нужно для коагуляции без желатина.
Наблюдают, произошла ли зашита. Втретей пробирке, до 10 мл золя, защищенного 1 мл желатина, добавляют небольшое количество сухого порошка электролита, нарушает стойкость раствора желатина. Описать явление. Рассчитать защитное число желатина.
ТЕСТОВЫЙ САМОКОНТРОЛЬ
1.
Как правильно записать строение мицеллы, если золь получен методом восстановления:2 КAuO
2
+K
2
CO
3
+3 HCHO = 2Au(осадок) + 3 HCOOK +
KHCO
3
+H
2
O.Стабилизатор: КAuO
2
=К
+
+AuO
2
- а) {[mAu · nAuO
2
–
]
n-
· (n-x)
}
x-
· x б) {[mAu · n ]
n+
· (n-x) AuO
2
–
}
x+
· xAuO
₂
- в) {[mAuO
2
–
· (n-x)
]
n+
· (m-x) · AuO
₂
-
}
x+
· xAuO
₂
-
43
2.
Как называется электрокинетическое явление, противоположное электрофорезу? а) Эффект Дорна, или потенциал оседания; б) Эффект Квинке, или потенциал течения; в) Электроосмос; г) Катафорез.
3.
Даны одномолярные золи гидроокиси железа и берлинской лазури при
Т=273К
o будут ли равны их осмотические давления? а) Да; б) Нет; в) Их нельзя сравнивать.
4.
Степень дисперсности коллоидных растворов составляет: а) Д 10
-9
-10
-7
м-
1
; б) Д 10
-10
м
-1
; в) Д 10
-6
м
-1
-10
-4 м
-1 5.
Аппарат «искусственная почка» (АИП) работает по принципу: а) Компенсационного диализа; б) Электродиализа; в) Ультрафильтрации.
6.
Как будет заряжен золь, если он получен по реакции двойного обмена:
AgNO
3
+KI=>AgI+KNO
3
, если стабилизатором взято вещество NaІ? а) отрицательно; б) положительно; в) нейтрально.
44
ЭТАЛОНЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
1.
Частички порошка BaSO
4
сферической формы оседают в в одной среде на высоту 0,226 м за 1350 с. Плотность BaSO
4
и воды соответственно
4,5 и 1 г/см
3
, вязкость воды 10 3
Па·с. Определить диаметр частичек порошка.
Решение. По закону Стокса скорость оседания частичек равняется:
u =
, откуда r =
=
=
= 0,47·10
-5
= 4,7 мкм.
2.
Определите среднеквадратический сдвиг Δ частички гидрозоля серы за 5 с при 295К, если коэффициент диффузии частичек золя при этой температуре равен 2,7·10
-7
см
2
/с. Чему равен радиус частичек, если вязкость среды 10
-3
Па·с?
3.
Золь ртути сложено из частичек шарообразной формы диаметром
6*10 см. Чему равна поверхность частичек, которые образовались из 0,500 см
3
ртути?
Решение
r = d/2 = 3*10
-6
cv
Найдем объем и площадь поверхности одной шарообразной частички:
V
1
=
πr
3
= 1.13·10
-16
см
3
;
S
1
= 4
πr
2
= 4,5·10
-10
см
2
Количество частичек n равняется:
0,5÷1,13π·10
-16
= 4,4·10 15
Итак, сумма площади поверхности всех частичек:
4,4·10 15
·4,5·10
-10
= 1,98·10 6
см
2 45
4. Активная поверхность аэросила составляет 300 м
2
на 1 г. Рассчитать сколько молекул эозина адсорбируется на 1 м
2
аэросила, если 1 г сорбента адсорбирует 4 мг красителя. М.м. эозина 677.
Решение Активная поверхность – максимальная площадь поверхности частичек адсорбента, которая может быть заполнена адсорбированным веществом.
С
условия задачи видно, что 1 м площади поверхности адсорбента адсорбирут 4:300 = 0,0133 мг эозина, что составляет:
N =
· N
A(1/моль)
=
·6·10 23
= 1,179·10 16
молекул = 1,179-
10 16
молекул. 5.Какой объем 0,01 н раствора BaCl
2
необходимо прибавить к 40 мл
0,003 н Al
2
(SO
4
)
3
, что бы получить золь сульфата бария с положительно заряженными частичками? Написать формулу мицеллы полученного золя.
Решение. Рассчитываем объем 0,01 н раствора BaCl
2
, необходимого для получения осадка BaSO
4
согласно уравнению реакции 3BaCl
2
+ Al
2
(SO
4
)
3
= 3BaSO
4
+
2AlCl
3
:
V
BaCl2
= V
Al2(SO4)3
/N
BaCl2
= 40·3·10
-3
/10
-2
= 1,2мл
Роль потенциалопределяющих ионов – стабилизаторов – могут выполнять ионы, которые в избытке и имеют общие атомы или ионы с веществом осадка (правило Панета-Фаянса), а именно, ионы Ва
2+
или SO
4
-2
Для получения золя с положительно заряженными частицами необходимо взять избыток хлорида бария по сравнению с сульфатом алюминия, то есть, объем раствора ВаCl
2 должен быть больше на 1,2 мл.
6.Рассчитать электрокинетический потенциал частиц золя колларгола, если за 5 мин при напряжении 300В его частицы переместились на 10 мм при расстоянии между электродами 20 см ( = 10
-3
Па·с; є=81; є
0
=8,85·10 12
Ф/м).
46
Решение.
Используем формулу Гельмгольца-Смолуховского, где подставляем значения известных величин в системе СИ:
ξ =
=
= 0,031В = 31мВ
7.
Для коагуляции 100 мл золя гидроксида железа понадобилось добавить 10, 5 мл 1н раствора KCl. Определить порог коагуляции золя хлоридом калия.
Решение.
Cкр =
=
= 0,095
= 95
8.
Пороги коагуляции золя Fe(OH)
3
для электролитов 2М КСl, 0,05 М
K
2
SO
4
I
,0,005 М K
3
Fe(CN)
6
. Соответственноравны 13,0 и 0,25 ммоль/л золя.
Сравните коагулирующую способность электролитов.
Решение.
Коагулирующая способность электролитов определяется как величина, обратна их порогам коагуляции.
=
=
= 0,077
=
=
= 4
Откуда
:
= 0,077 : 4= 1:52.
Значит для золя Fe(OH)
3
коагулирующая способность бихромата калия в
52 раза выше.
9.
Золь хлорида серебра получили в избытке хлорида натрия. Для изучения процесса коагуляции до полученного золя прибавили такие
47
электролиты: KBr, Ba(NO
3
)
2
, K
2
Cr
2
O
7,
MgSO
4,
K
3
PO
4
, AlCl
3.
Какой из прибавленных
электролитов имеет наименьший порог коагуляции, наименьшую коагулирующую способность.
Решение. Поскольку в избытке была соль хлорида натрия, согласно правилу
Панета-Фаянса в роли стабилизатора выступают ионы Clˉ, и частицы золя будут иметь отрицательный заряд. Согласно правилу Шульце-Гарди, коагуляция такого золя, причем порог коагуляции тем ниже, чем выше заряд катиона. Значит минимальным будет порог коагуляции в случае AlCl
3
Коагулирующая способность растворов K
2
Cr
2
O
7,
K
3
PO
4,
KBrПри одинаковой нормальности будет наименьшей.
48
ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАСТВОРОВ ВМС 
Скачать 0.72 Mb.