ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАК. КОЛХИМ. Практикум по коллоиднойхими и саранск Издательство Мордовского университета 2007 удк 541. 18
 Скачать 0.79 Mb.
|
|
Цель работы: изучить влияние концентрации на адсорбцию бутилового спирта на границе раздела твердое тело – жидкость; вычислить удельную поверхность адсорбента. Принадлежности: прибор для определения величины поверхностного натяжения; цилиндр на 50 мл; колбы на 50 мл; воронки; пипетки; фильтровальная бумага; технические весы; активированный уголь; 0,5 М раствор бутилового спирта. Методика проведения эксперимента. 1) Разбавлением 0,5 М раствора бутилового спирта готовят по 30 мл растворов разных концентраций, указанных в табл. 3.1. Затем пипеткой отбирают по 20 мл полученных растворов и добавляют в них по 1 г активированного угля, периодически перемешивая в течение 30–40 мин до установления адсорбционного равновесия. 2) Оставшуюся часть (10 мл) растворов используют для измерения величины поверхностного натяжения до адсорбции. Измерения проводят сталагмометрическим методом. 3) После установления адсорбционного равновесия растворы бутилового спирта отфильтровывают от угля и определяют величину поверхностного натяжения каждого из растворов. Полученные результаты заносят в табл. 3.1. Т а б л и ц а 3.1
Оформление результатов. 1) По экспериментальным данным строят изотермы поверхностного натяжения растворов бутилового спирта (до и после адсорбции углем) в зависимости от концентрации растворов (см.рис. 8). 2) По формуле (3.1) рассчитывают значения удельной адсорбции А на угле для нескольких концентраций раствора спирта. 3) Для определения величины А∞, т–ж строят график в координатах  (см. рис. 9). Значение А∞, т–ж (по указанию преподавателя) может быть рассчитано методом наименьших квадратов с применением ПК.4) Зная А∞, т–ж, по формулам (3.3) и (3.5) вычисляют величину удельной поверхности адсорбента Sуд (значения S0 и Г∞, ж–г возьмите из работы № 2). Обсуждение полученных результатов. 1) Сделайте вывод о влиянии концентрации бутилового спирта на величину адсорбции. 2) Предскажите, как будет изменяться величина адсорбции бутилового спирта при замене исследуемого адсорбента на силикагель (εводы = 81,7 и εспирта = 17,1). 3) Сопоставьте вычисленное значение удельной поверхности адсорбента с данными, приведенными в таблице (см. прил., табл.2). Темы для отчета. Характеристики адсорбентов. Поверхностный слой, его энергетические и геометрические параметры. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что такое удельная поверхность и как она изменяется с увеличением степени дисперсности? 2. Активная площадь поверхности активированного древесного угля достигает 1000 м2 на 1 г. Рассчитайте массу фосгена, которая должна поглотиться 10 м2 площади поверхности угля, если 1 г угля адсорбирует 0,440 л фосгена. 3. Аэрозоль получен распылением 0,5 кг угля в 1 м3 воздуха. Его частицы имеют шарообразную форму, диаметр частицы 810–5 см. Определите удельную поверхность и число частиц в этом аэрозоле. угля = 1,8103 кг/м3. 4. Как влияет смачивание адсорбента растворителем на процесс адсорбции растворенных веществ? 5. Каково соотношение между величинами избыточной Г и удельной А адсорбции? В каких случаях можно принять А Г? 6. Как влияет на молекулярную адсорбцию из растворов природа растворителя, адсорбента и растворенного вещества? 7. Почему при некоторых пищевых отравлениях рекомендуется применять таблетки активированного угля? 8. Изобразите схему ориентации молекул бутанола на поверхности раздела вода – воздух. 9. Предельная адсорбция анилина на поверхности его водного раствора составляет 6.10–6 моль/м2. Рассчитайте площадь, занимаемую одной молекулой анилина в насыщенном слое, и толщину адсорбционного слоя. Плотность анилина равна 1,0217 г/см3. 10. В две колбы, содержащие по 300 мл 0,05 М растворов уксусной и масляной кислот, поместили по 2 г активированного угля. После установления адсорбционного равновесия были определены концентрации кислот в каждом растворе. Предскажите возможные варианты результатов эксперимента. Р А Б О Т А № 4 Получение и изучение свойств лиофобных дисперсных систем ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Дисперсные системы, рассматриваемые в курсе коллоидной химии, гетерогенны и состоят как минимум из двух компонентов – дисперсной фазы и дисперсионной среды. Совокупность мельчайших частиц называется дисперсной фазой, а вещество, в котором происходит равномерное распределение дисперсной фазы, дисперсионной средой. Все дисперсные системы можно классифицировать по различным признакам: 1) агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды; 2) по кинетическим свойствам дисперсной фазы; 3) степени дисперсности; 4) интенсивности межфазного взаимодействия. В зависимости от сочетания агрегатного состояния фазы и среды можно выделить 8 типов дисперсных систем (табл. 4.1). Коллоидные системы с жидкой дисперсионной средой называют лиозолями, с газообразной аэрозолями, с твердой твердыми золями. Дисперсные системы по кинетическим свойствам дисперсной фазы можно разделить на два класса: свободнодисперсные системы, в которых дисперсная фаза подвижна; связнодисперсные системы, т.е. системы с твердой дисперсионной средой, в которых частицы дисперсной фазы не могут свободно передвигаться. Для свободно- и связнодисперсных систем классификация по степени дисперсности имеет существенные различия. Т а б л и ц а 4.1 Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию
Свободнодисперсные системы по размеру частиц подразделяются на: ультрамикрогетерогенные системы, размер частиц в которых лежит в пределах от 109 до 107 м. Данные системы принято называть истинно коллоидными или просто коллоидными. К таким системам относятся золи. микрогетерогенные системы, размер частиц в которых лежит в пределах от 107 до 105 м. К данным системам относят суспензии, эмульсии, пены, порошки. грубодисперсные системы, размер частиц которых превышает 105 м. Наиболее распространены системы с твердой дисперсионной средой и газообразной дисперсной фазой (например, песок, щебень, зерно и т.д.). Системы, в которых размер частиц дисперсной фазы меньше 109 м, получили название молекулярно-дисперсных систем или истинных растворов. Данные системы гомогенные, однофазные, и поэтому не являются объектом изучения коллоидной химии. Связнодисперсные системы с твердой дисперсионной средой и жидкой или газообразной дисперсной фазой (например, пористые тела) классифицируют на: микропористые, размер пор в которых составляет менее 2 нм; переходнопористые, в которых размер пор находится в пределах от 2 до 200 нм; макропористые, размер пор в которых составляет более 200 нм. Связнодисперсные системы с твердой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой удобнее классифицировать по степени дисперсности аналогично классификации свободнодисперсных систем. По интенсивности межфазного взаимодействия различают лиофобные и лиофильные дисперсные системы. В лиофобных системах дисперсная фаза слабо взаимодействует с дисперсионной средой (например, суспензии, лиозоли металлов, гидрозоли труднорастворимых соединений, эмульсии масел в воде). Лиофильные системы характеризуются интенсивным взаимодействием дисперсной фазы и дисперсионной среды (например, растворы коллоидных ПАВ, полимеров в воде, каучука в бензоле). Лиофобные дисперсные системы могут быть получены методами диспергирования и конденсации. Диспергационные методы получения золей основаны на принципе измельчения частиц дисперсной фазы до коллоидного состояния, при этом используют механический, электрический, ультразвуковой и другие приемы. Более распространенными являются конденсационные методы получения золей, при которых происходит агрегация молекул или ионов до частиц коллоидных размеров. Различают физическую и химическую конденсацию. Физическая конденсация может осуществляться при охлаждении паров или путем понижения растворимости веществ при замене растворителя. Химическая конденсация происходит в результате химических реакций, сопровождающихся образованием труднорастворимых в дисперсионной среде соединений. Необходимыми условиями при получении коллоидных систем являются малая растворимость дисперсной фазы и наличие в системе стабилизатора (небольшой избыток одного из реагентов, добавка высокомолекулярного соединения или поверхностно-активного вещества). Особо следует отметить метод пептизации, основанный на переходе рыхлых свежеприготовленных осадков (гелей) в золь при добавлении к ним пептизаторов (электролит, вода). Коллоидные частицы (мицеллы) имеют сложное строение (рис.10). Рассмотрим механизм получения коллоидной системы на примере образования золя иодида серебра AgNO3 + KI = AgI + KNO3. Если для реакции берут концентрированные растворы исходных веществ в эквивалентном количестве, то получают грубодисперсную систему и AgI выпадает в осадок. Если растворы сильно разбавленные и один из реагентов, например AgNO3, взят в избытке, то дисперсная фаза AgI образуется в виде мельчайших зародышей, составляющих агрегат коллоидной частицы (m AgI). На его поверхности происходит адсорбция ионов из раствора. Согласно правилу Пескова – Панета – Фаянса, на поверхности агрегата адсорбируются преимущественно родственные ионы (т.е. те ионы, которые входят в состав агрегата и достраивают его кристаллическую решетку) или изоморфные ионы (т.е. близкие по размерам к ионам агрегата).  Р и с. 10. Строение мицеллы золя иодида серебра: ионы Ag+ и NO3– отмечены соответственно знаками « +» и « – » При избытке AgNO3 на поверхности агрегата адсорбируются ионы Ag+ (n Ag+). Так как они сообщают коллоидной частице положительный заряд, то их называют потенциалопределяющими ионами. Агрегат вместе с потенци -алопределяющими ионами образуют ние. ядро коллоидной частицы. Ядро коллоидной частицы притягивает к себе из раствора ионы с противоположным знаком – противоионы (NO3– ). Часть их ((n – x) NO3–) достаточно прочно связана с ядром и образует адсорбционный слой. Ядро и адсорбционный слой составляют гранулу. Остальные противоионы (x NO3–), находящиеся на более далеком расстоянии от ядра, образуют диффузный слой. Таким образом, формула строения мицеллы золя иодида серебра при избытке нитрата серебра имеет вид  агрегат ядро адсорбционный слой диффузный слой гранула или коллоидная частица мицелла При избытке иодида калия формула строения мицеллы золя иодида серебра будет иметь вид  .Гранула в этом случае будет заряжена отрицательно. Наиболее простым методом определения заряда коллоидных частиц является метод капиллярного анализа. Он основан на свойстве целлюлозных стенок фильтровальной бумаги заряжаться в воде отрицательно. При нанесении на бумагу капли отрицательного золя коллоидные частички растекаются вместе с водой. В случае положительного золя частички притягиваются к бумаге, а вода растекается в виде ореола. Этот метод применим для определения заряда гранулы только окрашенных золей. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Цель работы: ознакомиться с основными методами получения золей и некоторыми их свойствами. Принадлежности: штатив с пробирками; пипетки; воронки; фильтровальная бумага; стаканы; спиртовой раствор серы; насыщенный раствор FeCl3; растворы: 20 %-й K4[Fe(CN)6]; 0,5 %-й KMnO4; 1 %-й Na2S2O3; 0,01 н H2C2O4; 0,02 M KCl; 3 M KCl; 0,02 M K2SO4; 0,02 M K3[Fe(CN)6]; 0,02 M BaCl2; 0,02 M AlCl3. Методика проведения эксперимента. Опыт1. Получение золя серы методом физической конденсации (замена растворителя). К 10 мл дистиллированной воды прибавляют по каплям (5–7 капель) насыщенный раствор серы в спирте. Образуется опалесцирующий золь серы в воде. Объясните сущность метода получения данного золя. Опыт2. Получение золя гидроксида железа. К 100 мл кипящей дистиллированной воды приливают 0,5 мл насыщенного раствора хлорида железа FeCl3 и кипятят в течение 12 мин. Образуется прозрачный красно-коричневый золь гидроксида железа. Напишите уравнение реакции получения и формулу строения мицеллы золя гидроксида железа, определите знак заряда частиц полученного золя. Золь оставьте для следующих опытов. Опыт 3. Получение золя диоксида марганца. 1 мл 0,5 %-го раствора перманганата калия KMnO4 разбавляют водой до 10 мл и прибавляют к нему 1 каплю 1 %-го раствора тиосульфата натрия Na2S2O3. Образуется вишнево-красный золь диоксида марганца. Напишите уравнение реакции получения золя диоксида марганца, формулу строения мицеллы, определите знак заряда частиц полученного золя. Опыт4. Получение золя берлинской лазури по реакции двойного обмена. К 100 мл воды добавляют 0,5 мл 20 %-го раствора гексацианоферрата (II) калия K4[Fe(CN)6]. Затем прибавляют к нему 1 каплю насыщенного раствора хлорида железа (III) FeCl3 и тщательно перемешивают. Определите заряд частиц золя берлинской лазури, напишите формулу строения мицеллы полученного золя. Золь оставьте для следующих опытов. Опыт5. Получение золя берлинской лазури методом пептизации. 0,75 мл насыщенного раствора гексацианоферрата (II) калия K4[Fe(CN)6] разбавляют водой до 50 мл и прибавляют к нему 0,5 мл насыщенного раствора хлорида железа FeCl3. Полученный осадок берлинской лазури отфильтровывают и промывают дистиллированной водой. Фильтрат отбрасывают, подставляют чистую пробирку под воронку, а к осадку добавляют 1-2 мл 0,1 н раствора щавелевой кислоты H2C2O4 (пептизатор). Осадок быстро пептизируется, и в пробирку фильтруется синий золь берлинской лазури. Напишите уравнение реакции и формулу строения мицеллы золя берлинской лазури, определите заряд частиц данного золя методом капиллярного анализа. Опыт6. Коагуляция золей электролитами. В 6 чистых пробирок наливают по 2 мл золя гидроксида железа (из опыта 2), а в 6 других по 2 мл золя берлинской лазури (из опыта 4). Затем в пробирки каждого ряда приливают по 1 мл растворов электролитов в порядке, указанном в табл. 4.2. Пробирки встряхивают и устанавливают в штатив. Через 2025 мин отмечают наличие или отсутствие коагуляции. Результаты заносят в табл. 4.2, отмечая знаком « + » наличие, а знаком « » отсутствие коагуляции. Т а б л и ц а 4.2 Результаты коагуляции золей электролитами
Опыт7. Взаимная коагуляция золей. В 5 пробирках смешивают золи гидроксида железа (из опыта 2) и берлинской лазури (из опыта 4) в количествах, указанных в табл. 4.3. Через 1520 мин отмечают степень коагуляции (полная, неполная) и цвет жидкости над осадком. Т а б л и ц а 4.3 Результаты взаимной коагуляции золей
Обсуждение полученных результатов. 1) Укажите коагулирующие ионы для золей гидроксида железа и берлинской лазури. Обратите внимание на то, какое влияние оказывает концентрация электролита на коагуляцию данных золей. 2) Сравните коагулирующую способность ионов, вызывающих коагуляцию золя гидроксида железа и берлинской лазури. Сделайте вывод о выполнении правила Шульце Гарди. 3) Предскажите теоретически соотношение объемов золей гидроксида железа и берлинской лазури, при котором взаимная их коагуляция будет наиболее полной. Как согласуется Ваше предположение с экспериментальными данными? 4) Сделайте выводы о зависимости степени коагуляции от соотношений объемов исследуемых золей. Темы для отчета. Дисперсные системы, их классификация. Методы получения и очистки коллоидных систем. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Классифицируйте следующие системы по интенсивности взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды: золь сульфида мышьяка, раствор желатины в спирте, кровь, эмульсия растительного масла в воде, раствор агар-агара, золь гидроксида железа (III), крахмальный клейстер. 2. К какому типу дисперсных систем (по агрегатному состоянию) можно отнести мучную пыль, цветное стекло, мыльную пену, пенопласт, взвесь мела в воде, туман, горячее молоко, холодное молоко, облака, минеральную воду? 3. Перечислите основные методы получения коллоидных систем. Укажите, какие из них используются в ваших опытах. 4. В чем заключается сущность метода пептизации? Чем пептизация отличается от диспергирования? 5. Объясните сущность метода замены растворителя. 6. Объясните сущность процесса диализа. Предскажите, как будут вести себя во время диализа следующие системы, содержащие: а) золь гидроксида железа (III) и гидроксид калия; б) золь иодида серебра и иодид калия. 7. Каким физическим явлением обусловлена опалесценция золей? 8. Какие вещества могут служить стабилизаторами дисперсных систем? 9. Напишите строение мицеллы золя берлинской лазури, полученного при действии гексацианоферрата (II) калия на избыток хлорида железа. Каков заряд гранулы полученного золя? 10. Как определить теоретически заряд гранулы коллоидной частицы и подтвердить его экспериментально? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
