Рабочая тетрадь по химии. Рабочая тетрадь по химии для студентов, обучающихся по всем образовательным программам бакалавриата и специалитета

• Название: Рабочая тетрадь по химии для студентов, обучающихся по всем образовательным программам бакалавриата и специалитета
• Дата: 08.12.2021
• Размер: 1.37 Mb.
• Имя файла: Рабочая тетрадь по химии.docx
• Тип: Учебное пособие; #297189
• страница: 8 из 15

Работа 7. ГЕТЕРОГЕННЫЕ ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Цель работы

• 
  Изучить классификацию, методы получения и характерные свойства гетерогенных дисперсных систем.
  
• 
  Установить причины устойчивости и условия коагуляции коллоидных систем.
  

Теоретические сведения

Гетерогенными называются системы, состоящие из двух (или более) веществ, в которых дисперсная фаза распределена в непрерывной дисперсионной среде.

В отличие от истинных растворов (молекулярных и ионных), являющихся однофазными, равновесными, термодинамически устойчивыми, гетерогенные дисперсные системы (двух- и более фазные) принципиально неустойчивы, однако некоторые из них длительное время могут сохранять устойчивость и не разрушаться.

Причиной принципиальной неустойчивости гетерогенных дисперсных систем (ГДС) является большая свободная поверхностная энергия:

,

где – удельная свободная поверхностная энергия, называемая поверхностным натяжением на границе раздела: жидкость – газ;
S- общая площадь поверхности всех частиц дисперсной фазы.

Свободная поверхностная энергия самопроизвольно стремится к уменьшению. Если это происходит за счёт уменьшения площади поверхности частиц дисперсной фазы (слипание частиц), то ГДС уменьшается.

С другой стороны, уменьшение за счёт уменьшения поверхностного натяжения приводит к стабилизации ГДС. Это наблюдается за счёт самопроизвольного процесса адсорбции ионов и молекул на границе раздела фаз. Адсорбция – преимущественное концентрирование веществ в поверхностном слое по сравнению с объемом. Вещества, снижающие свободную поверхностную энергию за счёт адсорбции, называются поверхностно-активными (ПАВ).

Органические ПАВ имеют дифильное строение: их молекулы содержат полярные группы (-OH,

-COONa, -NH₂ и др.) и достаточно большой углеводородный радикал, как показано на рисунке 5.



Рис. 5 Схема строения молекулы поверхностно-активного вещества

Адсорбция ПАВ влияет на смачивание твёрдой поверхности жидкостью.

ПАВ, имеющие в своём составе гидрофильные и гидрофобные группы распологаются на межфазной поверхности в соответствии с правилом уравнивания полярностей, таким образом, чтобы полярная часть молекулы была обращена к полярной фазе, а неполярная часть – к неполярной (рис. 6).



Рис. 6 Схема адсорбции ПАВ на полярной (п) и неполярной (нп) поверхности

Все полярные гидрофильные поверхности должны хорошо адсорбировать ПАВ из неполярных или слабополярных жидкостей и наоборот.

Рабочее задание

Задание 1. Получение и стабилизация суспензии мела в воде

Налейте в две пробирки до половины объёма воды. В одну из них добавь­те 1 мл раствора желатина (ω = 0,1%). В обе пробирки внесите на кончике шпа­теля растёртый в порошок мел, сильно встряхните, поставьте пробирки в шта­тив и следите за расслаиванием суспензии.

Сравните время расслаивания суспензий и роль высокомолекулярного вещества желатина.







Задание 2. Получение и стабилизация эмульсии масла в воде

Возьмите две пробирки. В одну из них налейте 2 мл раствора стеарата натрия (ω = 3 %) или хозяйственного мыла, а затем в обе пробирки налейте до половины объёма воды и по 8-10 капель неполярной жидкости (ксилола или растительного масла), сильно встряхните.

Следите за расслаиванием эмульсии. Отметьте метод получения дисперс­ной системы. Сравните время расслаивания эмульсии в двух пробирках. Объяс­ните стабилизирующее действие ПАВ.









Графически изобразите стабилизацию эмульсии «масло-вода» поверхно­стно-активным веществом.

Задание 3. Получение золей иодида серебра с разноимёнными зарядами частиц

Налейте в пробирку 2 мл раствора ( = 0,05 моль/л) и медленно при встряхивании добавьте 3-4 капли раствора ( = 0,05 моль/л). Обратите внимание на опалесценцию золя AgJ, связанную со способностью коллоидных растворов рассеивать свет.

Напишите уравнение реакции получения AgJ в молекулярной и ионно-­молекулярной формах. Изобразите строение мицеллы AgJ, укажите её состав­ные части, заряд коллоидной частицы золя, полученного в избытке KJ, и при­чины его возникновения.



Повторите опыт, взяв избыток (2 мл) и добавив 3-4 капли рас­твора KJ. Изобразите строение мицеллы AgJ, укажите заряд коллоидной части­цы и причины его возникновения.



Слейте в одну пробирку (по 1 мл) оба золя AgJ. Отметьте увеличение мутности системы в результате взаимной коагуляции разноимённо заряженных золей AgJ. Определите знак заряда коллоидных частиц AgI экспериментально. Для этого возьмите два листка фильтровальной бумаги и нанесите на них по капле золя AgJ. Бумага, как некоторые другие вещества, при погружении в воду заряжается отрицательно. Положительно заряженный золь AgJ на бумаге рас­слаивается, а отрицательно заряженный не расслаивается.

Результаты заданий 1, 2, 3 обобщите в таблице 19.







Таблица 19

Характеристика дисперсных систем

Номер опыта	Дисперсная фаза	Дисперсионная среда	Название системы	Метод получения	стабилизатор	Фактор устойчивости
1
2
3 Избыток KJ
3 Избыток AgNO3

Задание 4. Получение золя гидроксида железа (III)

Золь получите по реакции гидролиза хлорида железа (Ш). Для этого нагрейте в колбе до кипения 20 мл дистиллированной воды и медленно прибавьте 25-30 капель раствора , прокипятите 1-2 минуты. Обратите внимание на изменение цвета раствора.

Напишите уравнение гидролиза в молекулярной, ионно-молеку­лярной формах.









Схематично представьте коллоидную частицу и мицеллу , гра­фически изобразите её. Отметьте составные части мицеллы, границы возник­новения общего термодинамического потенциала и ζ-потенциала.

Задание 5. Коагуляция коллоидного раствора Fe(OH)₃

В три пробирки налейте по 1-2 мл золя . По каплям (считая их) прибавьте растворы, имеющие одинаковую молярную концентрацию: в первую пробирку - NaCl, во вторую - Na₂SO₄. Оцените пороги коагуляции электроли­тов-коагулянтов числом капель их растворов, добавленных к золю до помутнения.







Рассмотрите строение двойного электрического слоя и механизм коагу­ляции золя электролитом.

Назовите ионы-коагуляторы. У какого иона коагулирующая способность выше и как это связано с зарядом коагулирующего иона? Какая связь сущест­вует между электрокинетическим потенциалом и агрегативной устойчиво­стью коллоидных систем?









Задание 6. Получение геля кремниевой кислоты

Налейте в пробирку по 2 мл концентрированных растворов соляной ки­слоты и силиката натрия.

Нагрейте содержимое пробирки и наблюдайте образование геля кремние­вой кислоты.

Приведите уравнение реакции взаимодействия соляной кислоты с сили­катом натрия в молекулярной и ионно-молекулярной формах. Составьте фор­мулу мицеллы кремниевой кислоты с отрицательным зарядом коллоидных частиц. Отметьте роль концентрации растворов и нагревания при образовании ге­ля. Какие коллоидные системы называют золями, а какие - гелями?











Задание 7. Адсорбция при коагуляции

К коллоидному раствору гидроксида железа (III) добавьте несколько ка­пель раствора-красителя и перемешайте стеклянной палочкой. Добавьте не­сколько капель раствора и наблюдайте явную коагуляцию.

Обратите внимание на окраску золя, образующегося осадка и жидкости над осадком. Объясните наблюдаемые явления.











Выводы

1. 
   Сформулируйте и запишите причину принципиальной неустойчивости гетерогенных дисперсных систем.
   
2. 
   Перечислите основные факторы агрегативной устойчивости коллоидных систем.
   
3. 
   Опишите условия коагуляции коллоидных растворов.
   

Домашнее задание

Задание 1. Образование золя сульфата бария происходит в результате взаимодействия хлорида бария и сульфата магния:

1. 
   Напишите уравнение реакции в молекулярной и ионно-молекулярной форме;
   
2. 
   Составьте формулы мицелл сульфата бария, отвечающих избытку хлорида бария (в одном случае) и избытку сульфата магния (во втором случае);
   
3. 
   Рассмотрите строение мицеллы: укажите ядро мицеллы, потенциалопределяющие ионы, противоионы адсорбционного и диффузного слоя; определите границы коллоидной частицы и знак ζ-потенциала;
   
4. 
   Среди приведенных электролитов – NaCl, Na₂SO₄, CaCl₂, AlCl₃, Na₃PO₄ – укажите наиболее эффективные для коагуляции положительно и отрицательно заряженных золей BaSO₄; назовите ионы-коагуляторы.
   

Расположите электролиты-коагуляторы в порядке возрастания их порогов коагуляции.

























Задание 2. Удаление отрицательно заряженных коллоидных примесей из природных вод осуществляется введением коагулянта Al₂(SO₄)₃, который подвергается гидролизу, образуя положительно-заряженный золь Al(OH)₃:

1. 
   Напишите уравнение полного гидролиза сульфата алюминия;
   
2. 
   Составьте мицеллу гидроксида алюминия и укажите ее составные чатси: ядро, потенциалопределяющие ионы, противоионы, коллоидную частицу и границу возникновения дзета-потенциала.
   

Задание 3. Изобразите графически стабилизацию эмульсий типа «масло-вода» и «вода-масло» поверхностно-активным веществом C₁₇H₃₅COONa. (молекулы ПАВ обозначьте общепринятым символом —○).