Составители В. В. Горбачук, В. А. Загуменнов, В. А. Сироткин
 Скачать 0.83 Mb.
|
|
Работа 1. Определение электрокинетического потенциала методом электрофореза Цель работы: определениезнака заряда частици электрокинетического потенциала в дисперсныхсистемах. Порядок выполнения работы. Для определения электрокинетического потенциала используется метод подвижной границы. Принцип его основан на наблюдении за скоростью передвижения границы между окрашенным золем и прозрачной боковой жидкостью под влиянием электрического поля. В работе может быть использован прибор, изображенный на рисунке 4. Перед началом работы прибор тщательно промывают и высушивают. Затем вынимают кран, протирают его и осторожно смазывают вазелином так, чтобы вазелин не попал в отверстие крана. Приготовленный заранее золь гидрата окиси железа (см. главу “Методы получения, устойчивость и коагуляция дисперсных систем") наливают в узкую трубку прибора через воронку при закрытом кране. Слегка открыв кран, заполняют его просвет золем, следя, чтобы в просвете не оставалось пузырьков воздуха и чтобы золь не попал в нижнюю часть U-образной трубки. Кран закрывают и заполняют узкую трубку золем, а U-образную трубку - боковой жидкостью (раствором 0,03 н НС1). Прибор устанавливают в штативе и, открыв кран, вводят в U- образную трубку золь. Если сделать это достаточно осторожно и медленно, то в U-образной трубке получается резкая граница между золем и боковой жидкостью. Затем в трубку помещают платиновые электроды, соединенные с источником постоянного тока, и наблюдают за скоростью опускания окрашенной границы в одном колене или за скоростью поднятия в другом за определенный промежуток времени. Рис. 4. Прибор для определения ξ - потенциала с помощью электрофореза. Так как скорость передвижения границы довольно сильно зависит от температуры, то все точные электрофоретические измерения рекомендуется проводить в приборе, помещенном в термостат. Источник постоянного тока должен иметь достаточно высокое напряжение (100 В), так как скорость переноса частиц при прочих равных условиях пропорциональна разности потенциалов, приложенной к электродам. Приложенное напряжение измеряется вольтметром, включенным параллельно с электродами, и поддерживается во время опыта постоянным (не менее 80 вольт). Результаты наблюдений записывают в таблицу 7. Измерив гибкой проволокой расстояние l (см) между электродами, определяют среднюю величину градиента потенциала Н (в системе СGSЕ): H = E / 300 l [абс. электр. единиц] (1 эл. ст. ед. = 300 В) Таблица 7 Время t, сек. Пройденный путь S, см Напряжение Е, В Расстояние l, см Величинуlнеобходимо измерить 5-6 раз и взять среднее значение. Вычисляют электрофоретическую скорость по уравнению: V = S /(H t) где S - путь (см), пройденный окрашенной границей за время t (сек.). Зная V, можно вычислить в абсолютных электростатических единицах величину ξ -потенциала по уравнению Гельмгольца-Смолуховского (3), или, если ξ-потенциал выразить в вольтах: ξ = 300 (4π η / D) V (В) (13) где D - диэлектрическая постоянная жидкости ( D воды=81); η - ее вязкость ( η воды = 0,01 пуаз) б) Для определения электрокинетического потенциала может быть использован прибор Рабиновича - Фодимана (рис.5). Рис. 5. Прибор Рабиновича-Фодимана. Перед работой прибор тщательно и многократно промывается дистиллированной водой. После этого в него наливают исследуемый золь так, чтобы он заполнил без пузырей нижнюю часть прибора и оба крана. Затем краны закрывают, избыток золя выливают, хорошо отмывают прибор дистиллированной водой от следов золя, заполняют боковой жидкостью так, чтобы был заполнен верхний кран, и закрепляют в штативе. В нижнюю часть боковых трубок пипеткой с длинным оттянутым кончиком очень медленно и осторожно, чтобы не вызвать перемешивания жидкостей, вводят небольшое количество 10% раствора CuSO 4 так, чтобы уровень его доходил до делений миллиметровой шкалы на боковой трубке. При этом граница раздела между раствором сернокислой меди и боковой жидкостью должна быть резкой. В раствор сернокислой меди опускают медные электроды и на короткое время открывают верхний соединительный кран, чтобы сравнять уровни жидкости в обоих коленах прибора. Затем определяют расстояние Z между границами раствора сернокислой меди в правой и левой боковых трубках (по всей длине прибора). Расстояние между двумя верхними нулевыми делениями, нанесенными на боковых трубках, составляет l = 48,5 см. Чтобы получить всю длину, необходимо по миллиметровой шкале измерить расстояние на обеих боковых трубках от верхнего нулевого деления до границы раствора сернокислой меди l 1 и l 2 и прибавить к длине l, т. е. Z = l 1 + l 2 + l. Электроды соединяют с источником постоянного тока с напряжением 200 -220 вольт, медленно открывают оба нижних крана прибора, включают источник тока и наблюдают за передвижением границ золя. Когда уровень золя в одном колене дойдет до нулевого деления шкалы, включают секундомер. Затем отмечают время, в течение которого граница золя проходит каждые 5 мм шкалы. Во время опыта необходимо следить за постоянством напряжения по вольтметру, включенному параллельно с электродами. Результаты записываются в таблицу 8. Таблица 8 t, сек l, см Е, В Z, см Н, ед. СGSE U, ед. СGSE ξ, В Где t - время, l - расстояние, пройденное золем, E – напряжение, Z – длина, H - градиент потенциала, U - электрофоретическая скорость. Затем вычисляют и вносят в эту таблицу следующие величины: 1) градиент потенциала Н, выраженный в системе Н = Е / 300 z 2) электрофоретическую скорость u = l / (H t) 3) величину электрокинетического потенциала, выраженную в вольтах: ξ = (4πη/D) V 300 (В) где D - диэлектрическая постоянная воды, равная 81; η - вязкость воды при температуре опыта в пуазах. После окончания электрофореза необходимо вылить боковую жидкость и золь и сполоснуть прибор дистиллированной водой. Работа 2. Исследование электроосмоса через пористую мембрану Цель работы: определение электрокинетического потенциала по скорости электроосмотического переноса жидкости. Порядок выполнения работы. Для изучения явлений электроосмоса обычно ставят опыт не с одним капилляром, а с порошком или с пористой перегородкой, состоящей из очень большого количества капилляров разнообразной формы и размеров. Из приборов для изучения электроосмоса, применяемых в лаборатории, широко распространен прибор, изображенный на рисунке 6, который используется для измерения ξ-потенциала порошков. Рис. 6. Прибор для определения ξ-потенциала с помощью электроосмоса. Исследуемое порошкообразное вещество (тальк) взбалтывают в конической колбе емкостью 250 мл с большим количеством раствора 0,005 н НС1 (150 - 200 мл), по отношению к которому должен быть определен ξ-потенциал, и затем оставляют на некоторое время (не менее 40 мин) для наступления адсорбционного равновесия. После отстаивания раствор отфильтровывают на воронке Бюхнера (фильтрат не выливать!) и порошком набивают нижнюю суженую часть стеклянного сосудика 1. + - 1 2 3 4 5 5 6 6 7 Чтобы порошок при наполнении не проваливался через отверстие, имеющееся в дне сосудика, дно последнего можно прижать к чистому марлевомутампону (можно и к фильтровальной бумаге). Таким путем образуется пористая перегородка (мембрана). После этого весь сосудик 1 и стакан 2, в который погружена нижняя часть сосудика, заполняют той жидкостью, с которой настаивался порошок (фильтрат). Необходимо особенно тщательно следить за тем, чтобы при заполнении сосудика в нем не оставалось пузырьков воздуха и чтобы частицы суспензии не попали в капилляр 7. Сосудик закрепляют в штативе и закрывают резиновой пробкой, через которую проходит сифон 3, наполненный студнем агар-агара. Другой такой же сифон 4 подводится под нижнюю часть сосудика. Наружные концы сифонов 3 и 4 погружаются в стаканчики с 10%-раствором сернокислой меди 5, в которые опущены медные электроды 6, соединенные с источником постоянного тока (напряжение от 80 В и выше). Последовательно с электродами в цепь включается миллиамперметр и параллельно - вольтметр. При включении тока жидкость начинает передвигаться к тому или другому полюсу, что можно заметить по движению мениска в горизонтально расположенном капилляре 7. Зная, к какому полюсу передвигается жидкость, можно определить, как она заряжена. Знак заряда порошка, очевидно, будет одинаков со знаком заряда источника постоянного тока, к которому движется жидкость. Во время опыта напряжение и сила тока должны быть постоянными. Ток включают только после того, как положение мениска в капилляре не изменяется заметным образом в течение пяти минут. Перед включением тока переключатель чувствительности миллиамперметра должен быть поставлен на наименьшую чувствительность. Так как помимо электроосмоса движение жидкости в капилляре может происходить за счет других сил (смачивание, разное гидростатическое давление, тепловое расширение и др.), то для определения чисто электроосмотического эффекта во время опыта несколько раз изменяют направление тока, проходящего через прибор. Для этого пропускают ток в одном направлении в течение 5 минут и измеряют расстояние, на которое сместился мениск жидкости в капилляре. Затем меняют полюса и производят измерения при движении жидкости в обратную сторону. Поскольку другие силы, помимо электроосмотических, складываясь, помогают движению жидкости только в одном направлении, то истинным смещением мениска в капиллярной трубке будет среднее арифметическое смещений, наблюдаемых при прямом и обратном направлениях тока. Прежде чем приступить к вычислению из полученных данных электрокинетического потенциала, необходимо измерить электропроводность дисперсионной среды суспензии. Для этого с помощью реохордного моста типа Р-38 измеряют сопротивление 0,01 н раствора КС1 (R KCl )и, пользуясь формулой K = R KCl χ KСl , определяют постоянную (значение χ KСl для различных температур приведены в таблице). Затем измеряют сопротивление фильтрованной дисперсионной среды (R x ) и по формуле χ = K / R x определяют удельную электропроводность среды. Результаты измерений и расчетов записывают в таблицу 9. Таблица 9 χ, ом -1 см -1 I, А t, сек H, см H cр , см r, см Q, см 3 ξ, В где χ- удельная электропроводность, I - сила тока, t - время протекания жидкости, H - смещение мeниска в капилляре, H ср - среднее смещение мениска в капилляре, r - радиус капилляра, Q - объем переносимой жидкости. Величины электрокинетического потенциала вычисляются формуле ξ = (4π η Q χ) / (I t D) где Q - объем жидкости, перенесенной в результате электроосмоса за время t при силе тока I, χ - удельная электропроводность дисперсионной среды. Объем жидкости, перенесенной в результате электроосмоса (Q), определяется по формуле Q = πr 2 h ср Где r - радиус капилляра; h ср - истинное смещениеменискав капилляре. При вычислении величины ξ-потенциала следует помнить, что в уравнении электрические величины должны быть выражены в системе абсолютных электростатических единиц. Если же величина χ выражена в см -1 , а сила тока в амперах, то ξ = (4π η Q χ) / (I t D) 300 2 (В)(13) Работа 3. Определение изоэлектрической точки желатина Цель работы: изучение зависимости светорассеяния желатина от рН и определение изоэлектрической точки желатина. Порядок выполнения работы. Навеску желатины (2 г) залить в колбочке 25 мл дистиллированной воды и оставить набухать в течение 20 минут, затем колбочку перенести на водяную баню, нагретую до 50-60°С. Раствор перемешивать палочкой до растворения желатины, затем долить воды так, чтобы общий объем раствора составлял 200 мл. Горячий раствор профильтровать через складчатый фильтр и разлить в 8 пронумерованных колбочек по 25 мл в каждую. Затем добавлением кислоты или щелочи из микробюретки довести растворы до нужных значений рН в интервале 2-9, пользуясь таблицей 10. Таблица 10 №№ колб 1 2 3 4 5 6 7 8 рН 2,0 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 7,0 9,0 0,1 HСl, мл 2,0 1,3 0,9 0,65 0,25 - - - 0,1 NaOH, мл - - - - - - 0,24 0,38 вода, мл - 0,7 1,1 1,35 1,75 2,0 1,76 1,62 величина светопропускания, % После перемешивания растворов (без взбалтывания) колбы установить в гнезде металлической ванны и охладить проточной водой в течение 5 минут. Измерение мутности растворов желатины проводят на приборе ФЭК 56М (см. главу "Оптические свойства дисперсных систем”). Результаты представляют в виде графика зависимости % светопропускания от рН растворов. Определяют изоэлектрическую точку желатины. Работа 4. Определение изоэлектрической точки казеина Цель работы: определение изоэлектрической точки по мутности растворов визуальным методом. Порядок выполнения работы. Раствор белка казеина устойчив только в определенной области рН, когда коллоидные частицы несут на себе электрический заряд. В изоэлектрической точке наблюдается максимум мутности. На этом основан метод определения изоэлектрической точки казеина. 0,2 г казеина растворяют при нагревании на водяной бане (температура 40 - 50°) в 5 мл 1 н раствора уксуснокислого натрия. Если растворение не наступает, то добавляют немного воды. Полученный раствор выливают в мерную колбу емкостью 50 мл и, доводя дистиллированной водой дометки, получают раствор казеина в 0,1 н растворе CH 3 СООNa. По 1 мл этого раствора наливают в 9 пробирок, в которые предварительно налита вода и уксусная кислота в следующих количествах (таблица 11). Таблица 11 Номера пробирок Дистил. вода, мл 0,01 н CH 3 COOH, мл 0,1 н CH 3 COOH, мл 1 н CH 3 COOH, мл Раствор казеина 1 8,38 0,62 - - 2 7,75 1,25 - - 3 8,75 - 0,25 - 4 8,5 - 0,5 - 5 8 - 1 - 6 7 - 2 - 7 5 - 4 - 8 1 - 8 - 9 7,4 - - 1,6 Через 30-40 минут отмечают, в каких пробирках произошло помутнение или выпал осадок. Помутнение обозначается знаком +, хлопьеобразование - х. Чем больше помутнение, тем больше ставят крестиков. В заключение определяют рН растворов, в которых произошло наибольшее помутнение (см. руководство "рН-метрия"). МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ Седиментационная устойчивость дисперсных систем При изучении дисперсных систем с частицами достаточно большой массы необходимо принимать во внимание влияние гравитационного поля (земного притяжения) на систему. В подобных системах частицы дисперсии под действием гравитационного поля будут оседать (седиментировать). В результате этого в системе устанавливается либо определенное равновесное распределение частиц по высоте, либо, если частицы достаточно тяжелы, все они выпадут в осадок. Способность дисперсной системы сохранять равномерное распределение частиц по всему объему принято называть седиментационной или кинетической устойчивостью системы. О седиментационной устойчивости можно говорить только при рассмотрении свободнодисперсных систем, когда каждая частица свободна и находится в тепловом движении. Грубодисперсные системы седиментационно неустойчивы и оседают, так как частицы их тяжелы и практически не могут осуществлять теплового (броуновского) движения. Высокодисперсные системы (газы, истинные растворы) обладают высокой кинетической устойчивостью. Коллоидные системы (аэрозоли, лиозоли) по устойчивости занимают промежуточное положение. Для кинетически неустойчивых систем с относительно малыми размерами частиц на равновесное распределение частиц по высоте могут влиять самые незначительные толчки и сотрясения, а также неравномерная температура в различных участках системы. Для высокодисперсного золя золота достаточно колебаний температуры на 0,001 о С в течение часа, чтобы седиментация была полностью исключена за счет конвекционных потоков. Наблюдение за скоростью седиментации в суспензиях, почти полностью кинетически неустойчивых дисперсных системах с достаточно большими частицами, позволяет определять размер дисперсных частиц. Применяющиеся при этом методы называются методами седиментационного анализа. Принцип седиментационного анализа В практике физико-химического исследования суспензий очень распространенным методом является седиментационный анализ, который заключается в изучении скорости оседания (седиментации) частиц, взвешенных в той или иной среде, и позволяет определять размер частиц. Оседание частиц в жидкости происходит под действием силы тяжести - веса частиц, величина которого для частиц шарообразной формы с учетом гидростатической поправки равна: Р = 4/3 π r 3 (D-d) g (1) где r - радиус частиц; D - плотность вещества; d - плотность жидкости; g - ускорение силы тяжести. Оседанию частиц противодействует сила вязкого сопротивления жидкой среды, определяемая законом Стокса: f = 6 π η r u (2) где η - вязкость жидкости; u - скорость движения частицы. Вначале под действием постоянной силы Р частица движется ускоренно, так как сила Р больше силы f. По мере увеличения скорости сила f растет. К некоторому моменту эти силы становятся равными, с этого момента частица движется с постоянной скоростью и. Из условия Р = f и, соответственно: 4/3 π r 3 (D-d) g = 6 π η r u (3) можно установить зависимость между r и u: g d D u r ) ( 2 3 − = η (4) Так как для данной системы ηи (D - d) - величины постоянные, то, вводя в уравнение (4) постоянную: g d D C ) ( 2 3 − = η , получаем u C r = (5) Это уравнение применимо для определения размеров частиц в водных суспензиях с размерами частиц от 0,1 до 100 мкм. Для частиц таких размеров применим закон Стокса, а время нарастания скорости до постоянного значения составляет малые доли секунды и не оказывает влияния на расчеты. Более крупные частицы, размером более 100 мкм, значительную часть пути движутся ускоренно, и уравнение Стокса становится неприменимым. Частицы размером менее 0,1 мкм оседают крайне медленно и могут образовывать седиментационно-устойчивые системы, в которых оседанию частиц противодействует диффузия. |