ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАК. КОЛХИМ. Практикум по коллоиднойхими и саранск Издательство Мордовского университета 2007 удк 541. 18
 Скачать 0.79 Mb.
|
|
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева» С. И. Демкина, Е. П. Коновалова, Л. А. Живечкова ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО К О Л Л О И Д Н О Й Х И М И И Саранск Издательство Мордовского университета 2007 УДК 541.18 Составители: С. И. Демкина, Е. П. Коновалова, Л.А. Живечкова Лабораторный практикум по курсу «Коллоидная химия»: метод. указания к самостоятельной работе / сост.: С. И. Демкина, Е. П. Коновалова, Л.А. Живечкова. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. – 61 с. Методические указания содержат программу курса, перечень лабораторных работ по коллоидной химии для студентов специальности 020100 «Химия». В В Е Д Е Н И Е Предметом изучения коллоидной химии являются дисперсные системы и явления, протекающие на границе раздела фаз. Современная коллоидная химия существенно расширила сферу научных интересов и превратилась в одну из фундаментальных химических наук. В настоящее время коллоидно-химические закономерности необходимо учитывать в самых разнообразных отраслях промышленности, сельского хозяйства, при изучении многих природных явлений, а также практически во всех сферах деятельности человека. В этой связи коллоидная химия является базовой дисциплиной для подготовки высококвалифицированных специалистов: химиков, биотехнологов, экологов и т.п. Для успешного освоения данного курса необходимо, наряду с изучением теоретических основ, уделять большое внимание лабораторному практикуму, задача которого состоит в обучении студентов экспериментальному исследованию поверхностных явлений на различных границах раздела, методам получения дисперсных систем и изучению их свойств. Данный практикум содержит описание лабораторных работ, причем каждой из них предшествует краткое изложение теоретического материала, позволяющее студенту на этапе подготовки получить четкое представление о сущности выполняемой работы. После каждой работы приводится перечень контрольных вопросов для самостоятельной оценки изучаемого материала. Представленные лабораторные работы отражают материал основных разделов коллоидной химии и соответствуют требованиям действующего Государственного образовательного стандарта. Содержание программы данной дисциплины излагается в лекционном курсе, закрепляется в лабораторном практикуме и на семинарских занятиях. Часть материала выносится на самостоятельную проработку и выдается в виде реферата или индивидуального задания. Для осуществления контроля качества усвоения знаний в течение семестра каждый студент выполняет по указанию преподавателя 6 лабораторных работ, 3 домашние и 2 аудиторные контрольные работы, 2 тестовых задания, сдает 3 коллоквиума. Перечисленные контрольные точки мониторинга качества знаний оцениваются в баллах, которые затем суммируются и образуют индивидуальный кумулятивный индекс студента, учитывающийся при выставлении оценки на экзамене. П Р О Г Р А М М А дисциплины «К О Л Л О И Д Н А Я Х И М И Я» (составлена на основе типовой программы) Введение Основные понятия коллоидной химии, объекты и цели изучения. Дисперсные системы; характеристика дисперсной фазы. Количественное определение дисперсности: наименьший размер частиц, дисперсность, удельная поверхность, кривизна поверхности частиц дисперсной фазы. Роль поверхностных явлений в процессах, протекающих в дисперсных системах. Различные типы классификации дисперсных систем: по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по размерам частиц, по степени взаимодействия частиц дисперсной фазы и т.д. Лиофильные и лиофобные дисперсные системы. Взаимосвязь коллоидной химии с другими химическими дисциплинами, с физикой, биологией, геологией, медициной и др. Основные этапы развития коллоидной химии. Новые направления и объекты (наносистемы, микроэмульсии, биоколлоиды, тонкие пленки и др.), изучаемые коллоидной химией. Часть I. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ 1. Свойства поверхностей и поверхностные явления Поверхность раздела фаз. Функция Гиббса поверхности. Свободная поверхностная энергия. Поверхностное натяжение, силовая и энергетическая трактовки. Метод избыточных термодинамических функций поверхностного слоя по Гиббсу. Обобщенное уравнение первого и второго законов термодинамики для поверхности раздела фаз. Изменение величины поверхностного натяжения жидкости на границе с собственным паром в зависимости от температуры. Адгезия и когезия, их количественные характеристики. Уравнение Дюпре. Смачивание и растекание жидкости. Краевой угол смачивания. Условия смачивания и растекания. Уравнение Юнга. Энтальпия смачивания. Коэффициент растекания Гаркинса. Эффект Марангони и правило Антонова. Практическое значение явлений адгезии и смачивания. Кривизна поверхности раздела фаз и капиллярные явления. Влияние кривизны поверхности на внутреннее давление тел. Уравнения Лапласа для сферических и цилиндрических поверхностей. Взаимосвязь высоты капиллярного поднятия с величиной краевого угла, уравнение Жюрена. Уравнение капиллярной конденсации Кельвина (Томсона). 2. Адсорбция на поверхности раздела фаз Адсорбция на твердой поверхности. Классификация механизмов адсорбции, природа адсорбционного взаимодействия. Теория мономолекулярной адсорбции. Вывод уравнения Ленгмюра, его анализ и решение. Степень заполнения поверхности. Уравнение Фрейндлиха. Теории полимолекулярной адсорбции Поляни, БЭТ. Энергетические параметры адсорбции (Н, S, G). Кинетика адсорбции. Адсорбция на пористых телах. Способы получения и характеристики пористых тел. Капиллярная конденсация и распределение пор по размерам. Адсорбция на границе раздела жидкость – газ (жидкость). Адсорбция ПАВ. Органические поверхностно-активные вещества (ПАВ). Классификация ПАВ по молекулярному строению (анионо- и катионоактивные, неионогенные, амфолитные); области применения ПАВ. Классификация ПАВ по механизму их действия (смачиватели, диспергаторы, стабилизаторы, моющие вещества). Понятие о гидрофильно-липофильном балансе (ГЛБ) молекул ПАВ. Вывод уравнения Гиббса. Поверхностная активность. Влияние концентрации ПАВ и температуры на поверхностное натяжение. Уравнение Шишковского и правило Траубе. Двухмерный газ, уравнение состояния поверхностных пленок. Весы Ленгмюра, определение размеров ПАВ, определение удельной поверхности адсорбентов. Поверхностные пленки. Методы определения поверхностного натяжения (капиллярного поднятия, наибольшего давления пузырька воздуха, отрыва кольца, сталагмометрический). 3. Электроповерхностные явления в дисперсных системах Двойной электрический слой (ДЭС). Причины образования ДЭС. Термодинамическое равновесие поверхности раздела фаз. Модели строения ДЭС (теории Гельмгольца, Гуи – Чемпена, Штерна) на примере дисперсных систем. Изменение потенциала по мере удаления от заряженной поверхности. Электрокинетический потенциал; влияние концентрации и заряда ионов вводимых электролитов на его величину. Строение мицеллы гидрофобного золя. Введение электролитов. Перезарядка золей. Основы ионного обмена. Лиотропные ряды. Изоэлектрическое состояние в дисперсных системах; методы определения изоэлектрической точки. Электрокинетические явления: электрофорез, электроосмос, потенциалы течения и оседания; теории Гельмгольца – Смолуховского. Методы определения электрокинетического потенциала. Практические приложения электрокинетических явлений. Электрокапиллярные явления. Понятие об электроповерхностных явлениях: капиллярном осмосе, диффузиофорезе. Часть II. КОЛЛОИДНЫЕ (ДИСПЕРСНЫЕ) СИСТЕМЫ Лиофобные и лиофильные дисперсные системы Диспергационные методы получения дисперсных систем (золей, эмульсий, пен, аэрозолей). Роль ПАВ в процессах получения дисперсных систем. Использование эффекта Ребиндера для уменьшения работы диспергирования. Процессы диспергирования в природе и технике. Конденсационные способы получения дисперсных систем. Условия образования золей при проведении химических реакций. Пептизация. Посредственная и непосредственная пептизация. Основные методы очистки золей (диализ и ультрафильтрация). Особенности оптических свойств дисперсных систем и общие оптические методы анализа поверхностных слоев и дисперсности. Оптические методы дисперсионного анализа: световая и электронная микроскопия. Рассеяние света, уравнение Рэлея. Методы исследования рассеяния света – ультрамикроскопия, нефелометрия и турбидиметрия. Поглощение света и окраска золей, мутность раствора. Форма частиц и двойное лучепреломление. Термодинамика образования лиофильных коллоидных систем. Свойства растворов коллоидных ПАВ. Механизм мицеллообразования. Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ), основные методы ее определения. Эмпирические закономерности изменения ККМ и минимального значения поверхностного натяжения на границе раздела раствор ПАВ – воздух в гомологических рядах ПАВ. Строение прямых и обратных мицелл при различных концентрациях ПАВ. Солюбилизация в водных и неводных средах; ее зависимость от температуры. Типы дисперсных систем (эмульсии, пены, аэрозоли) Эмульсии. Классификация, определение степени дисперсности. Эмульгаторы, принципы выбора ПАВ для стабилизации прямых и обратных эмульсий. Роль ГЛБ молекулы ПАВ в стабилизации эмульсий. Эмульсионные пленки; их строение и факторы, влияющие на устойчивость эмульсионных пленок. Обращение фаз в эмульсиях. Твердые эмульгаторы. Методы разрушения эмульсий. Практическое применение эмульсий. Пены. Строение пен и их классификация. Кратность пен. Пенообразователи, эффективность их влияния и связь с ГЛБ используемых ПАВ. Влияние электролитов на пенообразующую способность ПАВ. Пенные пленки, строение, факторы устойчивости. Черные пленки. Практическое применение пен (примеры). Использование пен для моделирования физико-химических процессов (зарождение и перемещение дислокаций и др.). Классификация аэрозолей по агрегатному состоянию частиц дисперсной фазы. Методы получения и измерения размеров аэрозольных частиц. Молекулярно-кинетические свойства аэрозолей (высоко- и грубодисперсных). Электрические свойства аэрозолей, причины возникновения заряда на поверхности частиц. Агрегативная устойчивость аэрозолей. Способы и особенности разрушения аэрозолей. Практическое использование аэрозолей (примеры). Часть III. УСТОЙЧИВОСТЬ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ 1. Седиментационная устойчивость Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем. Броуновское движение. Среднеквадратичное смещение. Диффузия в коллоидных системах. Закон Эйнштейна. Седиментационный анализ полидисперсных систем. Константа седиментации. Интегральная и дифференциальная кривые распределения частиц по размерам; построение кривых по данным кинетики накопления осадка. Седиментационно-диффузионное равновесие. Определение числа Авогадро методом Перрена. Применение ультрацентрифуг для измерения массы ультрадисперсных частиц и макромолекул (Думанский, Сведберг). 2. Агрегативная устойчивость Теория устойчивости гидрофобных золей (теория ДЛФО). Расклинивающее давление по Дерягину. Молекулярная составляющая расклинивающего давления. Учет молекулярной природы контактирующих фаз для тонких пленок и сферических частиц. Электростатическая составляющая расклинивающего давления. Зависимость энергии взаимодействия частиц дисперсной фазы от расстояния между ними. Основные факторы, влияющие на агрегативную устойчивость дисперсных систем. Эффективная упругость тонких пленок. Эффект Марангони–Гиббса; причины возникновения. Гидродинамические особенности утоньшения пленок. Структурно-механический барьер (теория Ребиндера). Реологические свойства адсорбционных слоев ПАВ (стабилизаторов коллоидных систем). Защитные коллоиды. 3. Коагуляция золей электролитами Механизм электролитной коагуляции. Порог коагуляции; зависимость критической концентрации электролита от размера и заряда коагулирующего иона (правило Шульце – Гарди). Антагонизм и синергизм в действии электролитов на процесс коагуляции. Коагуляция сильно и слабо заряженных золей (концентрационная и нейтрализационная коагуляция). Обоснование правила Шульце – Гарди. Кинетика коагуляции. Теория быстрой коагуляции Смолуховского. Основные положения теории медленной коагуляции Фукса. Обратимость процесса коагуляции. 4. Основы физико-химической механики Структурообразование в дисперсных системах. Возникновение и развитие пространственных структур. Природа контактов между элементами структур. Периодические структуры. Образование и свойства гелей. Коагуляционные структуры. Условия образования, механические свойства. Явление тиксотропии. Кристаллизационные структуры. Механические свойства кристаллизационных структур. Описание дисперсных систем на основе реологических моделей (Максвелла, Кельвина, Бингама, Шведова). Полная реологическая кривая. Физико-химические методы регулирования структурно-механических свойств дисперсных систем на различных стадиях их формирования как основная задача физико-химической механики. Часть IV. КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ ПРИРОДЫ Методы очистки природных и сточных вод, основанные на изменении агрегативной и седиментационной устойчивости дисперсных систем. Микрофильтрация и ультрафильтрация. Гетерокоагуляция как метод разделения дисперсных систем. Микрофлотация. Применение коагулянтов и флокулянтов для очистки воды. Электрофильтрация. Мембранные методы разделения дисперсных систем. Р оль аэрозолей в загрязнении окружающей среды. Л А Б О Р А Т О Р Н Ы Е Р А Б О Т Ы Требования, предъявляемые к выполнению и оформлению лабораторных работ Выполнять работу в лаборатории разрешается только после ознакомления с правилами по технике безопасности, общими для химических лабораторий. Основным местом выполнения лабораторных работ является рабочий стол, на котором необходимо соблюдать чистоту и порядок. Во время проведения опыта на рабочем месте не должно быть ничего лишнего; все предметы следует расставить в определенном порядке так, чтобы их удобно было брать, не задев стоящие рядом принадлежности. Склянки с реактивами общего пользования должны находиться на определенном месте; их нельзя переносить на рабочие столы. Выполняя опыты, нужно пользоваться растворами только указанной концентрации и соблюдать рекомендуемую дозировку. Не делать дополнительных опытов без разрешения преподавателя. Следует работать без лишней торопливости и проявлять бережное отношение к приборам и реактивам. В лаборатории следует соблюдать правила техники безопасности. Прежде чем приступить к выполнению лабораторной работы, необходимо получить от преподавателя допуск. Для этого требуется: а) знание методики выполнения работы и теоретической части коллоидной химии, к которой относится ее тема; б) наличие конспекта работы в отдельной тетради (лабораторном журнале) с указанием цели, необходимых реактивов и оборудования, описанием проведения эксперимента, схемы приборов, при помощи которой она выполняется, внешних условий (температура, давление, начальные концентрации). По ходу выполнения экспериментальной части лабораторной работы результаты исследования записываются в лабораторный журнал, который является одновременно и отчетом о проделанной работе. Запись количественных результатов наблюдений наиболее желательна в форме таблицы. Поскольку в коллоидной химии многие функциональные зависимости представляются в виде графиков, то и обработка экспериментальных данных проводится графически (графики выполняются строго на миллиметровой бумаге). На ось ординат наносится функция, на ось абсцисс – аргумент с указанием единиц измерения. На оси наносится шкала согласно заданному масштабу (единицы масштаба должны быть выбраны сообразно точности отсчета при эксперименте). По экспериментальным точкам проводится усредняющая линия. Выпавшие точки не используются, но на графике показываются. На листе с построенным графиком должны быть указаны номер работы, наименование графика, объект исследования и фамилия студента. Обработка экспериментальных данных в каждой работе (определение абсолютной и относительной ошибок, уравнение линейной регрессии, коэффициент корреляции) необходимо проводить на персональном компьютере с использованием прикладных пакетов программ «MathLAB», «MathCAD» и «Excel». В заключительной части отчета следует провести обсуждение полученных данных и сделать выводы. Р А Б О Т А № 1 Изучение адсорбции уксусной кислоты углем ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Поверхностные явления протекают на границе раздела фаз и связаны с особенностями поверхностных слоев между соприкасающимися фазами, а именно: их структурой, составом и наличием избыточной функции Гиббса поверхности Gs. В изобарно-изотермических условиях Gs= S, (1.1) где поверхностное натяжение, Дж/м2; S площадь поверхности, м2. Стремление системы к уменьшению функции Гиббса поверхности может реализоваться через уменьшение, как величины (фактора интенсивности), так и величины S (фактора емкости), что выступает движущей силой процесса адсорбции. К поверхностным явлениям относится адсорбция процесс накопления (повышения концентрации) вещества одной фазы поверхностью другой фазы. Это самопроизвольный процесс, протекающий на различных поверхностях раздела фаз (твердое тело газ, твердое тело раствор, жидкость газ, жидкость жидкость), имеющих общие основные закономерности. При этом вещество, накапливающееся на поверхности, называется адсорбатом, или адсорбтивом, а поглощающее вещество адсорбентом. В качестве адсорбентов используют высокопористые материалы с развитой поверхностью: активированные угли, силикагель, пористые полимерные смолы и др. Адсорбция представляет собой частный случай процесса сорбции поглощения каким-либо веществом других веществ. Если поглощение не ограничивается поверхностным слоем, а происходит во всем объеме, то этот процесс называется абсорбция. Процесс, обратный сорбции, называется десорбция. В зависимости от характера взаимодействия адсорбента и адсорбата различают адсорбцию физическую и химическую (хемосорбция). Физическая адсорбция обусловлена проявлением сил Ван-дер-Ваальса, хемосорбция осуществляется путем образования химических связей. Характер реализуемого взаимодействия определяет свойства физической адсорбции и хемосорбции. Физическая адсорбция характеризуется обратимостью и установлением адсорбционного равновесия; уменьшением адсорбции при повышении температуры. Хемосорбция необратима, при десорбции происходит выделение не исходного адсорбтива, а продукта его взаимодействия с адсорбентом. Количественной характеристикой адсорбции на твердой поверхности служит величина удельной адсорбции А, которая определяется числом моль или массой вещества, накапливающегося на поверхности раздела фаз, в расчете на единицу площади:  (моль/м2, кг/м2). (1.2а)Величину удельной адсорбции на твердой пористой поверхности обычно выражают числом моль поглощенного вещества единицей массы адсорбента:  (моль/кг, кг/кг), (1.2б)где А удельная адсорбция, моль/кг; |