3308 Химия

Лабораторная работа № 2

КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ

 

 

 

Цель работы

Ознакомиться с получением и свойствами коллоидных растворов.

Краткие теоретические сведения

Системы, в которых одна составная часть распределена в мелко-раздробленном состоянии в среде другой,  называются дисперсными.

Составная часть,  распределенная в виде отдельных мелких твер­дых частиц, капелек жидкости или пузырьков газа,  составляет дис­персную фазу,  а другая часть, окружающая частицы дисперсной фазы, называется дисперсионной средой.

Дымы и туманы в воздухе,  взвеси глины или песка в воде, кол­лоидные растворы,  содержащие частицы, более крупные, чем обычные молекулы, и,  наконец, истинные растворы, молекулярные или ионные, - все это различные дисперсные системы.

В зависимости от размера частиц дисперсной фазы cистемы делятся на:

а) взвеси - диаметр частиц дисперсной фазы более 100 ммк;

б) коллоидные растворы - размер частиц дисперсной фазы  от 1 - I00 ммк или 10-7 –10-9 м;

в) истинные растворы - диаметр частиц дисперсной фазы меньше I ммк (10-9 м).

Компонентами, составляющими раствор,  являются растворитель,  растворенное вещество и продукты их взаимодействия.

В коллоидных растворах массы растворенных частиц больше, чем в истинных растворах,  поэтому коллоидные системы менее устойчивы.

Существует два метода получения веществ в коллоидном состоянии.

Один - дисперсионный - состоит в раздроблении крупных частиц до размера  коллоидных, другой - конденсационный - заключается в объедине­нии

-11-

 

многих молекул или атомов в коллоидные частицы.

Диспергирование (измельчение) осуществляется механическим пу­тем - вещества растирают в ступе или измельчают на специальных мельницах.

Конденсационный метод иногда основан на химических реакциях.

При образовании коллоидных систем большую роль играют адсорб­ционные явления.

Коллоидные растворы,  в которых дисперсионной средой ( "раство­рителем") является жидкость,  называются золями (если вода - гидрозолями). Если же дисперсионной средой является газ,  то такие системы называются аэрозолями (дымы,  туманы).

Если дисперсионная среда - жидкость,  а дисперсная фаза - газ,  то такие системы называются пенами.

Рассмотрим,  например, образование золя сульфида мышьяка. Его получают иногда при взаимодействии хлорида мышьяка As2S3 и сульфида натрия  Nа2S:

 

2AsCl3 + 3Na2S = As2S3 + 6NaCl.

 

Сульфид мышьяка весьма мало растворим в воде, однако при опре­деленных условиях опыта осадок не появляется, а образуется коллоид­ный раствор, окрашенный в желтый цвет. При этом молекулы соединяют­ся вместе, образуя более крупные частицы:

m As2S3 → ( As2S3 )m - ядро.

Благодаря значительному размеру этих частиц на поверхности ра­здела создаются условия, необходимые для явлений адсорбции. Затем ионы адсорбируются на частицах, которые вследствие этого приобрета­ют одноименные электрические заряды.

[(As2S3)m . nHS]n- - гранула.

Появление зарядов мешает объе­динению частиц в более крупные агрегаты, которые могли бы выпасть в осадок.

Коллоидная частица,  окруженная двойным электрическим слоем ионов, называется мицеллой:

{[(As2S3)m . nHS]n- (n-x)H+}x-.xH+.

Таким образом,  адсорбция ионов из раствора предотвращает выпадение осадка и определяет устойчивость золя.

На рис.  I схематично изображено строение коллоидной частицы и

 

 

мицеллы сульфида мышьяка.

 

-12-

 

H+

H+ H+ H+

H+ HS- HS- H+ 1

H+ HS- (As2S3)m HS -                           2

HS- HS                           3

4

H+ H+ H+ H+

Рис. I. Структура мицеллы сульфида мышьяка:

 

1 - ядро коллоидной частицы;

2 - ионы HS-, адсорбированные ядром;

3 - противоионы, адсорбированные ядром (ионы Н+ );

4 - противоионы диффузного слоя (ион Н+).

Ионы HS-­, показанные в адсорбционном слое, появились в раст­воре в результате гидролиза сернистого натрия, введенного в раствор в избыточном количестве:

S2- + HOH = HS- + OH-

Благодаря адсорбции ионов HS- сульфид мышьяка не выпал в осадок, а образовался его коллоидный раствор. Ионы Н+, дальше расположенные от остова частицы и менее прочно с ней связанные, осуществляют связь частиц с окружающей средой. Обычно такие ионы называют противоионами диффузного слоя.

Подобно коллоидной частице сульфида мышьяка построены частицы золей металлов и гидроксидов металлов. Заряд коллоидной частицы оп­ределяется зарядом ионов адсорбционного слоя. Мы рассмотрели отрица­тельно заряженную коллоидную частицу.

Некоторые вещества в коллоидной степени дисперсности способны адсорбировать на своей поверхности много молекул растворителя, ко­торые образуют сольватную оболочку (если дисперсионная среда - во­да, то гидратную). Такие коллоиды называются лиофильными (клей, же­латин и др.). Сольватные оболочки, так же как и адсорбированные ионы, обуславливают устойчивость коллоидных растворов, так как пре­пятствуют сближению коллоидных частиц.

Коллоиды, не адсорбирующие растворитель, называются лиофобными (золи металлов, сульфидов и др.).

Коллоидные растворы обладают своеобразными электрическими и оптическими свойствами.

-13-

 

При пропускании электрического тока через коллоидный раствор все

коллоидные частицы движутся в сторону одного полюса, а противо­ионы - к другому.

Явление перемещения коллоидных частиц под действием электрического тока называется электрофорезом.

Частицы дисперсных систем хорошо рассеивают свет. Вследствие  этого путь яркого пучка света, проходящего через дисперсную систему перпендикулярно к оси зрения наблюдателя, виден на всем протяжении. Сходящиеся лучи образуют в поле зрения светлый конус, называемый   конусом Тиндаля. Благодаря явлению Тиндаля можно отличить коллоидный    раствор от истинного.

Коллоидные растворы неокрашенных веществ кажутся голубоватыми в   отраженном и желтоватыми в проходящем свете, потому что синие лучи как более короткие  сильнее рассеиваются частицами. Такое различие окраски при рассматривании растворов в проходящем и отраженном свете, обусловленное светорассеянием, называется опалесценцией.

Укрупнение частиц коллоидного раствора под влиянием молекуляр­ных сил притяжения называется коагуляцией. Коагуляцию лиофильных, на­иболее устойчивых, коллоидов можно осуществить, разрушив гидратную оболочку приливанием водоотнимающих средств (спирта или концентриро­ванных растворов солей).

Коагуляция может быть вызвана удалением ионов адсорбционного слоя.

Если в коллоидный раствор ввести электролит, то один из ионов электролита, заряд которого противоположен заряду ионов адсорбцион­ного слоя, вызовет нейтрализацию заряда коллоидной частицы. Незаря­женные частицы начнут слипаться, укрупняться и выпадут в осадок.

Чем больше заряд коагулирующего иона, тем больше его коагулиру­ющая способность. Коагуляция может быть вызвана смешением коллоидных систем, имеющих разные заряды коллоидных частиц. На способе вза­имной коагуляции основана очистка воды.

Коагуляция в любой коллоидной системе может быть вызвана и по­вышением температуры. С повышением температуры уменьшается адсорб­ция ионов, что ведет к уменьшению заряда коллоидных частиц.

Интерес­но явление “коллоидной защиты”, которое заключается в том, что не­которые лиофильные золи, добавленные в небольшом количестве к лиофобным золям, значительно увеличивают устойчивость последних по от­ношению к электролитам.

Защитное действие лиофильных коллоидов объясняется их способ­ностью адсорбироваться на поверхности лиофобных частиц и тем самым предохранять

-14-

 

последние от непосредственного соприкосновения между собой, а значит и от укрупнения.

Некоторые коллоидные растворы при изменении условий хранения (увеличение температуры, повышение концентрации) переходят в гели.

Гели - это особое состояние коллоидного раствора, связанное с потерей текучести и образованием сплошной массы, заполняющей все пространство, которое занимал коллоидный раствор.

Гели - это образование из молекул высокомолекулярных соедине­ний, включающих молекулы растворителя. При высушивании гелей обра­зуется сухой коллоид, т.к. растворитель удаляется. При этом объем осадка не изменяется, т.е. образуется высокопористый остов, спо­собный к поглощению влаги своей высокоразвитой поверхностью. Поэ­тому сухие гели могут быть использованы неоднократно в роли осуши­телей. Например, селикогель в виде гранул прозрачного цвета используют как влагопоглотитель в радиопромышленности или при защите металла от коррозии. По изменению окраски гранул в розово-фиолетовую судят о необходимости их замены для дальнейшей просушки и повторного ис­пользования.

Коллоидные растворы широко используются в лабораторной практике и промышленности. Дробя электрографит, получаемый из нефтяного кокса, и применяя защитные коллоиды, получают коллоидальный графит. Его используют как смазочный материал; из него получают высокоомные пленки на стекле или керамике. Им покрывают стенки стеклянных колб, осциллографических трубок, кинескопов, телевизионных передающих тру­бок, электроды ламп в целях подавления вторичной эмиссии и т.д.

Электрофорез используется для покрытия вольфрамовых катодов диоксидом тория ThO2, для нанесения высокодисперсных частиц карбо­натов щелочноземельных металлов на вольфрамовые или никелевые кер­ны при изготовлении оксидных катодов электронных ламп.

Коагуляция гидрофильных золей используется в осаждении мыла поваренной солью и т.д.

 

Порядок выполнения работы

Опыт I. ПОЛУЧЕНИЕ    АЭРОЗОЛЯ. (опыт проводится в вытяжном шкафу)

Смочите стеклянные палочки - одну в концентрированном растворе аммиака, другую - в концентрированной соляной кислоте. Смоченные концы

-15-

палочек поднесите друг к другу. Наблюдайте образование бело­го дыма.

Напишите уравнение реакции .

 

Опыт 2. ПОЛУЧЕНИЕ ЗОЛя ТРИГИДРОКСИДА ЖЕЛЕЗА  ГИДРО- ЛИЗОМ СОЛИ

Нагрейте до кипения в маленьком стаканчике 20 мл дистиллиро­ванной воды. В кипящую воду прилейте 3-5 мл 2% раствора хло­рида железа FeCl3 . Осторожно помешивая стеклянной палочкой, прокипятите раствор в течение 2-3 минут до получения коллоидного раст­вора цвета крепкого чая.

Напишите уравнение реакций гидролиза трихлорида железа, учиты­вая, что высокая температура благоприятствует смещению равновесия этой реакции в сторону образования гидроксида. Нарисуйте схему кол­лоидной частицы гидроокиси железа, считая, что в адсорбционном слое находятся ионы Fe+3.

Полученный коллоидный раствор сохраните для последующей работы.

 

Опыт 3. КОАГУЛЯЦИЯ КОЛЛОИДОВ ЭЛЕКТРОЛИТАМИ

В три пробирки налейте по 8 капель коллоидного раствора гидро­ксида железа, полученного в опыте 2.

В первую добавьте по каплям IM раствор хлорида натрия и подс­читайте число капель, которое приводит к помутнению раствора.

Во вторую пробирку добавьте фосфат натрия (или сульфат натрия) той же концентрации, подсчитайте число капель.

В третью пробирку прилейте 2-3 капли 1% раствора желатина, а затем по каплям хлорид натрия. Какой из электролитов производит большее коагулирующее действие и почему?

 

Опыт 4. ПОЛУЧЕНИЕ СИЛИКАГЕЛЯ

В пробирку поместить 5-7 капель силиката натрия Na2SiO3 (клея конторского), добавить 2-3 капли 1% серной кислоты H2SO4. Наблю­дать образование геля кремниевой кислоты. Подогреть пробирку с ге­лем на газовой

горелке. Наблюдать, изменится ли объем осадка.

Написать уравнения реакции получения кремниевой кислоты и силикагеля.

Контрольные вопросы

1. Какие растворы называются коллоидными?

-16-

 

2. Какое различие между коллоидными растворами и истинными?

3. Назвать методы получения коллоидных растворов.

4. Чем обусловлена устойчивость коллоидных растворов?

5. Какие коллоиды называют гидрофильными и гидрофобными?

6. Нарисовать схему строения коллоидной частицы:

а)  сульфида мышьяка As2S3, зная, что адсорбционный слой состоит из ионов HS- ;

б)  гидроокиси железа Fe(OH)3 , считая, что адсорбционный слой составляют ионы Fe3+.

7. Что такое электрофорез?

8. Что такое коагуляция и чем она вызывается?

9. Что представляют собой аэрозоли?

10. Что такое мицелла?

11. Что такое золь, гель?

12. Что является дисперсной фазой, а что дисперсионной средой в системах:

а) пыль,

б) туман,

в) дым,

г) эмульсия,

д) суспензия, е) пена.

13. Как влияет нагревание на устойчивость коллоидных систем?

14. Какого вещества: KCl или AlCl3 потребуется меньше, чтобы вызвать коагуляцию коллоидного раствора As2S3 , и почему?

15. Где применяется гель кремниевой кислоты?

 

Библиографический список

1. Курс химии/ Под ред. проф. А. Н. Харина. М.: ВШ, 1983.   Гл.VI.

2. Курс общей химии, Ч.1/ Под ред. Г. А. Дмитриева.

3. Н. С. Ахметов, М. Н. Азизова, Л. И. Бадыгин. Лабораторные и семинарские занятия по общей и неорганической химии: Уч. пособие. М.: Высш. шк.; Изд. центр ”Академия” , 1999.

4. Общая химия. Н. В. Коровин. М.: ВШ, 1998.

5. н. л. глинка. Задачи и упражнения по общей химии: Учеб. пособие для нехим. вузов.  Л.: Химия, 1987.



 
бытовая химия астматикам. ПАВ Показатель по и кгЗаказать