МУ кол. хим. — получение -1

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию
кубанский государственный технологический университет
Новороссийский политехнический институт


Кафедра Охраны окружающей среды и рационального
использования природных ресурсов










Методические указания к лабораторной работе № 1
«Получение золей и их характеристика»

по дисциплинам «Коллоидная химия» и
«Поверхностные явления и дисперсные системы»
(для всех специальностей всех форм обучения)

тема: «Получение золей и строение мицеллы»

















Новороссийск
2005
Методические указания составлены на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования «Направление подготовки дипломированного специалиста 656600 – Защита окружающей среды. Квалификация – инженер-эколог», Регистрационный № 165 тех\дс от 17 марта 2000 г. – М., 2000 г.
320700
(080201)
– Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

330200 (080202)
– Инженерная защита окружающей среды.

и государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования «Направления подготовки дипломированного специалиста 655000 – Химическая технология органических веществ и топлива.
Квалификация – инженер», Регистрационный № 222 тех\дс от 27 марта 2000 г. – М., 2000 г.
250400
(240403)
Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов



Методические указания составлены доцентом кафедры ООС и РИПР Кузьминой И.В.



Методические указания обсуждены на заседании кафедры ООС и РИПР
____________________

Протокол № _______


Зав. кафедрой ООС и РИПР ________________________ В.А. Алексеенко


Одобрено методическим советом НПИ _____________________
Протокол № __________


Председатель методического совета НПИ________________ В.В. Дьяченко




Содержание


Стр.

Общие правила работы в лабораториях во время занятий с учащимися [1] ...

4

Требования безопасности при работе с кислотами и щелочами [1] .
4

Правила безопасности работы с химической посудой и ампулами [1].
5

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ [2]. Основные определения ..
7

Дисперсность .....
9

Классификация дисперсных систем [2, 5 – 7]..
10

Классификация по дисперсности ..
10

Классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

12

Классификация, учитывающая различие в форме частиц .
15

Классификация по термодинамической устойчивости и характеру образования .

17

Получение дисперсных систем [2, 5] ....
17

Влияние способа получения на строение порошковых частиц..
22

Строение коллоидной мицеллы
24

Лабораторная работа № 1 «Получение золей и их характеристика»..
28

Контрольные вопросы
30

Литература
30








































Общие правила работы в лабораториях
во время занятий с учащимися [1]

Учащиеся при работе с химическими веществами должны быть в халатах.
Каждый учащийся должен работать на закрепленном за ним рабочем месте, переход на другое место без разрешения преподавателя не допускается.
рабочее место следует содержать в чистоте, не загромождать его посудой и посторонними предметами.
рабочие места учащихся запрещается загромождать склянками с реактивами, ненужными в данный момент приборами, посудой и посторонними предметами.
Учащимся запрещается работать в лаборатории в отсутствии преподавателя или лаборанта, а также в не установленное время без разрешения преподавателя.
Категорически запрещается выполнять в учебной лаборатории экспериментальные работы, не связанные с выполнением учебного практикума.
К выполнению каждой работы учащиеся могут приступать только после получения инструктажа по технике безопасности и разрезания преподавателя.
Приступая к работе, необходимо:
уяснить методику работы, правила ее безопасного выполнения,
проверить правильность сборки прибора или установки,
проверить соответствие взятых веществ веществам, указанным в описании работы.
Полученные в процессе эксперимента вещества следует хранить в соответствующей посуде с этикетками или четкими надписями восковым карандашом.
Пролитые на пол или стол химические вещества учащиеся обезвреживают и удаляют под руководством лаборанта (преподавателя) в соответствии с имеющимися правилами.

Требования безопасности при работе с кислотами и щелочами [1]

Кислоты и щелочи в своем большинстве относятся к веществам повышенного класса опасности и способны вызывать химические ожоги и отравления у работающих.
Для предупреждения ожогов при работе с кислотами и щелочами необходимо пользоваться спецодеждой, очками и другими средствами индивидуальной защиты.
Кислоты, щелочи и другие едкие жидкости следует переливать при помощи сифонов с грушей или ручных насосов (айвейлеров) различных конструкций. Разливать концентрированную азотную, серную и соляную кислоты нужно только при включенной вентиляции в вытяжном шкафу.
Запрещается хранить растворы щелочей и концентрированных кислот в тонкостенной стеклянной посуде.
Для приготовления растворов соляной, азотной и других кислот их необходимо приливать в воду тонкой струей при непрерывном перемешивании. Приливать воду в кислоту запрещается.
Отработанные кислоты и щелочи следует собирать раздельно в специальную посуду и после нейтрализации сливать в канализацию или, в соответствии с местными условиями, в другое место, специально отведенное для этих целей.
Растворять твердые щелочи следует путем медленного прибавления их небольшими кусочками к воде при непрерывном перемешивании. Кусочки щелочи нужно брать только щипцами.
При смешивании веществ, сопровождающемся выделением тепла, необходимо пользоваться термостойкой толстостенной стеклянной или фарфоровой посудой.
Разлитые кислоты или щелочи необходимо немедленно засыпать песком, нейтрализовать и лишь после этого проводить уборку.
В лабораториях концентрированные кислоты необходимо хранить в склянках на противнях под тягой или в нижней части вытяжного шкафа, если там не вмонтированы канализация, водопровод, газопровод и другие трубопроводы, которые под действием кислот могут коррозировать.
На рабочем месте необходимо иметь соответствующие нейтрализующие вещества.

Правила безопасности работы с химической
посудой и ампулами [1]

Основным травмирующим фактором, связанным с использованием стеклянной посуды, аппаратов и приборов, являются острые осколки стекла, способные вызывать порезы тела работавшего, а также ожоги рук при неосторожном обращении с нагретыми до высокой температуры частями стеклянной посуды.
Все сосуды, в которых находятся химические вещества, должны иметь маркировку установленного образца.
При проведении всех видов работ по сборке и созданию приборов из стекло материалов и посуды (например, вставка стеклянных трубок и стеклянных палочек в пробки, соединение их с резиновыми шлангами) необходимо соблюдать следующие правила:
стеклянные трубки небольшого диаметра можно ломать только после подрезки их специальными ножами (пилкой) для резки стекла, предварительно защитив руки полотенцем;
для облегчения сборки концы стеклянных трубок нужно оплавлять и смачивать водой или глицерином;
при соединении стеклянных трубок с просверленной пробкой нужно держать пробку за боковые стороны одной рукой и насаживать ее на трубку, удерживаемую другой рукой;
перед сборкой стеклянного прибора мифы необходимо смазать вазелином или специальной смазкой.
В тех случаях, когда реакция идет при нагревании реакционной смеси до кипения или при перегонке, следует пользоваться кругло донными тонкостенными колбами. Толстостенную посуду нагревать нельзя.
Нагревая жидкость в пробирке или колбе, сосуд нужно держать специальным держателем так, чтобы отверстие было направлено в сторону от работающего.
Перенося сосуды с горячей жидкостью, нужно держать их двумя руками – одной рукой за дно, другой – за горловину, используя при этом полотенце (во избежание ожога кистей и пальцев рук). При закрывании толстостенного сосуда пробкой следует держать его за верхнюю часть горла. Нагретый сосуд нельзя закрывать притертой пробкой до тех пор, пока он не охладится.
При переливании жидкостей следует пользоваться воронкой, поставленной в кольцо штатива над сосудом - приемником жидкости.
Для мытья посуды можно применять мыло, кальцинированную соду, моющие средства, а также хромовую смесь, серную кислоту и растворы щелочей, в том числе 5–10 % раствор соды, 10 % раствор фосфата натрия или гексаметафосфата натрия. для удаления из посуды нерастворимых в воде органических веществ пользуются органическими растворителями, как например, ацетоном, хлороформом, петролейным эфиром и т.п. Промываемую посуду ополаскивают изнутри несколько раз минимальными порциями подходящего растворителя, после чего сливают его в специальную банку с этикеткой «Слив». Для первых ополаскиваний можно брать уже использованный растворитель, а для последующих – чистый. При мытье посуды необходимо надевать резиновые перчатки, а в случае использования агрессивных жидкостей, особенно хромовой смеси или концентрированных щелочей - защитные очки или маску.













ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ [2]
Основные определения

ГЕЛЬ [< лат. gelare мерзнуть, застывать] – дисперсная система, обладающая некоторыми свойствами твердых тел (способность сохранять форму, прочность, упругость); обычно гели имеют вид студенистых тел (напр., столярный клей) [3].
ГЕЛИ м. мн. Студнеобразные коллоидные системы, являющиеся продуктами гелеобразования [4 ] .
Агарозный гель. Гель агарозы [агароза – полисахарид, нейтральный компонент агара (агар – смесь полисахаридов, получаемая при переработке некоторых красных морских водорослей и образующая плотный гель при охлаждении ее водных растворов)], используемый как носитель для определения молекулярной массы и/или разделения биополимеров методами хроматографии иди электрофореза.
Полиакриламидный гель. Продукт сополимеризации акриламида и N,N( – метилен-бис-акриламида; используется для определения молекулярной массы и/или разделения биополимеров методами электрофореза или хроматографии. [4] .
ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЕ с. Переход дисперсных систем из жидкого состояния в студнеобразное в результате возникновения в объеме жидкости пространственной структурной сетки из частиц дисперсной фазы [4].
ЗОЛЬ [нем. Sol] – дисперсная система с жидкой дисперсионной средой; различают гидрозоли (растворитель вода), органозоли (растворитель органическое соединение); аэрозоли – дисперсные системы, состоящие из твердых или жидких частиц, взвешенных в газообразной среде (к аэрозолям относят дымы и туманы) [3].
ЗОЛИ м. мн. Высокодисперсные коллоидные системы с жидкой дисперсионной средой, частицы которых не связаны в пространственную структуру [4] .
КОАГЕЛЬ м. Гелеобразный осадок, выпадающий в жидких средах в результате коагуляции [4].
КОАЦЕРВАТЫ [< лат. coacervatus накопленный, собранный] – капли или слои с большей концентрацией растворенного вещества, находящиеся а растворе этого же полимера (обычно биополимера) [3] .
МИЦЕЛЛЫ [лат. micella уменьш. от mica крошка, крупица] – в коллоидных системах – частицы малых размеров, окруженные жидкой средой, например частицы мыла в водных растворах [3] .
МИЦЕЛЛЫ ж. мн. Сольватированные частицы дисперсных фаз в коллоидных системах, состоящие из нерастворимого в дисперсионной среде ядра, окруженного двойным электрическим слоем ионов [4].
СТУДНИ м. мн. Структурированные коллоиды, при деформировании которых проявляются большие обратимые деформация при практически полном отсутствия текучести [4].
СУСПЕНЗИЯ [< лат. suspension подвешивание)] – взвесь – дисперсная система, состоящая из двух фаз – жидкой и твердой, где мелкие твердые частицы взвешены в жидкости (напр., мутная глинистая вода) [3].
ЭМУЛЬСИЯ [< фр. йmulsion, < лат, emulgere доить (одной из первых изученных эмульсий было молоко)] – 1) жидкость, в которой находятся во взвешенном состоянии микроскопические капельки другой жидкости; 2) фотографическая эмульсия – коллоидный раствор, гл. обр. фотографической желатины, содержащий микрокристаллы (зерна) галогенида серебра, чувствительные к свету; применяется в качестве светочувствительного покрытия фотоматериалов [3].
ЭМУЛЬГАТОРЫ – вещества, способствующие образованию эмульсий, эмульгаторами являются мыла, желатина и многие синтетические вещества [3].
ЭМУЛЬГАТОР м. 1. Агент, облегчающий эмульгирование и придающий эмульсиям устойчивость. 2. Аппарат, в котором проводят эмульгирование [4].
ЭМУЛЬГИРОВАНИЕ с. Диспергирование с целью получения эмульсии [4].
ЭМУЛЬСИЯ ж. Дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой.
Обратная эмульсия. Эмульсия, дисперсная фаза в которой – полярная жидкость, а дисперсионная среда – неполярная жидкость.
Прямая эмульсия. Эмульсия, дисперсная фаза в которой – неполярная жидкость, а дисперсионная среда – полярная жидкость [4].

В коллоидной химии широко используются многие понятия из курса физической химии, в том числе фаза, гомогенная и гетерогенная системы [2].

Фаза – часть системы одного состава, одинаковых физических свойств, ограниченная от других частей поверхностностью раздела. Систему, состоящую из одной фазы, а следовательно, имеющую одинаковые макроскопические свойства во всех ее точках, называют гомогенной. Гетерогенная система состоит из двух и более фаз. Гетерогенную систему, в которой одна из фаз представлена в виде частиц микроскопических размеров, называют микрогетерогенной. Гетерогенная система может содержать частицы значительно меньших размеров в сравнении с видимыми в оптический микроскоп. Такие частицы наблюдают с помощью специального оптического прибора – ультрамикроскопа. Систему, содержащую столь малые частицы (но все же их масса превосходит в десятки и сотни тысяч раз массу отдельных обычных молекул и ионов), называют ультрамикрогетерогенной. По предложению Оствальда и Веймарна, фазу, входящую в микрогетерогенную и ультрамикрогетерогенную систему в виде мелких частиц, называют дисперсной.
Микрогетерогенные и ультрамикрогетерогенные системы ( представители особого класса гетерогенных снстем, называемых дисперсными системами. Эти системы имеют чрезвычайно развитую поверхность раздела фаз. Понятие «дисперсные системы» объединяет системы, содержащие частицы, малые во всех измерениях, и системы с частицами, имеющими в некоторых направлениях значительные размеры (вплоть до макроскопических). К первому роду систем относятся дисперсии золота, серы, берлинской лазури и других веществ в воде, ко второму ( активированный уголь, силикагель, синтетические пористые алюмосиликаты (цеолиты).

Дисперсность

Предположим, что полученные дисперсные системы с одинаковым составом дисперсных фаз и дисперсионных сред. Различие заключается лишь в том, что одна система содержит дисперсную фазу в виде частиц одного и того же размера, а другая ( частицы разного размера. Это простейший пример, когда различие между системами устанавливается указанием размера частиц. Однако наиболее часто встречаются системы, в которых частицы дисперсной фазы неодинаковы по размерам.
Мерой раздробленности всякой дисперсной системы может служить либо поперечный размер частиц а (для сферических частиц – диаметр d, а частиц, имеющих форму куба, – ребро l), либо обратная ему величина 13 EMBED Equation.3 1415, называемая обычно просто дисперсностью, либо, удельная поверхность Sуд, т. е. межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема дисперсной фазы. Все эти величины взаимосвязаны. Чем меньше размеры частиц, тем больше дисперсность или удельная поверхность наоборот.
В качестве характеристики, используемой для сравнения дисперсных систем, В. Оствальд предложил применять степень дисперсности, мерой которой служит удельная поверхность.

Удельной поверхностью называют площадь раздела фаз, на единицу массы или объема дисперсной фазы. Если частицы дисперсной фазы имеют форму куба или сферы и одинаковы по размерам, то удельная поверхность системы вычисляется по формуле
Sуд = 13 EMBED Equation.3 1415 (1)
где Sч ( поверхность частицы;
Vч ( ее объем;
а ( длина ребра кубической частицы (диаметр сферической частицы).
В общем случае для систем, содержащих одинаковые частицы произвольной формы,
Sуд = kа(1, (2)
где k ( коэффициент, зависящий от формы частиц (для пленки k = 2, для бруска k = 4, для куба и сферы k = 6);
а ( выбранный линейный размер частиц.
Удельная поверхность системы с частицами одной формы, но разных размеров определяется по формуле
13 EMBED Equation.3 1415
где ((а) ( относительное содержание в системе частиц дисперсной фазы, имеющих выбранный линейный размер а;
amin и amax ( минимальный и максимальный размеры частиц дисперсной фазы;
V ( объем дисперсной фазы.
Число сферических частиц в 1 кг дисперсной фазы
n = (4(r3(/3)(1, (3)
где ( ( плотность вещества дисперсной фазы, кг/м3;
r – радиус частиц, м.
удельная поверхность раздела фаз определяется по формуле:
S(уд = Sуд . n (4)
C учетом плотности вещества дисперсной фазы формула (2) принимает вид:
Sуд = k(а()(1 (5)
Используя удельную поверхность как усредненную характеристику, можно сравнивать микро- и ультрамикрогетерогенные системы с пористыми телами, также включаемыми в класс дисперсных систем. Например, средний размер частиц в ультрамикрогетерогенных системах можно принять равным 10(8 м, чему соответствует удельная поверхность 109 м2/м3. Имеющие развитую внутреннюю поверхность активированный уголь и силикагель по этому показателю близки к ультрамикрогетерогенным систем; их удельная поверхность соответственно 8 .105 м2/кг и 4.105 м2/кг.

Классификация дисперсных систем [2, 5 – 7]

Классификация по дисперсности

В основу наиболее простой классификации дисперсных систем положены размеры частиц дисперсной фазы (табл. 1).

Таблица 1 – Классификация дисперсных систем по размеру частиц [2]

Тип системы
Размеры частиц, м
Характерные свойства

Грубодисперсная
10(5 ( 10(7
Частицы дисперсной фазы видимы в обычный микроскоп

Коллоидно-дисперсная
10(7 ( 10(9
Частицы проходят через бумажные и стеклянные фильтры, но не проходят через ультрафильтры; невидимы в обычный микроскоп, но видимы в ультра- и электронный микроскоп


Таблица 2 – Классификация дисперсных систем по размеру частиц (свободнодисперсные системы) [7]

Тип системы
Размеры частиц,


см
мкм

Ультрамикрогетерогенная
10–7 – 10–5
10–3 – 10–1

Микрогетерогенная
10–5 – 10–3
0,1 – 10

Грубодисперсная
>10–3
>10


Таблица 3 – Классификация дисперсных систем по размеру частиц дисперсной фазы [5]

Класс
Размеры частиц,
Дисперсность, м–1
Представители


мкм
м



Высокодисперсная
10–3 – 10–1
10–9 – 10–7
109 – 107
Рубиновое стекло, золь кремниевой кислоты

Среднедисперсная
0,1 – 10
10–7 – 10–5
107 – 105
Растворимый кофе, сахарная пудра, сажа

Грубодисперсная
>10
>10–5
< 105
Крупа, капли дождя


Зидентопф и Зигмонди предложили частицы, видимые в обычный микроскоп, т. е. с размерами больше его разрешающей способности (0,2мкм), называть микронами, коллоидные же частицы, которые невидимы в микроскоп, – ультрамикронами. Ультрамикроны эти авторы в свою очередь разделяли на субмикроны, т. е. частицы размером от 5 нм до 200 нм, обнаруживаемые с помощью ультрамикроскопа, и на амикроны, т. е. частицы с размером меньше 5 нм, не обнаруживаемые даже в ультрамикроскопе. Зидентопф и Зигмонди классифицировали собственно не дисперсные системы, а содержащиеся в них частицы. Это принципиально не вызывает никаких возражений, однако попытки использовать принцип, предложенный Зидентопфом и Зигмонди, для классификации коллоидных и микрогетерогенных систем оказались не удачными [6].
Низкомолекулярные системы (обычные жидкости, растворы, газовые смеси) имеют размеры частиц менее 10(9 м. Входящие в их состав молекулы и ионы невидимы в ультрамикроскоп и способны проходить через ультрафильтры. [Ультрафильтры ( это пленки с порами, размер которых находится в тех же пределах, что и размеры коллоидных частиц].
Иногда классифицируют системы по числу атомов, образующих частицы (Г. Штаудингер). В этом случае к грубодисперсным относят системы, частицы которых в среднем содержат не менее 109 атомов. Коллоидные частицы состоят из 103 ( 109 атомов. Системы, содержащие частицы с числом атомов меньше 103, рассматриваются как молекулярно- или ионно-дисперсные.

Классификация по агрегатному состоянию
дисперсной фазы и дисперсионной среды

Классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды была предложена Во. Оствальдом. Возможны девять комбинаций дисперсной фазы и дисперсионной среды в различных их состояниях (табл. 4 – 6). Однако практически можно реализовать только восемь комбинаций, поскольку газы в обычных условиях растворимы друг в друге и образуют гомогенную систему.
Наибольшее распространение получила классификация, в основу которой положено агрегатное состояние фаз, образующих дисперсную систему. Возможны следующие сочетания агрегатных состояний дисперсионной среды и дисперсной фазы (табл. 4 – 6). Вначале указано состояние дисперсионной среды: Г/Ж, Г/Т, Ж/Г, Ж/Ж, ж/т, Т/г, Т/ж, Т/Т. Буквами Г, Ж и Т обозначены соответственно газообразное, жидкое и твердое состояния.

Таблица 4 – Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды [6]

Дисперсная фаза
Дисперсионная среда
Условное обозначение системы
Название системы

Газ
Газ
Г/Г
(Коллоидная система невозможна)

Жидкость
Газ
ж/г
Туманы

Твердое тело
Газ
Т/г
Дымы, пыль

Газ
Жидкость
г/ж
Пены

Жидкость
Жидкость
Ж/Ж
Эмульсии

Продолжение таблицы 4

Дисперсная фаза
Дисперсионная среда
Условное обозначение системы
Название системы

Твердое тело
Жидкость
т/ж
Коллоидные растворы,
суспензии

Газ
Твердое тело
г/т
Твердые пены, пористые тела

Жидкость
Твердое тело
ж/т
Твердые эмульсии

Твердое тело
Твердое тело
т/т
Твердые золи, сплавы



Таблица 5 – Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию [2]

Дисперсионная среда
Дисперсная фаза
Характеристика по размеру частиц*
Название системы

г
г




ж
Гд
Туман



Кд
Аэрозоль


т
Гд
Пыль, дым



Кд
Аэрозоль

ж
г
Гд
Пена



Кд
То же


ж
Гд
Эмульсия



Кд
То же


т
Гд
Суспензия



Кд
3оль

т
г
Гд
Твердая пена



Кд
То же


ж
Гд
Нет названия



Кд
То же


т
Гд
То же



Кд
Твердый золь **


Примечание: * Кд и Гд означают соответственно коллоидно-дисперсные и грубодисперсные системы.
** Примером твердого золя может служить «рубиновое стекло», в котором коллоидно-дисперсное золото распределено по объему силикатного стекла.




Таблица 6 – Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды [7]

Дисперсная
фаза
Дисперсионная среда
Условное обозначение системы
Название системы и примеры

Твердая
Твердая

т/т
Твердые гетерогенные системы: минералы, сплавы, ситаллы, бетон, композиционные материалы

Жидкая

ж/т
Капиллярные системы: жидкость в пористых телах, адсорбенты в растворах, почвы, грунты

Газообразная

г/т
Пористые тела: адсорбенты и катализаторы в газах

Твердая
Жидкая
т/ж
Суспензии и золи: промышленные суспензии, пульпы, взвеси, пасты, илы

Жидкая

Ж/Ж
Эмульсии: природная нефть, кремы, молоко

Газообразная

г/ж
Газовые эмульсии и пены: флотационные, противопожарные, мыльные пены

Твердая
Газообразная
Т/Г
Аэрозоли (пыли, дымы), порошки

Жидкая

ж/г
Аэрозоли: туманы, в том числе промышленные, облака

Газообразная

Г/Г
Коллоидные системы отсутствуют


В коллоидной химии все системы, отвечающие коллоидной ступени дисперсности, принято называть золями. Поэтому системы Ж/Г и Т/Г имеют общее название аэрозолей. Это название условно, так как дисперсионной средой аэрозоля может быть не только воздух, но и любой другой газ.
Системы с жидкой дисперсионной средой, обозначаемые Г/Ж, Ж/Ж и Т/Ж, называют лиозолями (от греч. слова лиос – жидкость). В зависимости от природы дисперсионной среды лиозоли делят на гидрозоли, алкозоли, этерозоли, бензозоли (дисперсионной средой этих золей являются соответственно вода, спирт, эфир, бензол). Коллоидные системы, дисперсионной средой которых является органическая жидкость, объединяют под одним названием органозоли. Микрогетерогенные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой в коллоидной химии обычно называются суспензиями.
Классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды весьма удобна для обобщения всего многообразия коллоидных систем и, пожалуй, в настоящее время является наиболее общепринятой. Однако эта классификация обладает существенным недостатком: с уменьшением размера частиц разница в агрегатном состоянии дисперсной фазы в различных коллоидных системах постепенно сглаживается. Говорить об агрегатном состоянии частиц с поперечным размером в несколько ангстрем, состоящих из сравнительно небольшого числа молекул, с точки зрения термодинамики едва ли можно. С этим вполне согласуется и опыт, который показывает, что по свойствам высокодисперсных систем невозможно отличить друг от друга золи, для приготовления которых в качестве дисперсной фазы были использованы вещества в жидком и твердом состояниях [6].

Классификация, учитывающая различие в форме частиц

Классификация, учитывающая различие в форме частиц, называется классификацией по топографическому признаку. В соответствии с этим различают корпускулярные, фибриллярные (волокнистые) и ламинарные (пленочные) системы. В корпускулярных системах частицы дисперсной фазы малы по всем измерениям, в фибриллярных (волокнистых) ( по двум измерениям, в пленочных (ламинарных) ( по одному измерению.
Если минимальные размеры частиц каждой системы близки, то удельная поверхность их также близка. В этом нетрудно убедиться, рассмотрев следующий пример. Пусть имеются ламинарная система с частицами 1(10(10–7 м, фибриллярная система с частицами 1(10–7(10–7 м и корпускулярная система с частицами 10–7(10–7(10–7 м. Им соответствуют удельные поверхности 2.107 м–1 (рассматривается двусторонняя пленка), 4.107м–1 и 6.107 м–1. Таким образом, в системах, содержащих анизодиаметрические частицы, т. е. частицы со значительным отношением максимального размера к минимальному, удельная поверхность мало зависит от площади пленки или от длины волокна.

В основу классификации дисперсных систем по виду дисперсной фазы положено число измерений характерных размеров (табл. 7). Характерными следует считать такие размеры, которые определяют дисперсность [5].



Таблица 7 – Характеристика дисперсных систем по виду дисперсной фазы

Дисперсная фаза
Схема измерений
Представители

вид
характеристика



Трехмерная
Твердые частицы, капли, пузырьки
Рисунок 1, а
Почва, аэрозольные частицы, порошок цемента и бетона, мука, молоко, майонез, растворимый кофе.

Двухмерная
Нити, волокна, капилляры, поры
Рисунок 1, б
Древесина, ткани, пористые вещества, хлеб, сухари, волосы, кожа

Одномерная
Пленки, мембраны
Рисунок 1, в
Жидкие пленки, в том числе и нефти на жидких и твердых поверхностях, тонкие пленки (мембраны)


Различают трехмерные (частицы, капли, пузырьки), двухмерные (нити, волокна, капилляры, поры) и одномерные (мембраны, пленки) дисперсные фазы (рисунок 1).


а б в
Рисунок 1 – Трехмерная (а), двухмерная (б) и одномерная
(в) дисперсные фазы

Характерные размеры и дисперсность трехмерных частиц определяют в трех взаимно перпендикулярных направлениях (рисунок 1, а). Дисперсность двухмерных тел (рисунок 1, б) характеризуют двумя размерами, которые определяют в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Третий размер L (длина нити, волокна или капилляра) не влияет на дисперсность. В случае одномерных тел только один размер а определяет дисперсность – это толщина мембраны или пленки (рисунок 1, в), а два других размера (L, l) характеризуют габаритные размеры самого тела.
В таблице 7 приведены в качестве примеров представители трех видов дисперсной фазы, но наиболее распространенной все же является трехмерная дисперсная фаза, которая формируется из твердых частиц, капель или пузырьков.
Классификация по термодинамической устойчивости
и характеру образования

По термодинамической устойчивости и характеру образования различают лиофобные и лиофильные системы. Первые образуются из пересыщенных систем или в результате дробления более крупных частиц и являются термодинамически неустойчивыми. Лиофильные системы образуются самопроизвольно и, следовательно, термодинамически устойчивы. В лиофильных системах частицы дисперепой фазы могут состоять из небольших молекул или представлять собой одиночные молекулы большой массы.
Изучение растворов высокомолекулярных соединений представляет исключительный интерес с точки зрения биологии и медицины, так как к ним относятся системы, образуемые белками, полисахаридами, нуклеотидами.
По мере развития коллоидной химии неоднократно изменялась ее терминология и оценка важности изучения различных типов систем. Первоначально истинными коллоидами называли клееподобные системы, которые являются растворами высокомолекулярных соединений, а золи золота, иодида серебра, берлинской лазури и других называли «случайными» коллоидами. Затем большое внимание стало уделяться системам типа золя золота, которые были названы «лиофобными коллоидами». После того как работами Г. Штаудингера, В. А. Каргина и других ученых было установлено принципиальное различие в строении частиц и термодинамические свойств лиофобных коллоидов и растворов высокомолекулярных соединений, последние стали исключать из коллоидной химии и изучать отдельно. В настоящее время растворы высокомолекулярных соединений рассматривают как отдельную группу лиофильных коллоидных систем.

Получение дисперсных систем [2, 5]

Известны два способа получения дисперсных систем (рисунок 2). В одном из них тонко измельчают (диспергируют) твердые и жидкие вещества в соответствующей дисперсионной среде, в другом вызывают образование частиц дисперсной фазы из отдельных молекул или ионов.
Методы получения дисперсных систем измельчением более крупных частиц называют диспергационными. Методы, основанные на образовании частиц в результате кристаллизации или конденсации, называют конденсационными. Диспергационные методы широко используют для получения грубодисперсионных систем ( суспензий, эмульсий, порошков. Выбор типа измельчения твердых материалов зависит от их механических свойств. Хрупкие материалы предпочитают измельчать ударом, вязкие ( истиранием.
Механическое измельчение проводят в специальных промышленных и лабораторных устройствах ( мельницах. Наиболее распространены шаровые мельницы. Это полые вращающиеся цилиндры, в которые загружают измельчаемый материал и стальные или керамические шары. При вращении цилиндра шары перекатываются, истирая измельчаемый материал. Измельчение может происходить и в результате ударов шаров. В шаровых мельницах получают системы, размеры частиц которых находятся в довольно широких пределах: от 2 – 3 до 50–70 мкм. Полый цилиндр с шарами можно приводить в круговое колебательное движение, что способствует интенсивному дроблению загруженного материала под действием сложного движения измельчающих тел. Такое устройство называется вибрационной мельницей.


Получение дисперсных систем






Диспергирование

Укрупнение частиц за счет конденсационных процессов





Самопроизвольное (Ж/Ж, Ж/Г, Т/Ж, Т/Г)

Несамопро- извольное

Кристаллизация (Т/Ж, Т/Г)

Десублимация

Конденсация





Изотермическая перегонка

Физическая (Т/Г, Ж/Г, Т/Ж, Ж/Ж)

Хими-ческая

Замена растворителя (Ж/Ж, Ж/Г)




Измельчение (Т/Г, Т/Ж)

Распыливание (Ж/Ж, Ж/Г)

Барботаж (Г/Ж)



Рисунок 2 – Классификация способов получение дисперсных систем
(в скобках указан вид системы) [5]

Более тонкое измельчение по сравнению с шаровыми и вибрационными мельницами можно получить, используя коллоидные мельницы. Их существует несколько типов. В одном из них суспензию, подвергаемую дальнейшему измельчению, пропускают между вращающимся ротором и неподвижным корпусом мельницы. Вследствие большой скорости вращения (доходящей на поверхности ротора до 150 м/с) и малого зазора между корпусом и ротором (доли миллиметра) создаются значительные касательные усилия, в результате чего частицы суспензии разрушаются. Измельчение вызывается преимущественно трением.
Коллоидные мельницы, работающие по принципу измельчения ударом, имеют вращающийся диск, на периферии которого устанавливают металлические стержни. Несколько пар металлических стержней устанавливают и на корпусе мельницы. Стержни, прикрепленные к диску, проходят между стержнями, устанавливаемыми в корпусе с большой скоростью (до 200 м/с), разбивая частицы суспензии. Коллоидные мельницы обеспечивают возможность получения суспензий с размерами частиц не более 1 мкм.
Высокой дисперсности можно достичь ультразвуковым диспергированием. Диспергирующее действие ультразвука связано с кавитацией ( образованием и захлопыванием полостей в жидкости. Захлопывание полостей сопровождается появлением кавитационных ударных волн, которые и разрушают материал. Экспериментально установлено, что дисперсность находится в прямой зависимости от частоты ультразвуковых колебаний. Особенно эффективно ультразвуковое диспергирование, если материал предварительно подвергнут тонкому измельчению. Эмульсии, полученные ультразвуковым методом, отличаются однородностью размеров частиц дисперсной фазы.
Механическому разрушению твердых материалов способствуют дефекты их кристаллической структуры. Существование таких дефектов приводит к неоднородному распределению механических напряжений в кристалле, чем вызывается появление в дефектных местах очень малых трещин. При последующем механическом воздействии по трещинам происходит разрушение кристаллических тел. По мере исчезновения дефектов прочность кристаллов повышается и дальнейшее диспергирование идет при более интенсивных ударах по частицам.
Получению высокодисперсных систем может препятствовать слипание частиц дисперсной фазы. Скорость слипания обычно возрастает с уменьшением размеров частиц.
Известны вещества, которые при введении в дисперсную среду могут располагаться на твердой поверхности и снижать поверхностную энергию на границе твердого тела с жидкостью. Чем ниже поверхностная энергия, тем легче образуется новая поверхность в результате дробления частиц.
Дисперсные системы образуются не только при дроблении отдельных кристаллов, но и при разрушении агрегатов, состоящих из нескольких слипшихся кристаллов.
Если не произошло сращивание кристаллов, то добавка определенных веществ может настолько ослабить связи между ними, что агрегаты разрушаются при слабом механическом воздействии.
Конденсационные методы позволяют получать дисперсный системы из гомогенных сред. Появление новой фазы происходит при пересыщении среды. Пересыщение, т. е. создание концентраций, превышающих равновесные, можно вызвать проведением химической реакции или физического процесса. В зависимости от этого различают физические и химические конденсационные методы.
Физические методы. Они основаны на конденсации пара. В газовой среде конденсацией паров различных веществ получают аэрозоли. Совместной конденсацией веществ, нерастворимых друг в друге, можно получать золи. В частности, так получают золи некоторых металлов в органических растворителях.
Химические методы. В качестве примеров приведем следующие химические процессы.
1. Восстановление. Классический пример этого метода ( получение золя золота восстановлением золотохлористоводородной кислоты. В качестве восстановителя можно применять пероксид водорода (метод Зигмонди):
2haucl4 + 3h2o2 ( 2au + 8hcl + 3o2
Известны и другие восстановители. Некоторые из них применяли еще в средние века алхимики.
Золи железа, никеля, вольфрама, свинца и ряда других металлов можно получать электрохимическим восстановлением их солей (Э. М. Натансон).
2. Гидролиз. Широко применяется для получения золей гидроксидов металлов. Например, золь гидроксида железа получают по реакции
FeCl3 + 3h2o ( Fe(OH)3 + 3hCl
Для очистки воды от механических примесей используют гидроксид алюминия, получаемый гидролизом сульфата алюминия.
3. Реакции обмена. Этот метод наиболее часто встречается на практике. Например, получение золя сульфида мышьяка
2H3AsO3 + 3h2S ( As2S3 + 6h2O
получение золя иодида серебра
AgNO3 + KI ( AgI + KNO3
Интересно, что реакции обмена дают возможность получать золи в органических растворителях. В частности, хорошо изучена реакция
Hg(CN)2 + h2S ( HgS + 2hCN
Ее проводят, растворяя Hg(CN)2 в метиловом, этиловом или пропиловом спирте и пропуская через раствор сероводород.
Все приведенные выше реакции применимы не только для получения высокодисперсных систем, но и макрокристаллических осадков. Любая из этих двух систем может быть получена в зависимости от условий проведения реакции.
П. П. Веймарн тщательно исследовал реакцию между роданидом бария и сульфатом марганца (II), приводящую к получению труднорастворимого сульфата бария. Оказалось, что при смешении растворов с концентрациями от 2,5.10–5 до 0,7·10–4 М осадок не образуется даже в течение года. В случае концентраций порядка 10–3 М медленно образуются большие кристаллы. При концентрациях растворов около 1 М происходит образование осадка. Однако смешение растворов с концентрациями 2 М и выше приводит к образованию гелей – высокодисперсных желеподобных систем.

Основные правила, выполнение которых обеспечивает образование золей:

Золи получают, смешивая очень разбавленные растворы реагирующих веществ. Например, смешение 0,1 М растворов AgNO3 и KI сопровождается выпадением осадка AgI. Если же создать концентрацию в сотни и тысячи раз меньше 0,1 М, то это благоприятствует образованию золя иодида серебра.
Золи образуются легче, если в процессе их получения в растворы вводят специальные соединения, называемые защитными веществами, или стабилизаторами. Некоторые из них часто называют защитными коллоидами, хотя следует признать, что такое название устарело. В качестве защитных веществ при получении гидрозолей применяют мыла, белки и продукты их частичной переработки, а также другие соединения. Наиболее изучен желатин. Стабилизаторы используют не только в водных средах, но и при получении золой в органических растворителях.

Условия образования новой фазы

Новая фаза образуется в пересыщенных системах. Осторожно приводя систему к пересыщению, можно добиться того, что при определенной степени пересыщения новая фаза не возникает. О таких системах говорят, что они находятся в метастабильном состоянии, т. е. устойчивы к очень малым воздействиям и претерпевают необратимые изменения при более значительных изменениях параметров.
Первый этап образования новой фазы ( появление зародышей, являющихся минимальным скоплением новой фазы и находящихся в равновесии со средой. Известны два механизма образования зародышей:
а) гомогенный, при котором новая фаза зарождается в однородной старой фазе;
б) гетерогенный, при котором зарождение происходит в местах неоднородностей фазы.
Примесями, служащими центрами конденсации по гетерогенному механизму, могут быть отдельные пылинки или заряженные частицы.
Образование зародышей по гомогенному механизму объясняется местным повышением концентраций в результате теплового движения молекул (флуктуации концентраций).
Термодинамические расчеты, проведенные Дж. У. Гиббсом и М. Фольмером, показывают, что работа, затраченная на образование равновесного зародыша по гетерогенному механизму, меньше, чем по гомогенному. Этот вывод подтверждается экспериментально: в системе, содержащей гетерогенные примеси, конденсация протекает значительно легче.
Второй этап конденсационного образования новой фазы ( рост кристаллов. Скорость роста кристаллов определяется разностью действующей концентрации вещества в растворе и равновесной концентрации этого вещества при той же температуре. Чем больше разность, тем быстрее растут кристаллы.
Скорость роста кристаллов может значительно замедляться примесями, содержащимися в системе. Замедляющее действие примесей связано с их способностью захватываться поверхностью растущего кристалла. Располагаясь на поверхности, они затрудняют доступ молекул или ионов кристаллизующего соединения.

Влияние способа получения на строение порошковых частиц

Известные способы получения применяемых в промышленности металлических порошков заключаются в том, что куски диспергируемого металла помещают в заполненную диэлектрической жидкостью емкость и посредством электродов или индуктора подают на них импульсы напряжения. Недостатком этих методов является то, что диспергирование в жидкости приводит к загрязнению конечного порошка продуктами реакции металла и жидкости, а в некоторых случаях исходный материал полностью отличается от конечного вещества.
Металлические порошки можно получать и другим способом, который заключается в следующем. Расплавленный металл изливается струями по специальным насадкам из плавильной емкости, а затем распадается на капли.
Формирование капель осуществляется с помощью механических или электромагнитных воздействий. При этом металл должен постоянно находиться в расплавленном состоянии, что связано со значительными техническими трудностями.
Избежать таких трудностей можно, применяя способ безэлектродного электроэрозионного диспергирования в газах. В этом случае (особенно, если диспергирование проводить в инертных газах) полностью исключается возможность химической реакции металла с окружающей средой, вследствие чего конечный и исходный продукты не отличаются по своему составу [9].


Рисунок 3 – Порошки алюминия (а, б) и меди (б, г), диспергированные в гелии (а – в) и воздухе (г). Увеличение: 108 (а), 120 (б). 528 (в), 300 (г) [9].
Порошки алюмината магния получают прокаливанием смеси чистых оксидов магния и алюминия в присутствии 2 % хлорида магния при температуре 1600 – 1750 оС в течение 4 часов в электропечи. Возможно проведение реакции соосаждения гидроксидов магния и алюминия из растворов алюмината натрия и соли магния, позволяющий получить алюминат магния при температуре около 1000 оС в течение 1 часа. Чтобы получить алюминат магния в виде сферических зерен, суспензию гидроксидов магния и алюминия распыляют через сопло в зону, нагретую до 1050 – 1100 оС [10].

а б
Рисунок 4 – Внешний вид порошка (а) и частицы порошка (б) алюмината магния, полученного прокаливанием при 1400 °С в течение 4 ч в печи. Увеличение: (75 (а), (750 (б) [10].


а б
Рисунок 5 – Внешний вид порошка алюмината магния, полученного распылительным прокаливанием при температуре 1000 (а) и 1600 °С (б). (100 [10].

Методы распыления расплавов позволяют получать порошки металлов и сплавов, частицы которых имеют форму от правильной сферической до осколочной.
В процессе диспергирования расплава образовавшиеся капли металла (пряди) произвольной, неправильной формы под действием сил поверхностного натяжения стремятся принять форму шара, поверхность которого минимальна при постоянном объеме, что соответствует минимуму свободной энергии. При этом форма частиц порошка определяется отношением времени пребывания капли в жидком состоянии ко времени ее сфероидизации. Известны выражения, связывающие длительность охлаждения и сфероидизации капель с физическими свойствами расплава и энергоносителя. Судя по этим соотношениям, чтобы увеличить отклонение формы частиц от сферической, необходимо снижать поверхностное натяжение расплава, повышать его вязкость, увеличивать эффективную плотность энергоносителя и коэффициент теплоотдачи. Последние два условия реализуются при замене газообразного энергоносителя жидким, например водой [11].



Рисунок 6 – форма частиц порошка стали, распыленного водой под давлением 5,6 МПа, (290 [11].

Металлические, например медные, порошки, полученные электрохимическим методом, имеют форму дендритов, рисунок 7.


а б
Рисунок 7 – Внешний вид частиц порошка меди марки ПМС-I, (электролитический дендритный осадок)
Увеличение: (500 (а), (1000 (б).


Строение коллоидной мицеллы

На границе раздела твердая частица – жидкость возникает двойной электрический слой из-за присутствия ионных пар на поверхности. Образование такого слоя возможно двумя путями. Один путь – преимущественная адсорбция одного из присутствующих в растворе иона, входящего в состав твердой фазы или изоморфного с ней. Другой путь образования двойного электрического слоя на границе раздела твердое тело (диэлектрика) – жидкость, т. е. диссоциация поверхностных молекул твердого тела с образованием ионов определенного знака в растворе. Ионы, сообщающие заряд твердой фазе, называются потенциалопределяющими, а ионы, остающиеся в растворе, – противоионами.
Каждая частица дисперсной фазы представляет собой агрегат молекул ультрамикроскопических размеров и называется агрегатом, рисунок 8.


рисунок 8 – Схема строения коллоидной мицеллы золя иодида серебра:
а ( при избытке KI; б ( при избытке AgNO3

Агрегат вместе с двойным электрическим слоем из потенциалопределяющих ионов и противоионов образует мицеллу. Часть мицеллы, состоящая из агрегата и потенциалопределяющих ионов, называют ядром мицеллы. Под действием электростатического притяжения противоионы стремятся расположиться возможно ближе к ионам, адсорбированным на поверхности. В предельном случае образуется два слоя ионов, из которых один расположен на твердой поверхности ( внутренняя обкладка двойного слоя, другой, заряженный противоположно, расположен в растворе на расстоянии ионного диаметра ( внешняя обкладка его. Такой двойной слой представляет собой как бы плоский конденсатор с толщиной ( порядка диаметра молекулы. Это двойной электрический слой по Гельмгольцу (рисунок 9).
В результате теплового движения ионы внешней обкладки с большей (кинетической энергией ухолят в объем раствора. Вследствие этого в сильно разбавленных растворах создается объемный заряд, плотность которого убывает с удалением от поверхности раздела. Слой, в котором распределены противоионы, образующие этот заряд, называется диффузным слоем по Гуи (см. рисунок 9). Толщина его (1 т. е. расстояние, на котором еще сказывается влияние заряда поверхности, тем меньше, чем больше концентрация раствора.
В растворах средних концентраций часть противоионов соприкасается с потенциалопределяющими ионами, образуя гельмгольцевский двойной слой.

рисунок 9 – Строение двойного электрического слоя:
I – по Гельмгольцу; II – по Гун; III – по Штерну; IV – схема мицеллы; 1 – агрегат; 2 – потенциалопределяющие ионы; 3 – адсорбционный слой противоионов; 4 – ядро; 5 – диффузный слой противоионов; 6 – двойной электрический слой; 7 – частица; 8 – мицелла; 9 – слой противоионов; ab – граница скольжения; (0 – полный скачок потенциала; ( – электрокинетический потенциал; ( – толщина двойного слоя

Эти противоионы прочно связаны с ядром мицеллы за счет адсорбционных и электростатических сил и образуют адсорбционный слой противоионов. Они расположены на расстоянии ( с потенциалом (1. Другая часть противоионов образует диффузный слой противоионов с потенциалом (, удерживаемых около ядра только электростатическими силами. Ядро мицеллы вместе с адсорбционным слоем противоионов называется коллоидной частицей. При разбавлении золя структура двойного электрического слоя приближается к структуре слоя Гуи, а при повышении концентрации – к структуре слоя Гельмгольца.
Рассмотрим строение двойного электрического слоя на частице золя AgI в растворе KI; из раствора преимущественно адсорбируют I– ионы, так что частицы несут отрицательный заряд, а противоионы K+ располагаются частично в адсорбционном, а частично в диффузном слое. На основании приведенных представлений можно доставить формулу мицеллы (см. рисунок 4). Для золя иодида серебра она имеет вид:


Число ионов, входящих в диффузный слой, определяется из условия электронейтральности мицеллы в целом.
На основании обширного экспериментального материала Ф. Панет и К. Фаянс сформулировали правило: на поверхности твердого вещества предпочтительно адсорбируются ионы, способные достраивать его кристаллическую решетку или образующие с ионами, входящими в состав кристаллической решетки, наиболее трудно растворимые соединения.
Поясним правило Панета – Фаянса следующими примерами. Заряд ядра мицеллы золя иодида серебра, получаемого по реакции AgNO3 с KI при избытке последнего, отрицательный, так как кристаллическую решетку могут достраивать ионы I– (рисунок 8):
{[(AgI)mnI–]xK+} (n – x)K+
При избытке AgNO3 ядро приобретает положительный заряд, поскольку из всех ионов, остающихся в растворе, кристаллическую решетку могут достраивать только ионы Ag+:
{[(AgI)mn Ag+]x NO3–} (n – x) NO3–
В приведенных примерах кристаллическую решетку могут достраивать ионы, входящие в ее состав. Кроме них способностью достраивать кристаллическую решетку обладают ионы, изоморфные с ионами, входящими в состав кристалла.
Экспериментально подтверждены изложенные предположения о строении мицелл. Действительно, при электрофорезе частицы золя иодида калия, полученного при избытке KI, перемещаются к аноду, а частицы, полученные при избытке AgNO3, ( к катоду.
Лабораторная работа № 1
«Получение золей и их характеристика»

Цель работы: познакомиться с конденсационными методами получения веществ в коллоидном состоянии. Научиться понимать, как в реальной системе образуется мицелла и выражать ее состав в виде формулы.
Задание: Получить золь, написать уравнение реакции и формулу мицеллы; отметить цвет и степень опалесценции.

Выполнение работы

получение золя методом замены растворителя. К 1 мл 1 %-ного спиртового раствора канифоли (парафина, мастики) в колбе на 25 мл добавить при встряхивании 10 мл воды.
получение золя гидроксида железа (III) методом гидролиза. Нагреть до кипения 50 мл дистиллированной воды. Добавить 10 мл 2 %-ного раствора хлорида железа (III) и кипятить еще несколько минут. Мицелла образуется за счет адсорбции ионов FeO+, получившихся в результате гидролиза на поверхности частиц Fe(ОН)3. Противоионами служат ионы С1–.
Получение золя Fe(OH)3 методом пептизации. К 5 мл 1 М FeCl3 в колбе на 250 мл добавить 100 мл воды. Осадить Fe3+ небольшим избытком раствора аммиака. Колбу заполнить водой доверху. Дать осадку отстояться. Осадок многократно декантировать до исчезновения запаха NH3. Объем раствора довести до 150 мл. Добавить пептизатор – 15–20 капель насыщенного раствора FeCl3. Нагреть раствор на водяной бане, взбалтывая. Если осадок останется, то добавить еще несколько капель пептизатора, продолжая нагревание.
Получение золей берлинской лазури с различными зарядами. Приготовить в двух пробирках коллоидные растворы берлинской лазури из 0,005 н. FeCl3 и 0,005 н. K4[Fe(CN)6] в следующих соотношениях:
а) 3 мл FeCl3 и 1 мл K4[Fe(CN)6];
б) 3 мл K4[Fe(CN)6] и 1 мл FeCl3.
Проверить заряды частиц на фильтровальной бумаге. Написать формулу мицеллы для обоих золей.
Получение золя берлинской лазури пептизацией на фильтре. Внести в пробирку пипеткой 1,5 мл насыщенного раствора ферроцианида калия и 0,5 мл 50 %-ного раствора хлорида железа (+3). Полученный осадок перенести на фильтр, промыть водой, залить на фильтре 2–3 мл 2%-ного раствора щавелевой кислоты и размешать стеклянной палочной. Осадок быстро пептизируется и из фильтра стекает интенсивно окрашенный золь берлинской лазури. Анион С2О42– сильно адсорбируется на частицах осадка, сообщая им заряд и агрегативную устойчивость.
Получение золя металлического серебра. Нитрат серебра легко восстанавливается в щелочной среде. Внести пипеткой 1 мл 0,1 н. AgNO3 в 100 мл дистиллированной воды. Добавить 2–3 капли 1%-ного раствора K2СО3 и 1 мл свежеприготовленного 0,1 %-ного раствора танина и нагреть. При нагревании интенсивность окраски раствора усиливается. Уравнения реакции:
AgNO3 + K2СО3 ( AgOK + KNO3 + CO2
6AgOK + C76H52046 + 3Н2О ( 6Ag + С76Н52О49 + 6KOH
Танин С76Н52О46 окисляется до флобафенов С76Н52О49. На поверхности агрегатами адсорбируются ионы AgO–; противоионами являются ионы K+.
Получение золя двуокиси марганца. Перманганат калия восстанавливается тиосульфатом натрия до двуокиси марганца.
8KmnO4 + 3 Na2S2O3 + H2O(8mnO2 + 3Na2SO4 + 3K2SO4 + KOH
Потенциалопределяющие ионы mnO4–, противоионы K+. К 1 мл 1,5 %-ного раствора KmnO4 в пробирке добавить 10 мл воды. По каплям из пипетки ввести 0,5 мл 1 %-ного раствора тиосульфата натрия.
Очистка золей диализом. В коллодийный мешочек налить горячий золь Fe(ОН)3. Подвесить мешочек на стеклянной палочке и погрузить в стакан с горячей дистиллированной водой. Повышенная температура способствует ускорению процесса. Через 10–15 мин определить присутствие ионов С1– и отсутствие окрашивания в воде, омывающей мешочек. Отметить по окраске, прошли ли мицеллы Fe(ОН)3 через мембрану.
Определение знака заряда частиц. В окрашенных золях знак заряда частиц можно определить методом капиллярного анализа. Он основан на том, что целлюлозные стенки капилляров фильтровальной бумаги заряжаются отрицательно, а пропитывающая бумагу вода ( положительно. На листок бумаги нанести каплю исследуемого золя. После всасывания капли золь с положительно заряженными частицами адсорбируется на бумаге и дает окрашенное в центре и бесцветное по краям пятно; золь с отрицательно заряженными частицами не адсорбируется бумагой и образует равномерно окрашенное пятно.
Определить знак заряда частиц неокрашенного золя можно, помещая его в U-образную трубку и вводя в оба колена трубки медные электроды, соединенные с источником постоянного тока. Положительно заряженные частицы накапливаются у отрицательного электрода (усиление мути), а у положительного электрода золь просветляется (ослабление мути).
Наблюдение светорассеяния. Золь налить в кювету с плоскопараллельными стенками. Пропустить через него световой луч от проекционного фонаря. Наблюдать сбоку светорассеяние (конус Тиндаля). Параллельно тот же опыт поставить с водой. Отметить разницу в светорассеянии обоими растворами.


Контрольные вопросы

Классификация дисперсных систем.
Общие свойства дисперсных систем. Отличие коллоидных систем от истинных растворов.
дисперсная фаза и дисперсионная среда.
Зависимость удельной поверхности от размера частиц.
дисперсные системы в промышленности и сельском хозяйстве.
воздействие дисперсных систем на окружающую среду.
Основные условия получения дисперсных систем.
Агригативная устойчивость.
Получение дисперсных систем методами физической и химической конденсации.
Получение дисперсных систем методами диспергирования.
Влияние способа получения на строение порошковых частиц.
Пептизация.
Получение лиофильных коллоидных систем при самопроизвольном диспергировании.
Диализ, электродиализ, ультрафильтрация.

Литература

Правила безопасности при работе с химическими веществами в высших и средних специальных учебных заведениях, на предприятиях и в учреждениях системы государственного комитета СССР по народному образованию Краснодар: Краснодарский ордена Трудового красного знамени политехнический институт, 1990.
Захарченко В. Н. Коллоидная химия: Учеб. для медико-биолог.спец. вузов. – 2-е изд., перераб. и доп - М: Высш. шк., 1989.-238 с.: ил.
Современный словарь иностранных слов: /Изд-во “Рус. яз.” – М.: Рус. яз., 1993 – 740 с.
Толковый словарь по химии и химической технологии. Основные термины / С. М. Баринов, Б. Е. Восторгов и др. Под редакцией Ю.А. Лебедева - М.: Рус. яз., 1987 - 528 с.
Зимон А. Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия. – М.: АГАР, 2001 –320 с
Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1976. – 512 с.
Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1982. – 340 с.
Дулицкая Р. А., Фельдман Р. И. Практикум по физической и коллоидной химии. – М.: Высш. школа, 1978.
Левченко В. Ф., Андгуладзе З. Г. Получение металлических порошков в переменном магнитном поле // Порошковая металлургия. – 1988. – № 8. – С. 1 – 4.
Горбатов И. Н., Галимов Г. Г. И др. Получение и свойства порошков алюмината магния для газотермического напыления // Порошковая металлургия. – 1988. – № 12. – С. 40 – 43.
Санин А. Ф., Ничипоренко О. С. Влияние давления воды наформу частиц порошка при распылении // Порошковая металлургия. – 1988. – № 9. – С. 1 – 5.
Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии /Под редакцией Фролова Ю.Г., Градского А.Г. и др. – М.: Химия, 1986. – 216 с.
Практикум по коллоидной химии /Под редакцией Лаврова И. С. – М.: Высшая школа, 1983. - 216 с.
Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1974. - 352 с.
Путилова И.П. Руководство к практическим занятиям по коллоидной химии. – М.: Высшая школа, 1961. – 292 с.
Писаренко А.П., Поспелова К.А., Яковлев А.Г. Курс коллоидной химии. – М.: Высшая школа, 1964. – 248 с.
Липатов Ю.С. Коллоидная химия полимеров. – Киев, Наукова Думка, 1984. – 344 с.
Фришберг И.В., Пастухов В.П., Кузьмина И.В. Металлизированный углеродный порошок: методы получения и свойства – Екатеринбург: УрО РАН, 1992 – 190 с.
Химическое загрязнение почв и их охрана: Словарь-справочник/ Д. С. Орлов, М. С. Малинина и др. – М.: Агропромиздат, 1991. – 303 с.


13PAGE 15


13PAGE 14215















Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 8929874
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий