Все в таблицах+лабы

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Хабаровский государственный технический университет» В. А. Яргаева Л. В. Сеничева ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ Рекомендовано Дальневосточным региональным учебно-методическим центром в качестве учебного пособия для студентов специальностей 260300 «Технология химической переработки древесины», 320700 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», 290800 «Водоснабжение и водоотведение» вузов региона Хабаровск Издательство ХГТУ 2003 1 УДК 541.183(075) ББК Г6 Я71 Р е ц е н з е н т ы: кафедра общей, физической и коллоидной химии Дальневосточного государственного медицинского университета (завкафедрой канд. хим. наук, доц., чл.-кор. МАНЭБ В. А. Немов); доцент кафедры химии Хабаровского государственного педагогического университета Л. А. Стаценко Научный редактор канд. хим. наук, доц. Т. Б. Панасюк Яргаева В. А. Я71 Дисперсные системы: Учеб. пособие / В. А. Яргаева, Л. В. Сеничева. – Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2003. – 135 с. ISBN 5–7389–0248–3 В учебном пособии теоретический материал по дисперсным системам представлен в структурированном виде (22 рисунка, 4 таблицы), приведены тестовые задания для самоподготовки, даны методические рекомендации к выполнению 9 лабораторных работ, а также многовариантные задачи и примеры их решения. Издание предназначено для студентов высших учебных заведений технологических специальностей ХПД, ООС, ВВ и др., изучающих курс коллоидной химии (поверхностные явления и дисперсные системы) или другие химические дисциплины, в которых рассматривается раздел «Дисперсные системы». УДК 541.183(075) ББК Г6  Хабаровский государственный технический университет, 2003  Яргаева В. А., Сеничева Л. В., 2003 ISBN 5–7389–0248–3 2 ВВЕДЕНИЕ Реальный окружающий нас мир, как и мы сами, состоит из дисперсных систем. Поэтому изучение таких систем представляет особый интерес и составляет основу изучения дисциплины «Коллоидная химия» или как все чаще ее сейчас называют «Поверхностные явления и дисперсные системы». Дисперсные системы отличаются от истинных растворов и твердых тел большим многообразием различных признаков, совокупностью замечательных своеобразных физико-химических свойств, невоспроизводимостью и изменчивостью, что затрудняет их изучение. В данном пособии в основном сохранена структура пособия, написанного теми же авторами [35]. Теоретические основы физико-химии дисперсных систем представлены в структурированном виде: 22 рисунка (конспекта-схемы) и 4 таблицы. После предварительного изучения соответствующих параграфов одного из учебников и учебных пособий по коллоидной химии [1-9], а также конспекта лекций, студенты смогут, используя предлагаемые рисунки, конспекты-схемы и таблицы, глубже понять и лучше усвоить изучаемые материалы по соответствующим темам, подготовиться к выполнению лабораторных работ и лучше осмыслить их результаты. Выполнение предлагаемых тестовых заданий для самоконтроля позволит студентам убедиться в качестве усвоения изученного теоретического материала. Ответы на 65 тестовых заданий даются в приложении. Там же приводится список обозначений и сокращений, используемых в предлагаемом учебном пособии. Практическая часть учебного пособия включает методические указания к выполнению 9 лабораторных работ. Все предлагаемые работы выполнялись студентами в лаборатории коллоидной химии ХГТУ на протяжении многих лет. При выборе лабораторных работ мы руководствовались тем, чтобы в них были представлены исследования различных типов дисперсных систем и проявляемых ими свойств и использованы разные методы химического и физикохимического анализа. Многовариантные задачи 1, 2, 3, 7 с общим алгоритмом действия разработаны авторами, задачи 4, 5, 6, 8 подобраны из учебной литературы [10, 22-24] и переработаны. Задачи сгруппированы по отдельным характеристикам, закономерностям и свойствам дисперсных систем. Они предназначены для более глубокого усвоения теоретического материала. Предлагаемые примеры решения типовых задач помогут справиться с решением многих задач. Авторы благодарны завкафедрой общей, физической и коллоидной химии ДВГМУ чл.-кор. МАНЭБ В. А. Немову и доценту кафедры химии ХГПУ Л. А. Стаценко за внимательное прочтение рукописи и ценные замечания. Авторы признательны сотрудникам кафедры химии ХГТУ, особенно завкафедрой доценту Т. Б. Панасюк, студенту гр. ХПД-01 М. Ломову за помощь в создании и оформлении пособия и дружеское участие. 3 I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИИ ДИСПЕРНЫХ СИСТЕМ В СХЕМАХ, РИСУНКАХ, ТАБЛИЦАХ Дисперсными называют многофазные микрогетерогенные системы, состоящие из множества мелких частиц (дисперсной фазы), равномерно распределенных в сплошной жидкой, газообразной или твердой дисперсионных средах, и характеризуют определенными параметрами и признаками (рис. 1). Дисперсные системы классифицируют по размеру частиц дисперсной фазы, по агрегатному состоянию и взаимодействию дисперсной фазы и дисперсионной среды, взаимодействию частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды (рис. 2). Методы получения дисперсных систем весьма разнообразны (рис. 3), многие из них являются естественными природными процессами и протекают только при определенных условиях. Особое место в ряду дисперсных систем занимают коллоидные системы. Кроме лиофобных коллоидных растворов к ним относят растворы высокомолекулярных веществ (ВМВ) и растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ), так как их объединяет общность многих физико-химических свойств. Частицы дисперсной фазы различных типов и строения в коллоидных системах называют мицеллами (рис. 4). Дисперсные системы характеризуются разнообразными молекулярнокинетическими, оптическими и электрокинетическими свойствами (рис. 5, 6, табл. 1), зависящими от размера, формы и строения (рис. 7) частиц дисперсной фазы. Многие из этих свойств лежат в основе методов исследования дисперсных систем и имеют большое практическое значение (рис. 8, 9). Несмотря на то что практически все лиофобные дисперсные системы обладают избыточной свободной энергией и являются термодинамически неравновесными и неустойчивыми, многие из них существуют весьма длительное время. Это подтверждает их агрегативную, кинетическую и фазовую устойчивости, которые обусловлены самыми разнообразными факторами (рис. 10). Нарушение факторов устойчивости приводит к разрушению (чаще всего к коагуляции) дисперсных систем (рис. 11). В соответствии с теорией ДЛФО устойчивость и коагуляция дисперсных систем обусловлены балансом сил притяжения и отталкивания частиц дисперсной фазы при их сближении (рис. 12). Важнейшим и наиболее изученным фактором, вызывающим коагуляцию дисперсных систем, является действие электролитов (рис. 13). Ряд факторов в зависимости от условий неоднозначно действует на устойчивость дисперсных систем (рис. 14). Многие методы разрушения дисперсных систем под действием физикохимических факторов, а также методы очистки коллоидных растворов от примесей низкомолекулярных веществ, имеют большое практическое значение (табл. 2, 3). К весьма своеобразным процессам, протекающим в дисперсных системах, относят процессы структурообразования (рис. 15), которые обусловливают их 4 структурно-механические (реологические) свойства (рис. 16). Важное практическое значение имеют также процессы, протекающие в коагуляционных структурах: гелях и студнях (рис. 17). Как уже упоминалось, растворы ВМВ, несмотря на то что они представляют собой истинные растворы, термодинамически устойчивые и обратимые, не нуждающиеся в стабилизаторе, рассматривают в ряду дисперсных систем и часто называют лиофильными коллоидными растворами. Для ВМВ, их растворов и студней характерны такие особые свойства, как набухание, контракция, синерезис, структурная и пластическая вязкости, мембранное равновесие Доннана и др., которые в свою очередь зависят от особенностей строения молекул ВМВ (рис. 18, 19, 20). Кроме общих свойств, характерных для всех дисперсных систем, рядом особых свойств обладают также микрогетерогенные (грубодисперсные) системы с жидкой и газообразной дисперсионными средами (рис. 21). Дисперсные системы и процессы, протекающие в них, имеют огромное практическое значение (табл. 4). Все объекты окружающей среды: атмосфера, природные воды, почвы, горные породы и др. – являются дисперсными системами. Нарушение равновесия в окружающей среде связано как с естественными природными процессами, так и с деятельностью человека (рис. 22). Глубокое знание природы дисперсных систем и сущности процессов, протекающих в них, позволит будущим специалистам – инженерам-технологам, экологам и др. – успешно решать проблему защиты окружающей нас среды (см. рис. 22, табл. 2) и другие технологические задачи. 5 Дисперсная система многофазная фаза 1 Дисперсная фаза Раздробленная (прерывная) взаимно нерастворимы Частицы Капельки Пузырьки Размер Общая поверхность Общий объём фаза 2 Дисперсионная среда Сплошная (непрерывная) равномерно распределена Жидкая Газообразная Твердая а S V общие параметры системы Дисперсность D=1/а Удельная поверхность Sуд=S/V Межфазное натяжение  Свободная поверхностная энергия Gs=S признаки Гетерогенность Дисперсность Равномерное распределение Рис. 1. Общая характеристика дисперсных систем 6 а ≤ 10-9 м а = 10-9-10-7 м а = 10-7-10-5 м Гомогенные (молекулярно-ионно-дисперсные) Ультрамикрогетерогенные (высокодисперсные) Микрогетерогенные (низкодисперсные) (размер частиц a) Дисперсность Классификационные признаки дисперсных систем Истинные растворы Коллоидные системы Грубодисперсные системы Взаимодействие дисперсной фазы и дисперсионной среды Лиофобные Лиофильные Взаимодействие частиц дисперсной фазы Свободнодисперсные Взаимодействие частиц дисперсионной среды Связнодисперсные Агрегатное состояние дисперсной фазы и дисперсионной среды Обозначение системы (фаза/среда) Т/Ж Ж/Ж Г/Ж Ж/Т Г/Т Т/Т Т/Г Ж/Г Г/Г Тип системы Пример системы Золи, суспензии Природные воды, золи металлов, других веществ, микробы Эмульсии Молоко, нефть, смазки Газовые эмульсии, пены Мыльная пена, муссы Пористые тела, гели Адсорбенты, почвы, минералы (опал, жемчуг) Пористые и Пемза, силикагель, пенопласт, капиллярные системы, активные угли, почва, ксерогели горные породы Твёрдые растворы Минералы (самоцветы), сплавы внедрения (сталь, чугун), бетон Аэрозоли (пыли, дымы) Табачный дым, угольная, мучная пыль, порошки Смог Аэрозоли (туманы) Туман, кучевые облака, тучи Газовые смеси Атмосфера земли Рис. 2. Классификация дисперсных систем 7 Малая растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде Наличие стабилизатора Получение дисперсных систем условия Достижение необходимой степени дисперсности Измельчение частиц Диспергационные методы - механическое диспергирование - ультразвуковое диспергирование - распыление в электрической дуге - самопроизвольное диспергирование ВМВ - выветривание, эрозия, обвал почв, грунтов и др. в природе Перевод свежеприготовленного осадка в объем Укрупнение частиц Пептизация Конденсационные методы - введение пептизатора: электролита, ПАВ, ВМВ, дисперсионной среды Физическая конденсация молекул - переход нерастворимых частиц почв, грунтов, горных пород в природные воды - из паров - при замене растворителя Химическая конденсация - реакции: осаждения, обмена, гидролиза, окислениявосстановления - образование туманов, облаков, нерастворимых частиц в атмосфере и природных водах Протекает только при определенном воздействии на систему Протекает самопроизвольно Протекает самопроизвольно ΔH>0 ΔS>0 ΔH0 ΔS>0 ΔH<0 ΔS<0 Δ S >условия 0 Термодинамические получения ΔG = ΔH  T ΔS < 0 Рис. 3. Методы получения дисперсных систем 8 Например, молекула белка Макромолекула (подобна мицелле) Например, агрегат из молекул мыла Агрегат из молекул или ионов ПАВ Раствор ВМВ Мицеллярный раствор ПАВ Коллоидная мицелла в системах Лиофобный коллоидный раствор Агрегат из молекул нерастворимого вещества Например, мицелла золя иодида серебра, полученного методом химической конденсации по реакции AgNO3 + KI = AgI + KNO3 В избытке AgNO3 агрегат ПОИ противоионы {m[AgI] nAg (n-x) NO 3 }x+ xNO 3 ядро + адсорбционный слой коллоидная частица диффузный слой мицелла Правило Панета-Фаянса На агрегате преимущественно адсорбируются ионы (ПОИ – потенциалопределяющие), имеющие с агрегатом общие химические элементы или изоморфные по строению (могут достраивать кристаллическую решётку агрегата) {m[AgI] nI-(n-x) K+}x- xK+  Числа m, n, x изменяются в широких пределах в зависимости от условий получения и очистки золя; m >> n, n > x Рис. 4. Строение коллоидной мицеллы различных типов 9 Молекулярно-кинетические свойства проявляются при движении частиц дисперсной фазы под действием молекул среды градиента концентраций Броуновское движение Среднеквадратичный сдвиг  силы тяжести Диффузия количественной мерой Уравнение СмолуховскогоЭйнштейна 2 kTt 3 πηr свойства Коэффициент диффузии Скорость седиментации D Осмос является свойства Уравнение Эйнштейна D через полупроницаемую мембрану при градиенте концентраций Седиментация теоретической основой Δ  молекул среды υсед Осмотическое давление является Закон Стокса kT 6 πηr υ сед 2 gρ ρ 0  r 2  9η Закон Вант-Гоффа π  ν kT  const r3 Диффузионно-седиментационное равновесие Приводит к неравномерному распределению частиц дисперсной фазы по высоте h Гипсометрический V gρ ρ 0  h ν ln h   0 закон Лапласа ν kT 0 Информация о системе:  ,D, υсед, π, размер частиц r , кинетическая устойчивость системы h, распределение частиц по размерам Рис. 5. Характеристика молекулярно-кинетических свойств дисперсных систем 10 π Оптические свойства дисперсных систем Рассеяние света Отражение света Дифракция света Высокодисперсные системы r ≤ 0,1 λ Преломление света Низкодисперсные системы r>λ в и з у а л ь н ы е Конус Тиндаля свечение Опалесценция голубоватое матовое свечение т е о р е т и ч е с к и е Уравнение Рэлея 2  n 2  n 02  νV02  Ι p  I 0 24 π 3  21 2  n  2 n λ4 0   1 Двойное лучепреломление света Поглощение света Системы с анизометрическими частицами Системы с окрашенными частицами r ≤ 0,1λ п р и з н а к и Мерцание частиц во вращающемся потоке Мутность Абсорбция света Окраска системы з а к о н о м е р н о с т и – Высокая интенсивность окраски красный (r≤30нм) – Полихромия: золь Au синий (r >30нм) – Дихроизм (опалесценция) Рис. 6. Характеристика оптических свойств дисперсных систем 11 Уравнение Бугера-Ламберта-Бера I п  I 0 e ε  A  lC A  ln I0  ε  A  lC Iп Таблица 1 Общая характеристика электрокинетических свойств дисперсных систем Я в л е н и е Характеристика Причина явления Воздействие на систему Сущность явления Название явления Относительное перемещение фаз дисперсной системы Электрический ток перемещение фаз Перемещение фаз электрический ток Образование ДЭС; возникновение электрокинетического потенциала ζ ; заряд частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды Наложение электрического поля: Давление P, Сила тяжести Fg, U – разность потенциалов; I – сила тока вызывающее течение вызывающая оседание дисперсионной среды частиц Движение частиц Движение Возникновение Возникновение дисперсной фазы со дисперсионной среды потенциала течения потенциала скоростью υл со скоростью υоб Eп.т седиментации Eп.с Электрофорез Электроосмос Потенциал течения Потенциал седиментации Схема процесса Величина ζ потенциала Автор открытия, год У р а в н е н и я Г е л ь м г о л ь ц а–С м о л у х о в с к о г о ζ ηυ л U ;Е  εε 0 Е l ζ ηυ об  εε 0 I Рейс, 1808 ζ E п . т η εε 0 P Квинке, 1859 12 ζ E п . с η εε 0 Fg l Дорн, 1878 Адсорбция ионов из раствора на поверхности раздела фаз Двойной электрический слой - ДЭС причины образования Выход ионов из ионного кристалла или металла в раствор Диссоциация поверхностных соединений на границе раздела фаз Распределение ионов на границе Ж/Ж Механизм образования ДЭС на границе твердая фаза – раствор Теория плоского конденсатора Теория диффузного строения Теория адсорбционно-диффузного строения Гельмгольц-Перрен Гуи-Чепмен Штерн 0 М о д е л и с т р о е н и я ДЭС  Изменение потенциала в ДЭС от толщины слоя Х О с н о в н ы е п а р а м е т р ы ДЭС Полный термодинамический потенциал (поверхностный потенциал) φ0 Электрокинетический потенциал ζ Толщина адсорбционного слоя δ Толщина диффузного слоя Δ Поверхностный заряд σ Емкость ДЭС С Рис. 7. Общая характеристика двойного электрического слоя 13 Исследование дисперсных систем п а р а м е т р ы Форма (строение) частиц шар куб палочка и т. д. Концентрация частичная молярная  См с и с т е м ы Размер частиц a r(l) Молярная масса Масса частицы М m0 Распределение частиц по размерам (фракции) Методы исследования Оптические Iр I0 Молекулярно-кинетические и реологические система Iп l Световая микроскопия Нефелометрия Электронная микроскопия Турбидиметрия Iп Фотоэлектроколориметрия Iп Ультрамикроскопия т и п Грубодисперсная система Ip Исследование диффузии Исследование броуновского движения и с с л е д у е м о й Коллоидный раствор D Осмометрия  Вискозиметрия Фильтрация  Ультрафильтрация Раствор ВМВ Грубодисперсная система Коллоидный раствор Коллоидный раствор Рис. 8. Характеристика методов исследования дисперсных систем 14 сед h с и с т е м ы Коллоидный раствор Коллоидный раствор  Седиментационный анализ Определение электрокинетического потенциала ζ Электрофорез Электроосмос Нанесение неметаллических покрытий на детали сложной конфигурации: грунтовка кузовов автомобилей, покрытие катодов радиоламп и т. д. Изготовление полупроводниковых плёнок на твердой основе Изготовление дисплеев и записи на них В медицине: введение лекарств, диагностика по электрофореграмме крови, очистка лекарств Фракционирование сложных биологических систем, минеральных дисперсий и т. д. Очистка воды от примесей Очистка воздуха от твёрдых и жидких частиц примесей; борьба с топочными дымами Потенциал течения Обезвоживание и осушка многих материалов: плотин, дамб, древесины, торфа, концентрированных коллоидных систем Пропитывание веществ и минералов: бумаги, картона, древесины и т. д. растворами, изменяющими их свойства Электроосмотическое введение лекарств Создание «водяной смазки» для устранения прилипания грунта к ковшу экскаватора, глины к режущей проволоке в кирпичном производстве и т. д. Интенсификация добычи нефти Обезвоживание нефти Потенциал седиментации Исследование «естественного поля» земной коры и его аномалий по потенциалу течения природных вод Картография подземных вод Разведка полезных ископаемых Нахождение путей просачивания воды через плотины, дамбы Определение биопотенциалов человека по течению крови Учёт возможности образования высоких потенциалов, самовозгорания и взрыва при транспортировке нефти, бензина и т. д. Представляет интерес как причина грозовых разрядов, самовозгорания и взрывов в операциях с жидким топливом и т. д. Рис. 9. Практическое использование электрокинетических явлений 15 Устойчивость дисперсных систем Постоянство состояния и основных свойств во времени дисперсности распределения частиц в объёме характера взаимодействия между частицами Агрегативная устойчивость Кинетическая устойчивость Фазовая устойчивость Факторы устойчивости Электростатический Адсорбционносольватный Структурномеханический Энтропийный Гидродинамический о б у с л о в л е н ы образованием ДЭС с одноименным зарядом на частицах ζ образованием сольватных слоёв на частицах и ионах в ДЭС δ образованием адсорбционных слоев ВМВ или ПАВ на частицах интенсивным броуновским движением D изменением свойств среды, частиц, системы п р о я в л я ю т с я Электростатическое отталкивание частиц Расклинивающее давление при контакте частиц Сообщение частице свойств ВМВ (коллоидная защита); лиофилизация частиц Равномерное распределение частиц по объёму (ПАВ) Нарушение факторов устойчивости приводит к разрушению дисперсных систем Рис. 10. Характеристика устойчивости дисперсных систем 16 ρ  r↓ ν=const Диссолюция – неполное растворение частиц при постоянстве их числа Скрытая (мутность) по визуальному признаку Явная (разделение фаз) Коагуляция – процесс укрупнения частиц за счет их слипания п о Гелеобразование Коагуляция Укрупнение частиц и седиментация п р о ц е с с а Слияние капель дисперсной фазы и всплывание или седиментация ф а к т о р ы, в л и я ю щ и е Время хранения Изменение температуры Изменение концентрации ν↓ Медленная по скорости протекания Быстрая ν↓ Высаливание в эмульсиях и аэрозолях (Ж/Г) и т о г о м r↑ r↑ м е х а н и з м у Коалесценция в лиофобных золях Образование структуры (коагель) Изотермическая перегонка – уменьшение числа мелких частиц и рост крупных частиц Разрушение дисперсных систем я в л я е т с я п р о ц е с с ы Действие электролитов Объединение молекул в коацерваты (рои) Образование структуры (студня) (лиогель) к о а г у л я ц и и Механическое воздействие Рис. 11. Классификация процессов разрушения дисперсных систем 17 Застудневание в растворах ВМВ Объединение молекул за счет десольватации н а Коацервация Действие электрического поля Взаимодействие частиц с кинетической энергией kT в лиофобных дисперсных системах Энергия электростатического отталкивания одноименно заряженных частиц Uот U от  Be  χ h h→∞ U → Uот Баланс сил притяжения и отталкивания при сближении частиц на расстояние h Энергия взаимодействия ∆Uб — потенциальный энергетический барьер Энергия межмолекулярного (Ван-дерВаальс) притяжения Uпр Uпр= - A / h2 h→0 U → Uпр U ΔU 0я → ∞ — первая потенциальная яма вторая ΔU я — потенциальная яма U = Uот+Uпр=Be- χh-A/h2 ∆Uб≫kT ∆Uя<kT ∆Uя ≫kT ∆Uб= (5–10) kT Агрегативная устойчивость системы Структурообразование Фазовая устойчивость системы ∆Uб  ∆Uя  kT Коагуляция Концентрационная Индифферентных электролитов С (ПОИ)=const; φ0=const; сжатие ДЭС; уменьшение ζ по механизму протекает под действием при изменении параметров ДЭС Порог коагуляции Нейтрализационная Неиндифферентных электролитов Уменьшение С (ПОИ) или природы ПОИ; уменьшение φ0, ζ ДЭС εkT  const Ск  C 2 6 6  6 A e z z 5 Рис. 12. Теория устойчивости и коагуляции гидрофобных дисперсных систем Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (ДЛФО) 18 Cк Один электролит Правило Щульце-Гарди Ск(z=1) : Cк(z=2) : Cк(z=3) = = 1 : 0,05 : 0,002 8 Порог коагуляции – минимальная концентрация иона электролита, необходимая для коагуляции Уравнение Дерягина-Ландау Ск(z=1): Cк(z=2): Cк(z=3) = = 1 : 0,016 : 0,001 4 n6 Ск= const zn n=6 1/Ск Коагулирующая способность (сила) электролита z Заряд иона–коагулятора, противоположный заряду коллоидной частицы (гранулы) r Коагуляция под действием электролитов Радиус ионакоагулятора Несколько электролитов (смесь) Лиотропные ряды ионов с одинаковым зарядом Li+ Na+ K+ Rb+ Cs+ Mg2+ Ca2+ Sr2+ Ba2+ Cl- Br- I1/Cк увеличивается Ск=∑хiCк(i) Аддитивность действия ионов Ск>∑хiCк(i) Антагонизм действия ионов Ск<∑хiCк(i) Синергизм действия ионов Зона коагуляции Электролит, содержащий многозарядный или с большим радиусом ион-коагулятор Зона устойчивости Зона коагуляции Явление «неправильных рядов» или чередование зон устойчивости и коагуляции Рис. 13. Эмпирические закономерности электролитной коагуляции лиофобных золей 19 Факторы, влияющие на устойчивость дисперсных систем Способ введения электролита-коагулятора В один прием Ск Малыми порциями Сi ∑Сi — Cк > 0 Положительное привыкание Количество введенного ВМВ Большое Величина рН Старение золя Влияние на заряд частиц в гидрозолях оксидов и гидроксидов, растворах ВМВ Малое Коллоидная защита ∑Сi — Cк < 0 Отрицательное привыкание Время хранения золя Спонтанное укрупнение частиц Флокуляция (образование хлопьев) pН<7 Структурные изменения в грануле рН>7 pНиэт Заряд положительный Заряд отрицательный Заряд нулевой ИЭТ— изоэлектрическая точка у с т о й ч и в о с т ь Увеличивается Уменьшается Увеличивается Уменьшается д и с п е р с н о й Уменьшается с и с т е м ы Увеличивается Уменьшается Рис. 14. Изменение устойчивости дисперсных систем под влиянием ряда факторов 20 Увеличивается Таблица 2 Методы разрушения дисперсных систем под действием физико-химических факторов Физикохимический фактор Смешивание двух дисперсных систем Введение твердой поверхности Введение флокулянта Воздействие химических реагентов Гравитационное поле. Размер пор фильтра, мембраны Электрическое поле Центробежное поле Изменение температуры Метод разрушения Сущность метода Пример процесса Взаимная коагуляция В смесителях или отстойниках на станциях очистки природных и сточных вод Гетерокоагуляция Гетероадагуляция Электростатическое притяжение разноименно заряженных частиц или перераспределение стабилизатора при столкновении частиц Осаждение частиц на макроповерхности Прилипание частиц к макроповерхности Флокуляция Сшивание частиц молекулами флокулянта (ВМВ) с образованием хлопьев Коагуляция Химическое разрушение или десорбция стабилизатора Седиментация Осаждение частиц под действием сил тяжести Осаждение частиц на фильтре, мембране, пористом адсорбенте Фильтрование Электрокоагуляция Электрофоретическое осаждение Центрифугирование Термокоагуляция Термоосаждение Снижение заряда частиц, вызывающее их слипание Перемещение частиц к электроду, снижение заряда, прилипание частиц к электроду Осаждение частиц под действием центробежных сил Разделение фаз, выделение частиц дисперсной фазы Изменение растворимости дисперсной фазы или испарение дисперсионной среды 21 При введении электролитов-коагуляторов Проклеивание бумажной массы, дубление кож, покраска автомобилей и др. В практике водоочистки Разрушение эмульсий в нефтедобывающей или нефтеперерабатывающей промышленности. Разрушение пищевых продуктов при неправильном хранении и др. В практике водоочистки. При разрушении туманов, облаков и др. Фракционирование дисперсных систем. В практике водоочистки. Разрушение дымов, пылей и др. В практике водоочистки Нанесение неметаллических покрытий на металлические поверхности, например, изоляция металлических проводников и др. Разрушение аэрозолей (топочных дымов, пылей и др.). Улавливание частиц в цементном производстве. В аналитической практике: гравиметрия и др. В практике очистки сточных вод. В аналитической практике: перекристаллизация — изотермическая перегонка Таблиц а 3 Методы очистки коллоидных растворов Метод Диализ Сущность метода Извлечение из золей низкомолекулярных веществ или ионов электролита чистым растворителем с помощью полупроницаемой мембраны, через которую не проходят коллоидные частицы, в диализаторе (медленный процесс) Пример процесса Очистка лиофобных золей и растворов ВМВ от низкомолекулярных или ионных примесей. Очистка молочной сыворотки от неорганических ионов. Анализ крови на присутствие глюкозы и мочевины. Прижизненное определение в крови низкомолекулярных составных частей (вивидиализ). Работа аппарата «Искусственная почка»: очищение крови от продуктов обмена веществ Электродиализ Процесс диализа, ускоренный путем наложения электрического тока, в электродиализаторе (быстрый процесс) Опреснение природных минерализованных вод, очистка промышленных стоков, вакцин, сывороток и многих других дисперсных систем Ультрафильтрация Фильтрование раствора через полупроницаемую мембрану, пропускающую дисперсионную среду с низкомолекулярными примесями и задерживающую частицы дисперсной фазы или макромолекулы. Для ускорения процесса его проводят под вакуумом или повышенным давлением Отделение низкомолекулярных и ионных примесей от коллоидных растворов. Концентрирование коллоидных растворов. Разделение коллоидных растворов на фракции по размерам при использовании мембран с порами разного размера, ориентировочное определение размеров частиц 22 Структурообразование в дисперсных системах Свободнодисперс- коагуляция ные системы разрушение Структурисцепление рованные частиц жидкие системы тиксотропия тиксотропия структуры разрушение у с л о в и я Коагуляционные срастание Конденсационноструктурированчастиц кристаллизационные ные структурированные системы системы структуры п р о т е к а н и я п р о ц е с с о в Высокие концентрации дисперсной фазы. Анизометрическая форма частиц. Оптимальные температуры. Влияние третьего компонента: природы и концентрации электролита или ПАВ Критическая (минимальная) концентрация структурообразования Скр Слабое механическое воздействие (реопексия) с о о т в е т с т в и е Дальнее взаимодействие отдельных частиц во второй потенциальной яме Высокие давления Высокие температуры Синерезис т е о р и и Дальнее и ближнее взаимодействие (сцепление) частиц во второй потенциальной яме н а з в а н и е Д Л Ф О Срастание частиц в первой потенциальной яме с и с т е м Золи, суспензии, эмульсии Жидкие структурированные системы, растворы ВМВ Коагели, студни Твердые тела ньютоновские жидкости неньютоновские жидкости пространственные, рыхлые компактные, плотные Системы с жидкой дисперсионной средой Системы с твердой дисперсионной средой Рис. 15. Общая характеристика процессов структурообразования в дисперсных системах 23 Структурно-механические свойства дисперсных систем т и п ы Ньютоновские жидкости Свободнодисперсные системы с и с т е м Неньютоновские жидкости Структурированные жидкие системы Упруго-пластичные твердые системы Коагуляционные структуры р е о л о г и ч е с к и е Вязкость Скорость течения (сдвига) Напряжение сдвига (давление) η U P Пластическая вязкость Предел текучести η* Рт Предел прочности Рп т е о р е т и ч е с к и е Упругие твердые тела Конденсационно-кристаллизационные структуры с в о й с т в а Время релаксации tr Начальное напряжение сдвига P0 Модуль сдвига (жесткость системы) Относительная деформация сдвига з а к о н о м е р н о с т и Закон Ньютона Уравнение Бингама Уравнение Максвелла Закон Гука Р = η(dU/dt) P = Pп+ η*(dU/dt) P = P0 exp(-t/tr) P = Eε Уравнение Эйнштейна η = η0(1+αφ); η0 – вязкость дисперсионной среды; α=2,5 для сферических частиц критерии технологичности реологических свойств (ηmax- ηmin)→ ∞ ηmax – вязкость неразрушенной системы ηmin – вязкость разрушенной системы Хорошая формуемость Р ≥ Рт Уплотнение структуры за счет силы тяжести Р ≤ Рт Рис. 16. Общая характеристика структурно-механических (реологических) свойств дисперсных систем 24 Е ε Процессы в коагуляционных структурах типы процессов Диффузия Химическая реакция Проникновение ионов, молекул или частиц внутрь геля или студня, обладающих высокой вязкостью, тонкими жидкими прослойками в местах сцепления частиц структуры сущность процессов Образование растворимых Уплотнение и упрочнение веществ, равномерно распреструктуры с одновременным деляющихся в объёме струквыделением разбавленной туры, и нерастворимых, нежидкой дисперсной системы равномерно оседающих на при хранении (старении) межфазных поверхностях или в объёме особенности − Малый коэффициент диффузии частиц − Неравномерное и скачкообразное перемещение частиц Синерезис Тиксотропия Обратимое разрушение структуры при механическом воздействии и её восстановление в состоянии покоя гель ⇄ золь протекания процессов − Малая скорость реакции − Параллельное протекание нескольких реакций в разных частях структуры − Периодичность реакций − Уменьшение объёма − Анизометрическая форма структуры − Сохранение внешней формы структуры частиц − Малая интенсивность броуновского движения частиц − Изотермичность процесса практическое значение процессов Образование периодических коллоидных структур (ПКС): равномерных – при упрочнении бетонов; локальных – кольца Лизеганга, слоистая узорчатость минералов (яшма, яхонт, малахит и др.), камней (в почках, печени и т. д.) Черствление хлеба, выделение жидкости на поверхности сыра, желе и др. Старение животных организмов и организма человека Возможность нанесения лакокрасочных покрытий на вертикальные поверхности. Заливки бетонами разных форм. Грунты-плывуны (оползни) в природе Рис. 17. Общая характеристика процессов в коагуляционных структурах 25 Фазовые состояния твердые жидкие аморфные кристаллические Типы структур (формы молекул) Линейные, разветвленные Трехмерные, сшитые Неограниченное набухание (растворение) Ограниченное набухание в з а и м о д е й с т в и е ВМВ + растворитель сольватация (НМВ) высушивание V0 Vр-ля Особенность строения Высокомолекулярные вещества (ВМВ) М = 104 – 106 г/моль; r = 10-8 – 10-5 м V0 + Vр-ля > Vc ВМВ сольватированное Vc ∆H < 0; ∆S ≈ 0; ∆G < 0 В М В Трехмерные, сшитые, жесткий каркас - гибкость: вращение звеньев цепи, что приводит к различным формам (конформациям) ВМВ -межмолекулярные связи Нет набухания с р а с т в о р и т е л е м набухание студень синерезис растворение раствор ВМВ застудневание V0 << V V ≈ Vp V ∆H ≈ 0; ∆S >> 0; ∆G < 0 ∆H ≈ 0; ∆S >> 0; ∆G < 0 Процессы протекают самопроизво льно у с л о в и я н а б у х а н и я и р а с т в о р е н и я Близость полярностей ВМВ и растворителя; структура ВМВ; соответствие массы ВМВ объему растворителя; высокие температуры; наличие электролита; рН среды (для полиэлектролитов) Рис. 18. Общая характеристика высокомолекулярных веществ 26 Vp Студень гомогенная система м е т о д ы п о л у ч е н и я Набухание Застудневание ВМВ + растворитель  студень V0, m0 Vр-ля Раствор ВМВ  студень V, m количественные характеристики Степень набухания α V  V0 m m0 ;α  V0 m0 способа получения Вязкость растворителя 0 Скорость набухания н = К(-t) Вязкость раствора  Давление набухания Pн = КСn К, n - константы Относительная вязкость отн = η η0 Теплота набухания а α b α а, b - константы Структурная вязкость с Пластическая вязкость  Контракция (сжатие системы) =  V < V0 + Vр-ля условия получения студня Полярность ВМВ близка полярности растворителя; повышение температуры; содержание ВМВ  1 % (мас); нейтральные соли; рН  рНИЭТ Асимметричные молекулы ВМВ; понижение температуры; концентрация раствора  1 % (мас); электролиты; рН  рНИЭТ Рис. 19. Общая характеристика студня 27 Растворы ВМВ по способности к д и с с о ц и а ц и и ВМВ Неэлектролиты каучук, поливинилхлорид Полиэлектролиты Кислотные - – СОО – OSO3- Амфолиты крахмал агар-агар – СОО – NH3+ pН > 7 заряд отрицательный - Основные – NH3+ белки синтетические полимеры pН < 7 заряд положительный рН = рН (ИЭТ) заряд нулевой Форма ВМВ – глобулярная; набухаемость, вязкость, растворимость, электрическая проводимость – минимальны; мутность – максимальна Мембранное равновесие Доннана - Равновесное распределение ионов НМВ в системе при наличии мембраны, непроницаемой для полиионов Подсистема 1 мембрана Раствор (студень) полиэлектролита (RNa) c концентрацией С(1) [R  ] 1 =C(1); [Na+] 1 = C(1) Подсистема 2 Раствор истинного электролита НМВ (NaCl) с концентрацией С(2) [Na+] 2 = C(2); [Cl  ] 2 = C(2) R  ; Na+ х х равновесное [R ] 1 = C(1); [Na+]1= C(1)+х; [Cl  ] 1 = х [R  ] 1 [Na+] 1 [Cl  ] 1 Na+ Cl- состояние системы [Na+] 2 = C(2)-х; [Cl  ] 2 = C(2)-х [Na+] 2 [Cl  ] 2  Равновесие (С(1) + х)х = (С(2)-х) (С(2)-х) Доннана С (2) ; х – доннановское количество ионов НМВ С(1)  2 С(2) 2 х= Практическое значение Существование биологических систем: клетка во внешней среде, содержащей ионы электролита; работа мембранных (ионообменных) электродов в потенциометрии; мембранные технологии Рис. 20. Характеристика полиэлектролитов 28 Дисперсная фаза С жидкой дисперсионной средой Низкая концентрация ω≤1% Высокая концентрация жидкая твердая Эмульсии Суспензии Высококонцентрированные эмульсии газообразная Подобны лиофобным золям Разбавленные пены Пасты Высококонцентрированные пены Подобны гелям Особые свойства - Фазовая устойчивость Микрогетерогенные системы а=10-7-10-4м С газообразной дисперсионной средой Аэрозоли - Факторы устойчивости: только структурномеханический и адсорбционно-сольватный - Молекулярно-кинетические и электрокинетические свойства не характерны - Проявляются структурно-механические свойства Дисперсная фаза Жидкая Жидкая и твердая Туманы Смог Твердая Дымы Пыли Порошки Особые свойства - Агрегативно неустойчивы; кинетическая устойчивость - Факторы устойчивости: только энтропийный, реже электростатический - ДЭС не образуется - Наряду с общими молекулярно-кинетическими свойствами характерны фотофорез, термофорез, термопреципитация - Из электрокинетических свойств: только потенциал седиментации – эффект Дорна (приводит к появлению электрических разрядов, например, молний, взрывов на угольных шахтах и др.) Рис. 21. Характеристика микрогетерогенных (грубодисперсных) систем 29 Таблица 4 Некоторые области использования дисперсных систем Область Примеры объектов или процессов Пищевая про- Продукты питания и исходное сырьё для их получения: помышленность рошки (мука, какао, крахмал); эмульсии (соусы, маргарин, майонез); студни и гели (кисель, желе, холодец, сыр); коллоидные растворы (супы, бульоны) и др. Сельское Формирование структуры плодородных почв (коагелей). Расхозяйство пыление в виде аэрозолей инсектицидов, фунгицидов, гербицидов для борьбы с вредными насекомыми, болезнями растений и сорняками. Разрушение аэрозолей – искусственное дождевание. Использование удобрений в виде порошков, гранул, суспензий, эмульсий и др. Фармацевтиче- Лекарственные препараты в виде золей (колларгол, протарская промыш- гол), эмульсий (нафталановая, альбихоловая), паст (оксолиноленность вая мазь), суспензий (пенициллиновая, линимент синтомицина), аэрозолей (ингаляционные), пенных препаратов (противоожоговые, кровоостанавливающие) и др. Медицина Диагностика заболеваний на основе анализа коллоидных систем организма человека: крови, плазмы, лимфы, мочи, слюны, слезной жидкости, желудочного сока и др. Лечение заболеваний лекарственными препаратами в виде дисперсных систем Косметическая Косметические препараты в виде эмульсий (кремы, мази, промышлен- шампуни, лаки), паст, аэрозолей, пен, порошков, гранул, сусность пензий и др. Военное дело Использование аэрозолей (дымы Р2О5, ZnO) для светомаскировки Различные В энергетике: распыление твердого и жидкого топлива в виде технолоаэрозолей при подаче в топки. гические В строительстве: исходное сырьё и строительные материалы в производства виде порошков (цемент, известковая мука, глина), твердых пен (пенобетон, пенопласт), эмульсий (лаков, красок), суспензий (известь, цементный раствор), разнообразных композиционных материалов. Нанесение лаков и красок в виде аэрозолей при распылении из пульверизатора. В нефтедобывающей промышленности: использование суспензий из глины для удаления измельченной выбуренной горной породы за счет тиксотропных свойств систем. В металлургии: получение дисперсных систем Т/Т (сплавов): чугуна, стали и др. Состав стали: мартенсит –коллоидный раствор, перлит –микрогетерогенная система. В химической промышленности: исходное сырьё, промежуточные вещества, конечные продукты в виде эмульсий, суспензий, паст, порошков, пен, аэрозолей и др. 30 Объект экологии – Биосфера к л а с с и ф и к а ц и я Тропосфера п о – Жизнь живых существ на земле В е р н а д с к о м у Гидросфера Нижняя часть атмосферы т и п ы Аэрозоли (тучи, облака, туманы, дымы) Литосфера Водная оболочка земли д и с п е р с н ы х Верхняя твердая часть земли с и с т е м Гидрозоли, суспензии, эмульсии (природные воды) Деятельность человека ⇔ человек Структурированные системы (почвы, горные породы) ⇔ Процессы в природе биосфера Антропогенный фактор Природные катаклизмы – видоизменение окружающей среды – нерациональное природопользование – загрязнение окружающей среды – войны Нарушение равновесий в окружающей среде – землетрясения – извержения вулканов – бури, тайфуны, торнадо, циклоны – эрозия почв – выветривание горных пород и др. Физико-химические основы защиты окружающей среды – – – – Спонтанное и принудительное разрушение дисперсий во всех типах дисперсных систем (коагуляция, флокуляция, фильтрация, флотация, центрифугирование, электрокоагуляция и др.); Разрушение аэрозолей (дымов, пылей, туманов, смога), улавливание частиц дисперсной фазы, предотвращение возможности повторного попадания в атмосферу; Предотвращение разрушения литосферы (засоления и эрозии почв, вымывания гумуса из почв, разрушения горных пород); Сохранение устойчивого состояния природных суспензий, эмульсий и других объектов Рис. 22. Дисперсные системы и окружающая среда 32 ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ Выберите правильный ответ 1. Признаками дисперсной системы являются оба условия: а) растворимость фазы в среде; равномерное распределение; б) дисперсность; летучесть среды; в) гетерогенность; летучесть фазы; г) дисперсность; равномерное распределение; д) растворимость фазы в среде; летучесть среды. 2. Для основной характеристики дисперсной системы используют обе величины: а) объем и поверхность частицы; б) массу и объем частицы; в) объем и массу всех частиц; г) объем и поверхность всех частиц; д) дисперсность и удельную поверхность частиц. 3. Термодинамически устойчивой является дисперсная система: а) лиофильный золь; б) лиофобный золь; в) суспензия; г) эмульсия; д) пена. 4. Для лиофобной дисперсной системы характерны оба фактора: а) термодинамически устойчива; при образовании системы G0; б) термодинамически неустойчива; при образовании системы G0; в) термодинамически устойчива; при образовании системы G0; г) термодинамически неустойчива; при образовании системы G0; д) термодинамически устойчива; при образовании системы G=0. 5. Золем является дисперсная система с размером частиц: а) 10–5 м; б) 10–8 м; в) 10–6 м; г) 10–2 м; д) 10–11 м. 6. К конденсационным методам получения дисперсных систем относятся оба метода: а) электрораспыление и замена растворителя; б) ультразвуковое диспергирование и пептизация; в) пептизация и конденсация из паров; г) механическое диспергирование и реакция обмена; д) реакция гидролиза и замена растворителя. 7. При получении дисперсных систем должны выполняться все три условия: а) гетерогенность; дисперсность; растворимость фазы в среде; б) гетерогенность; наличие стабилизатора; растворимость фазы в среде; в) дисперсность; наличие стабилизатора; нерастворимость фазы в среде; г) гомогенность; дисперсность; нерастворимость фазы в среде; д) гомогенность; дисперсность; наличие стабилизатора. 32 8. Для очистки золей от ионных примесей используют оба метода: а) электрофорез и электроосмос; б) диализ и ультрафильтрацию; в) электрораспыление и электродиализ; г) диализ и фотоэлектроколориметрию; д) ультрафильтрацию и электроосмос. 9. К молекулярным коллоидам относят систему: а) золь Fe(OH)3; б) раствор олеата натрия; в) раствор NaCl; г) раствор крахмала; д) суспензию мела в воде. 10. Лиофобным коллоидным раствором является система: а) раствор пальмитата калия; б) суспензия BaSO4; в) раствор яичного альбумина; г) золь AgI; д) раствор HCl. 11. Мицеллярный коллоидный раствор образует система: а) раствор желатина; б) раствор олеата калия; в) золь BaSO4; г) раствор KCl; д) эмульсия масла в воде. 12. Для золя берлинской лазури, полученного при сливании водных растворов K4[Fe(CN)6] и избытка FeCl3, потенциалопределяющим является ион: а) K+; б) Fe3+; в) [Fe(CN)6]4–; г) Cl– ; д) CN– . 13. Для золя гидроксида алюминия с мицеллой    m Al(OH)  nAl 3   xCl  (3n  x)Cl заряд гранулы равен величине:   3   а) 3n+; б) 3x+; в) (3n-x)+; г) (2n-x)+; д) x+. 14. Величина и заряд поверхностного 0–потенциала определяются факторами: а) величиной и зарядом коллоидных частиц; б) числом и зарядом потенциалопределяющих ионов; в) числом и зарядом противоионов адсорбционного слоя; г) числом и зарядом противоионов диффузного слоя; д) величиной и зарядом электрокинетического потенциала. 15. При разведении золя и повышении температуры электрокинетический потенциал изменяется следующим образом а) увеличивается; б) уменьшается; в) не изменяется; г) проходит через минимум; д) проходит через максимум. 16. Для дисперсной системы золь золота проявляются все три свойства: а) электрофорез; отражение света; броуновское движение; б) электрофорез; рассеяние света; диффузия; в) седиментация; преломление света; потенциал оседания; г) диффузия; отражение света; потенциал течения; 33 д) седиментация; прохождение света; электроосмос. 17. Структурно-механические свойства пластичность и эластичность характерны для дисперсной системы: а) золя AgI; б) эмульсии бензола в воде; в) тумана; г) суспензии Al2O3 в воде; д) студня крахмала. 18. Диффузия, осмос и броуновское движение в большей степени проявляются для дисперсных систем с размером частиц: а) 10–8 м; б) 10–5 м; в) 10–4 м; г) 10–6 м; д) 10–3 м. 19. Седиментация возможна в дисперсных системах с размером частиц: а) 10–8 м; б) 10–5 м; в) 10–9 м; г) 10–11 м; д) 10–10 м. 20. Не проявляет молекулярно-кинетические и электрокинетические свойства дисперсная система: а) пена; б) эмульсия; в) суспензия; г) аэрозоль; д) гидрозоль. 21. Структурообразованию (гелеобразованию) коллоидного раствора способствуют все три фактора: а) высокие температуры; высокие концентрации; введение электролита; б) низкие температуры; перемешивание системы; особая форма частиц; в) высокие температуры; высокие концентрации; анизометрическая форма частиц; г) низкие температуры; низкие концентрации; особая форма частиц; д) низкие температуры; высокие концентрации; анизометрическая форма частиц. 22. К конденсационно-кристаллизационным структурам относят систему: а) табачный дым; б) эмульсию толуола в воде; в) студень желатина; г) гидрозоль Fe(OH)3; д) пенопласт. 23. Для коагуляционной структуры характерны оба свойства: а) синерезис и тиксотропия; б) хрупкость и эластичность; в) синерезис и прочность; г) тиксотропия и прочность; д) прочность и хрупкость. 24. Аэрозоль проявляет оба свойства: а) прохождение света и потенциал течения; б) термопреципитация и фотофорез; в) кольматация и фильтрация; г) обращение фаз и коалесценция; д) флотация и кратность. 34 25. Для суспензии проявляются оба свойства: а) флотация и кратность; б) кольматация и фильтрация; в) обращение фаз и коалесценция; г) фотофорез и флотация; д) термопреципитация и термофорез. 26. Только для эмульсии характерны оба свойства: а) флотация и фильтрация; б) фотофорез и термофорез; г) обращение фаз и коалесценция; г) кольматация и электрофоторез; д) термопреципитация и рассеяние света. 27. Для пены характерны оба свойства: а) кольматация и термопреципитация; б) коалесценция и фотофорез; в) электрофоторез и термофорез; г) электроосмос и фильтрация; д) флотация и кратность. 28. Светорассеяние не может проявляться в дисперсной системе: а) золь As2S3; б) мучная пыль; в) пенобетон; г) эмульсия; д) студень агар-агара. 29. В большей степени рассеивается свет с длиной волны: а) 940 нм; б) 364 нм; в) 580 нм; г) 315 нм; д) 750 нм. 30. На измерении света, рассеянного дисперсной системой, основан оптический метод исследования: а) нефелометрия; б) микроскопия; в) турбидиметрия; г) фотоэлектроколориметрия; д) электронная микроскопия. 31. Уравнение Эйнштейна для диффузии имеет вид: πr 3 RT kT kT а) D  ; б) D  ; в) D  ; г) D  ; 6 πrN А 6 πrη 3 ηRT 3 πη r N А д) D  RT . 6 πrη 32. Уравнение Эйнштейна-Смолуховского частицы имеет вид: для среднеквадратичного сдвига 2 RTt RT kTt ; в) Δ  2 Dt ; г)   ; ; б)   3 πηr 3 πηrN A 6 πηrN A 2 RT . д) Δ  3 πηrN A 2 а) Δ  35 33. Уравнение Вант-Гоффа для осмотического давления коллоидных растворов имеет вид: N C RT; г) π  νRT; д) π  A RT . а) π  νkT; б) π  Cм RT; в) π  NA V0 34. Уравнение Рэлея для интенсивности рассеянного коллоидной системой света имеет вид: а) I p  I 0   εlc ; б) I p  I 0    τl ; в) I p  I 0  В νV 2 0 ; г) A   εlc; д) I  I  p λ4 0 νV 0 . λх 35. Уравнение Бугера-Ламберта-Бера для интенсивности прошедшего через дисперсную систему света имеет вид: а) I п  I 0  В д) I п  I 0  νV 2 I Iп 0 ; б) lg 0  εlc; в) A   εlc; г) I  I  e (ε A) lc ; λх п 0 νV λ 0 . 4 36. К катоду при электрофорезе будут перемещаться коллоидные частицы золя, полученного при сливании растворов: а) CrCl3(изб.) + NH4OH; б) NaOH(изб.) + ZnCl2; в) (NH4)2S(изб.) + MnCl2; г) FeCl3 + NaOH(изб.); д) SnCl2 + (NH4)2S(изб.). 37. К аноду при электрофорезе будут перемещаться коллоидные частицы золя, полученного при сливании растворов: а) NaCl + AgNO3(изб.); б) CuSO4 + H2S(изб.); в) Hg(NO3)2(изб.) + KI; г) H2SO4 + Pb(NO3)2(изб.); д) HCl(изб.) + Na2SiO3. 38. Для определения электрокинетического потенциала методом электрофореза используют уравнение: а) ζ  η υ л; Iεε0 б) ζ  3 πηυ л 4 ηυ л ηυ л 4 εε0 ; в) ζ  ; д) ζ  ; г) ζ  . εε0 E εε0Е εε0 I Еη 39. Агрегативная устойчивость дисперсной системы – это свойство: а) равномерное распределение частиц в объеме; б) способность системы противостоять слипанию и укрупнению частиц; в) объединение частиц в более крупные агрегаты; г) способность системы к структурообразованию; д) оседание частиц под действием сил тяжести. 36 40. Коагуляция коллоидного раствора начинается при достижении электрокинетическим потенциалом критической величины: а) 0 мВ; б) 10 мВ; в) 30 мВ; г) 70 мВ; д) 100 мВ. 41. Седиментационной устойчивости дисперсной системы соответствует свойство: а) способность частиц системы к седиментации; б) объединение частиц в более крупные агрегаты; в) способность системы противостоять слипанию и укрупнению частиц; г) равномерное распределение частиц в объеме; д) способность системы к структурообразованию. 42. Фазовая устойчивость дисперсной системы – это свойство: а) оседание частиц системы под действием сил тяжести; б) способность системы к структурообразованию; в) объединение частиц системы в более крупные агрегаты; г) способность системы противостоять слипанию и укрупнению частиц; д) равномерное распределение частиц в объеме. 43. В соответствии с теорией ДЛФО нейтрализационная коагуляция золей под действием электролитов обусловлена причиной: а) увеличением толщины диффузного слоя и уменьшением – потенциала; б) сжатием диффузного слоя и уменьшением –потенциала; в) десорбцией потенциалопределяющих ионов (ПОИ) и увеличением 0–потенциала; г) сжатием диффузного слоя и увеличением –потенциала; д) десорбцией ПОИ и уменьшением 0– потенциала. 44. Соотношения порогов коагуляции одно-, двух- и трехзарядных ионов в соответствии с закономерностью Дерягина-Ландау имеют вид: а) 1 : 0,2 : 0,5; б) 1: 0,016 : 0,001 3; в) 1: 0,52 : 0,12; г) 1: 0,05 : 0,03; д) 1: 0,001 2 : 0,000 5. 45. Концентрационная коагуляция золей под действием электролитов в соответствии с теорией ДЛФО обусловлена причиной: а) десорбцией ПОИ и уменьшением 0– потенциала; б) сжатием диффузного слоя и увеличением –потенциала; в) десорбцией потенциалопределяющих ионов (ПОИ) и увеличением 0– потенциала; г) сжатием диффузного слоя и уменьшением –потенциала; д) увеличением толщины диффузного слоя и уменьшением –потенциала. 37 46. Наиболее эффективным коагулятором для золя с положительным зарядом частиц является электролит: а) NaCl; б) K2SO4; в) CaCl2; г) Na3PO4; д) Al2(SO4)3. 47. Наибольший порог коагуляции для золя с отрицательным зарядом частиц имеет электролит: а) FeSO4; б) MgCl2; в) K3PО4; г) Ba(NO3)2; д) AlCl3. 48. Для золя с положительным зарядом частиц в порядке увеличения коагулирующей силы расположены ионы: а) Fe3+, Mg2+, K+; б) Li+, SO 24 , Al3+; в) Cl– , Mg2+, PO 34 ; г) Ba2+, Al3+, Th4+; д) Br  , CO 32 , PO 34 . 49. Для золя с отрицательным зарядом частиц коагулирующая сила увеличивается в ряду: а) Cl– , NO–3, I  ; б) Mg2+, Fe3+, K+; в) Li+; Na+, K+; г) SO 24 , PO 34 , Cl–; д) Al3+, Na+, Th4+. 50. Аддитивность при коагуляции смесью электролитов проявляется в следующем: а) коагулирующая способность определяется действием только одного электролита; б) коагулирующие способности электролитов суммируются; в) коагулирующая способность смеси электролитов меньше, чем каждого электролита отдельно; г) коагулирующая способность смеси электролитов больше, чем каждого электролита отдельно; д) коагулирующие способности не зависят друг от друга. 51. Антагонизм при коагуляции смесью электролитов обусловлен фактором: а) коагулирующие способности не зависят друг от друга; б) коагулирующая способность смеси электролитов больше, чем каждого электролита отдельно; в) коагулирующая способность смеси электролитов меньше, чем каждого электролита отдельно; г) коагулирующая способность электролитов суммируется; д) коагулирующая способность определяется действием только одного электролита. 52. Синергизму при коагуляции смесью электролитов соответствует фактор: а) коагулирующие способности электролитов суммируются; б) коагулирующие способности не зависят друг от друга; 38 в) коагулирующая способность смеси электролитов больше, чем каждого электролита отдельно; г) коагулирующая способность определяется действием только одного электролита; д) коагулирующая способность смеси электролитов меньше, чем каждого электролита отдельно. 53. Чередования зон устойчивого и неустойчивого состояния золей при коагуляции электролитами обусловлены причиной: а) чередованием высоких и низких температур; б) разбавлением и концентрированием растворов; в) введением индифферентного электролита, расширением и сжатием диффузного слоя; г) введением неиндифферентного электролита с многозарядным ионом и перезарядкой поверхности коллоидных частиц; д) введением индифферентного электролита и перемешиванием раствора. 54. Гетерокоагуляции соответствует механизм: а) слипание однородных частиц одного размера; б) слипание разнородных частиц разного размера; в) слипание однородных частиц, но с противоположным знаком; г) отталкивание однородных частиц; д) прилипание частиц к чужеродной твердой поверхности. 55. Гетероадагуляция обусловлена фактором: а) прилипанием частиц к чужеродной твердой поверхности; б) отталкиванием однородных частиц; в) слипанием однородных частиц, но с противоположным знаком; г) слипанием разнородных частиц; д) слипанием однородных частиц. 56. Взаимной коагуляции соответствует явление: а) отталкивание однородных частиц с одинаковым зарядом; б) слипание однородных частиц, но с противоположным знаком; в) прилипание частиц к чужеродной твердой поверхности; г) слипание однородных частиц разного размера; д) слипание разнородных частиц одинакового размера. 57. По величине золотого защитного числа наиболее эффективным стабилизатором для золя является ВМВ: а) крахмал (20); б) декстрин (30); в) сапонины (45); г) казеинат натрия (0,1); д) желатин (0,01). 39 58. Стабилизирующее действие ПАВ или ВМВ для дисперсных систем обусловлено причиной: а) сжатием диффузного слоя и увеличением –потенциала; б) десорбцией потенциалопределяющих ионов и увеличением 0– потенциала; в) сообщением частице электрического заряда и электростатическим расталкиванием между частицами; г) образованием адсорбционного сольватного слоя на поверхности частицы и созданием расклинивающего давления при контакте частиц; д) созданием структурно-механического барьера за счет адсорбции на поверхности частицы. 59. Стабилизирующее действие электролита для дисперсных систем проявляется в следующем: а) создании структурно-механического барьера и лиофилизации частиц; б) образовании адсорбционного сольватного слоя на поверхности частиц и создании расклинивающего давления при контакте частиц; в) образовании ДЭС с одноименным зарядом на частицах и электростатическим расталкиванием между частицами; г) десорбции потенциалопределяющих ионов с поверхности частиц и увеличении 0–потенциала; д) сжатии диффузного слоя и увеличении –потенциала частиц. 60. Энтропийный фактор устойчивости дисперсной системы обусловлен фактором: а) образованием ДЭС на поверхности частиц; б) интенсивным броуновским движением; в) изменением свойств дисперсионной среды и системы в целом; г) образованием адсорбционных слоев на поверхности частиц; д) образованием сольватных слоев на частицах и ионах в ДЭС. 61. Ограниченно набухает ВМВ: а) резина в воде; б) эбонит в бензоле; в) полиэтилен в воде; г) резина в бензоле; д) крахмал в горячей воде. 62. Неограниченно набухает ВМВ: а) каучук в бензоле; б) полиэтилен в воде; в) резина в воде; г) крахмал в холодной воде; д) эбонит в ацетоне. 63. Для процесса набухания ВМВ справедливы соотношения: а) ΔS≫0; ΔG<0; б) ΔS<0; ΔG<0; г) ΔS≪0; ΔG>0; д) ΔH<0;Δ S≪0. 40 в) ΔH>0; ΔS<0; 64. Мембранное равновесие Доннана выражается уравнением: а) С(1) (С(1) + Х) = С(2) (С(2) – Х); б) (С(1) + X)Х = С(2) (С(2) – Х); в) С(1)Х = (С(2) – Х) (С(2) – Х); г) (С(1) + Х)Х = (С(2) – Х) (С(2) – Х); д) (С(1) - X)Х = С(2) (С(2) + Х). 65. Изоэлектрической точке белка соответствуют все три свойства: а) хорошая растворимость; высокая электрическая проводимость; высокое значение вязкости; б) большая степень набухания; хорошая растворимость; низкое значение вязкости; в) малая степень набухания; высокая электрическая проводимость; хорошая растворимость; г) малая растворимость; высокое значение вязкости; низкая электрическая проводимость; д) малая степень набухания; низкое значение вязкости; плохая растворимость. 41 II. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ Предлагаемые методические указания к лабораторным работам сопровождаются кратким теоретическим введением со ссылками на теоретические основы (раздел I) и другую учебную литературу [1-8], подробной методикой выполнения и оформления работы в алгоритмизированной форме, выводами по работе. Ответы на предлагаемые в конце каждой работы контрольные вопросы позволят лучше осмыслить результаты сделанной работы и глубже усвоить изученный теоретический материал. РАБОТА 1. ПОЛУЧЕНИЕ ЗОЛЯ И ЕГО КАЧЕСТВЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Цель работы: получить золь, определить заряд коллоидных частиц, написать формулу мицеллы, исследовать оптические свойства золя и оценить устойчивость его во времени. Методы исследования: электрофорез, бумажная хроматография, визуальные методы наблюдения оптических свойств и устойчивости золя. Приборы и оборудование: выпрямитель тока; прибор для наблюдения конуса Тиндаля; электрохимическая ячейка в виде Uобразной трубки с графитовыми электродами. Посуда: мерный цилиндр на 50 мл; мерная пробирка или цилиндр на 10 мл; мерная пипетка на 1 мл; коническая колба на 50 или 100 мл; кювета с плоскопараллельными гранями толщиной 10, 20 или 40 мм. Реактивы: водные растворы веществ в соответствии с вариантом индивидуального задания (табл. 5). 1. К Р А Т К О Е Т Е О Р Е Т И Ч Е С К О Е В В Е Д Е Н И Е Золь, или коллоидный раствор, – это один из видов дисперсных систем, характеризующийся определенным набором общих параметров (см. рис. 1) и классификационных признаков (см. рис. 2). Коллоидными системами называют высокодисперсные гетерогенные системы, содержащие в виде дисперсной фазы коллоидные частицы, равномерно распределенные в дисперсионной среде. Гетерогенность системы обусловлена тем, что вещество дисперсной фазы нерастворимо в дисперсионной среде, например в воде, находится в ней в виде коллоидных частиц с определенной степенью дисперсности. Эти гетерогенные системы характеризуются большой площадью общей поверхности раздела фаз, избыточной поверхностной энергией и термодинамической неустойчивостью, т. е. самопроизвольным укрупнением частиц во времени. Равномер- 42 ное распределение этих частиц возможно только при наличии стабилизатора на их поверхности. Способность системы сохранять во времени постоянную дисперсность (размер частиц) принято называть агрегативной устойчивостью системы, а способность сохранять равномерное распределение частиц в объеме – кинетической устойчивостью (см. рис. 10). Получение коллоидных систем состоит прежде всего в достижении необходимой дисперсности частиц дисперсной фазы в заданной дисперсионной среде. Согласно термодинамическим условиям (см. рис. 3) коллоидные системы получают тремя путями: - методами конденсации, т. е. объединения молекул или ионов в частицы коллоидной степени дисперсности при протекании химических реакций осаждения (химическая конденсация) или при создании условий, приводящих к уменьшению растворимости вещества (физическая конденсация); - методами диспергирования, т. е. раздробления крупных частиц до более мелких механическими или физическими способами; - методами пептизации, т. е. перевода свежеосажденных частиц коллоидной степени дисперсности в дисперсионную среду под действием пептизатора (электролита, ПАВ, ВМВ или дисперсионной среды), стабилизирующего частицы. Если дисперсионной средой является вода, то системы называют гидрозолями или просто золями, в которых стабилизатором являются ионы электролита. В зависимости от условий получения и ионного состава раствора у поверхности частиц дисперсной фазы создается двойной электрический слой (ДЭС) из потенциалопределяющих ионов (ПОИ) и противоионов (см. рис. 4, 7). В коллоидном растворе образуются электронейтральные мицеллы, включающие: - агрегат, содержащий молекулы нерастворимого вещества; - ПОИ, адсорбирующиеся на поверхности агрегата (по правилу ПанетаФаянса ПОИ могут быть те ионы, которые способны достраивать кристаллическую решетку агрегата), или те ионы, которые остаются в агрегате при диссоциации поверхностных молекул (mH2SiO3nHSiO 3 ); агрегат ПОИ - противоионы, противоположные по заряду ПОИ, располагаются в адсорбционном и диффузном слоях. Коллоидная частица (гранула) состоит из агрегата, ПОИ и противоионов в адсорбционном слое; заряд частицы определяют ПОИ. При пропускании постоянного электрического тока через золь наблюдается движение коллоидных частиц: у одного из электродов раствор мутнеет в результате притяжения и последующей электрокоагуляции частиц, а у другого раствор становится более прозрачным за счет отталкивания частиц. Время появления таких изменений зависит от концентрации золя, размера и заряда частиц, величины напряжения тока. Процесс перемещения частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды в электрическом поле, создаваемом по43 стоянным электрическим током, называется электрофорезом (см. табл. 1), который является одним из электрокинетических свойств дисперсных систем, используемых для определения электрокинетического потенциала и имеющих большое практическое значение (см. рис. 9). Основные методы исследования дисперсных систем основаны на их молекулярно-кинетических и оптических свойствах (см. рис. 8). При нарушении устойчивости коллоидной системы визуально можно наблюдать увеличение мутности, образование крупных частиц в объеме раствора, выпадение осадка (седиментацию) или изменение распределения частиц по высоте. Если таких изменений в золе нет, значит, система устойчива. При длительном хранении в коллоидном растворе может самопроизвольно произойти укрупнение частиц и выпадение их в осадок – это спонтанная коагуляция (см. рис. 11). Основными оптическими свойствами дисперсных систем являются поглощение и рассеяние света (см. рис. 6). Окрашенные системы поглощают видимый свет (400–750 нм). Все дисперсные системы рассеивают свет: в низкодисперсных системах светорассеяние происходит за счет отражения и преломления света частицами, в коллоидных – за счет дифракции света. Визуальными проявлениями светорассеяния являются мутность в низкодисперсных системах, опалесценция и конус Тиндаля в коллоидных растворах. Для веществ в коллоидном состоянии характерны более интенсивная окраска, полихромия, т. е. зависимость цвета от размера частиц, и дихроизм, т. е. различие окраски бесцветного золя при рассмотрении его в проходящем и рассеянном свете. 2. В Ы ПО Л Н Е Н И Е Р А Б О Т Ы 2.1. Получите гидрозоль (золь) в соответствии с вариантом задания (см. табл. 5). В чистую колбу на 50–100 мл влейте растворы в той последовательности, которая указана в задании. Последний раствор приливайте по каплям и при интенсивном перемешивании содержимого колбы. Перемешивание приводит к увеличению числа центров кристаллизации, благодаря чему получаются частицы малых размеров. Признаками получения золя являются изменение цвета раствора, полное изчезновение окраски исходных веществ, опалесценция или небольшое помутнение. Таблица 5 Варианты заданий к лабораторной работе 1 Вариант 1 2 3 Золь AgBr AgBr Fe(OH)3 Реактивы 40 мл 0,005 М AgNO3 + 10 мл 0,005 М KBr 40 мл 0,005 М KBr + 10 мл 0,005 М AgNO3 50 мл Н2О, нагретой до кипения, + 1 мл насыщ. р-ра FeCl3 44 Вариант 4 5 Золь Серы (S) CaCO3 6 7 Канифоли (RCОOH) Fe(OH)3 8 Co2[Fe(CN)6] 9 10 AgI Fe4[Fe(CN)6]3 11 12 AgI Fe4[Fe(CN)6]3 13 14 AgCl Cu2[Fe(CN)6] 15 16 AgCl MnO2 17 Al(OH)3 18 MnO2 19 20 Парафина Cr(OH)3 21 FePO4 22 Ag4[Fe(CN)6] 23 AlPO4 24 Fe(OH)3 25 Pb3(PO4)2 О к о н ч а н и е т а б л. 5 Реактивы 50 мл 0,05 М H2SO4 + 10 мл 0,05 М Na2S2O3 50 мл насыщ. р-ра Са(ОН)2 + СО2(г), полученный в аппарате Н.В. Разумова, до слабого помутнения 50 мл Н2О + 0,2 мл насыщ. спиртового р-ра канифоли 50 мл 20 %-ного р-ра (NH4)2CO3 + 8 мл 1 %-ного р-ра FeCl3 50 мл 0,1 %-ного р-ра K4[Fe(CN)6] + 6 мл 0,1 %-ного р-ра CoSO4 40 мл 0,005 М KI + 10 мл 0,005 М AgNO3 50 мл Н2О + 5 мл 0,1 %-ного р-ра K4[Fe(CN)6] + 0,1 мл насыщ. р-ра FeCl3 40 мл 0,005 М AgNO3 + 10 мл 0,005 М KI 50 мл 2 %-ного р-ра FeCl3 + 1 мл 0,1 %-ного р-ра K4[Fe(CN)6] 40 мл 0,005 М KCl + 10 мл 0,005 М AgNO3 40 мл 20 %-ного р-ра K4[Fe(CN)6] + 10 мл 0,1 %ного р-ра CuSO4 40 мл 0,005 М AgNO3 + 10 мл 0,005 М KCl 50 мл Н2О + 5 мл 1 %-ного р-ра KMnO4 + 2 мл 1 %-ного р-ра Na2S2O3 50 мл Н2О + 1 мл 20 %-ного р-ра (NH4)2CO3 + 6 мл 1 %-ного р-ра AlCl3 50 мл Н2О + 5 мл 1 %-ного KMnO4 + по каплям 1 %-ный р-р H2O2 до полного изменения цвета р-ра 50 мл Н2О + 5 мл спиртового р-ра парафина 50 мл Н2О + 1 мл 20 %-ного р-ра (NH4)2CO3 + 3 мл 15 %-ного р-ра CrCl3 50 мл Н2О + 5 мл насыщ. р-ра FeCl3 + 2 мл 2 %-ного р-ра СН3СООNa + по каплям 10 %-ный р-р Na2HPO4 до помутнения 40 мл 2 %-ного р-ра K4[Fe(CN)6] + 4 мл 0,005 М AgNO3 50 мл Н2О + 3 мл 30 %-ного р-ра AlCl3 + 2 мл 2 %-ного р-ра СН3СООNa + по каплям 10 %-ный р-р Na2HPO4 до помутнения 20 мл Н2О + 2 мл насыщ. р-ра FeCl3 + 25 мл 20 %-ного р-ра (NH4)2CO3 50 мл Н2О + 10 мл 0,2 %-ного р-ра PbCl2 + 1 капля 10 %-ного р-ра Na2HPO4 45 Если полученная система является мутной, т. е. наряду с золем получилась низкодисперсная система, то раствор необходимо либо разбавить, т. е. пептизировать осадок, либо отфильтровать, либо повторить опыт. Сильно окрашенные системы необходимо разбавить в 2–3 раза, потом – исследовать. 2.2. Исследуйте полученный золь при разных способах рассмотрения: - в проходящем свете, т. е. в направлении на источник света, например на окно; - в рассеянном свете, т. е. при боковом освещении, перпендикулярном направлению рассмотрения золя. Отметьте, наблюдаются ли явления опалесценции, является ли золь прозрачным, слабомутным или мутным, имеются ли взвешенные частицы в объеме золя или произошла их седиментация. Укажите цвет золя, обратите внимание на интенсивность окраски и изменения в цвете при разных способах рассмотрения. 2.3. Налейте золь в кювету соответствующей толщины, поместите ее в прибор для наблюдения конуса Тиндаля. Оцените способность золя рассеивать свет: виден световой луч или нет, след луча прямой или конусообразный. 2.4. Определите заряд частиц золя методом бумажной хроматографии, если золь интенсивно окрашен, или методом электрофореза, если золь бесцветный или слабоокрашен. Метод бумажной хроматографии. В центр фильтровальной бумаги, которая отрицательно заряжена, внесите 1-2 капли золя и наблюдайте за растеканием капли: если окрашенные частицы остаются в центре, а бесцветная дисперсионная среда перемещается к краям бумаги, то частицы положительно заряжены; в противном случае частицы заряжены отрицательно. Метод электрофореза. Влейте золь в U-образную трубку (на 1 2 высоты), погрузите графитовые электроды, предварительно промытые в дистиллированной воде и осушенные фильтровальной бумагой, подключите их к выпрямителю, установите напряжение 120 или 240 В и наблюдайте за изменениями у электродов. Если помутнение, вызванное притяжением частиц, сильнее у анода (+), то частицы – отрицательные, если у катода (-), то частицы – положительные. Частицы могут отталкиваться от одноименно заряженных электродов и тогда около их поверхности происходит осветление золя; частицы заряжены положительно (+), если осветление около анода и отрицательно (-), если осветление около катода. 2.5. Оцените устойчивость золя во времени по изменению его мутности и цвета, по образованию и седиментации осадка в момент приготовления, в конце занятия и через неделю. 2.6. Внесите результаты качественной характеристики полученного золя в табл. 6. 46 Таблица 6 Экспериментальные данные исследования золя Свойство Характеристика свойства Метод определения 1. Оптические свойства золя 1.1. Прозрачность или мутность 1.2. Опалесценция: - цвет золя в проходящем свете - цвет золя в рассеянном свете 1.3. Конус Тиндаля 1.4. Окраска золя 2. Заряд частиц в золе 3. Устойчивость золя: - в момент приготовления - в конце занятия - через неделю 3. О Б Р А Б О Т К А Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н Ы Х Д А Н Н Ы Х 3.1. Напишите уравнение химической реакции или схему процесса получения золя. 3.2. Определите вещество, образующее агрегат мицеллы, и ионный состав раствора, выберите, какие ионы будут ПОИ, а какие – противоионы. 3.3. Напишите формулу мицеллы и укажите ее составные части. 3.4. Укажите, какие видимые изменения происходят в золе с течением времени. 4. В Ы В О Д Ы П О Р А Б О Т Е 4.1. Назовите метод получения золя. 4.2. Определите тип золя по всем классификационным признакам дисперсных систем. 4.3. Перечислите визуальные признаки, подтверждающие образование золя. 4.4. Перечислите, какими молекулярно-кинетическими, оптическими и электрокинетическими свойствами обладает золь. 4.5. Оцените устойчивость золя и возможность его спонтанной коагуляции. 5. К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е В О П Р О С Ы 1. Какие системы называют дисперсными? 2. Почему золь можно назвать дисперсной системой? 3. Какими методами получают дисперсные системы? 47 4. Какова сущность каждого метода получения дисперсных систем? 5. Какие признаки характерны для дисперсных систем? 6. Почему дисперсные системы термодинамически неустойчивы? 7. При каких условиях получается устойчивая дисперсная система? 8. Какие критерии и параметры характеризуют дисперсную систему? 9. Чем дисперсная система с жидкой дисперсионной средой отличается от истинного раствора? 10. Что такое мицелла и каково ее строение? 11. Можно ли объекты окружающей среды (атмосферу, почву, природные воды и т. д.) считать дисперсными системами? 12. Какими методами можно подтвердить факт получения дисперсной системы? 13. По каким признакам классифицируют дисперсные системы? 14. Каковы пути образования заряда на коллоидных частицах? 15. Как располагаются противоионы в мицеллах? 16. Какими оптическими свойствами обладают золи? 17. Какими молекулярно-кинетическими свойствами обладают золи? 18. Какова сущность агрегативной и кинетической устойчивости? 19. Какими электрокинетическими свойствами обладают дисперсные системы? 20. Какими методами можно очистить золь? 21. Какими методами можно исследовать золи? РАБОТА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ КОАГУЛЯЦИИ ЛИОФОБНЫХ ЗОЛЕЙ ЭЛЕКТРОЛИТАМИ Цель работы: изучить условия коагуляции и устойчивости лиофобного золя, определить пороги коагуляции золя электролитами. Методы исследования: визуальный; фотоэлектроколориметрический. Приборы и оборудование: фотоэлектроколориметр КФК-1,2; титровальная установка. Посуда: конические колбы на 50 и 100 мл; пробирки; мерный цилиндр на 50 мл; мерная пробирка на 10 мл; мерная пипетка на 1 или 2 мл; бюретка на 25 мл. Реактивы: растворы электролитов-коагуляторов: 2-молярные растворы KCl, NaCl, KNO3, NaNO3; растворы K2SO4, Ba(NO3)2, BaCl2 с молярной концентрацией СМ = 0,5 моль/л; растворы AlCl3, Al(NO3)2, Na3PO4, K3[Fe(CN)6] с концентрацией СМ = 0,05 моль/л; раствор K4[Fe(CN)6) с концентрацией СМ = 0,005 моль/л. 48 1. К Р А Т К О Е Т Е О Р Е Т И Ч Е С К О Е В В Е Д Е Н И Е Дисперсные системы, обладающие большим запасом свободной поверхностной энергии, самопроизвольно разрушаются во времени (см. табл. 2, рис. 11). В лиофобных золях чаще всего протекает коагуляция – процесс укрупнения частиц за счет их слипания под действием различных факторов. При этом нарушается агрегативная устойчивость, которая, как правило, сопровождается нарушением и кинетической устойчивости (см. рис. 10). Чаще всего коагуляцию лиофобных золей вызывают электролиты, изменяющие энергию взаимодействия между коллоидными частицами (см. рис. 12). В соответствии с теорией ДЛФО электролиты по влиянию на строение ДЭС в мицелле, заряд коллоидных частиц и величину электрокинетического потенциала подразделяются на индифферентные и неиндифферентные. Минимальная концентрация электролита, при которой начинает происходить коагуляция с заметной скоростью, называется порогом коагуляции Ск. Все электролиты вызывают коагуляцию золей. Однако ионы в растворе электролита обладают разной коагулирующей способностью; только один из них называют ионом-коагулятором. Коагуляцию золей с положительно заряженными частицами вызывают анионы-коагуляторы, а золей с отрицательно заряженными частицами – катионы-коагуляторы. Скорость коагуляции лиофобных золей растет с увеличением коагулирующей способности ионакоагулятора (см. рис. 13). Коагулирующее действие органических ионов сильнее, чем неорганических, но также возрастает с увеличением их размера и заряда. Таким образом, коагуляция золя под действием электролита начинается при концентрациях, равных порогу коагуляции или выше него, сопровождается уменьшением величины заряда по модулю и стремлением электрокинетического потенциала к своему критическому значению (0,030 В). Протекание электролитной коагуляции золя зависит от многих факторов (см. рис. 13, 14), которые следует учитывать при обсуждении результатов исследования. Использование золя, предварительно не очищенного от электролита, добавление электролита к золю разными порциями, непостоянство времени между введением электролита и началом наблюдения коагуляции, изменение рН среды и т. д. могут привести к отклонению полученных экспериментальных данных от эмпирических или теоретических закономерностей. Для изучения коагуляционных процессов исследуют любые изменения в состоянии коллоидного раствора: например, изменения цвета, рассеяния света, вязкости, мутности, скорости седиментации, структуры осадка или других свойств. Количественными параметрами электролитной коагуляции золей могут быть: время появления любого из вышеперечисленных признаков, порог коагуляции, характер зависимости оптической плотности, вязкости, интенсивности рассеяния света, скорости седиментации при разрушении золя или другой измеряемой величины от концентрации введенного электролита. 49 2. В Ы П О Л Н Е Н И Е Р А Б О Т Ы Для исследования процесса коагуляции под действием растворов электролитов, представленных в разделе «Реактивы», выберите те, которые содержат ион-коагулятор заданного золя. Помните, что основанием для выбора иона электролита является заряд коллоидных частиц в заданном золе. Предлагается несколько вариантов выполнения лабораторной работы, отличающихся своими задачами. Вариант 1. Определение порога коагуляции золя негидролизующимися солями 2.1.1. Используйте золь, полученный в работе 1, если в нем не произошла спонтанная коагуляция при хранении, или вновь получите не менее 50 мл золя, в соответствии с вариантом (работа 1, табл. 5). 2.1.2. Определите заряд коллоидных частиц в исследуемом золе. 2.1.3. Определите ион-коагулятор и выберите три раствора электролита, отвечающие требованиям: - соль не подвергается гидролизу; - электролит является индифферентным (рис. 12); - ионы-коагуляторы в выбранных электролитах отличаются друг от друга величинами заряда или радиуса; - второй ион в молекулах выбранных электролитов должен быть одинаковым. 2.1.4. Изучите влияние солей на устойчивость и коагуляцию золя, для чего: - возьмите три чистые пробирки примерно одинакового диаметра и налейте в них по 5 мл золя (объем золя – Vз); - из бюретки по каплям добавьте в первую пробирку с золем один из выбранных растворов соли до появления изменений в растворе, т. е. признаков коагуляции, определите объем раствора соли и внесите его в табл. 7; - аналогично определите объемы второго и третьего растворов электролитов, необходимые для начала коагуляции золя во второй и третьей пробирках, и внесите их в ту же табл. 7. - сделайте повторные опыты с целью получения более точных объемов электролитов; - рассчитайте среднее значение объема электролита Vэл. 50 Таблица 7 Экспериментальные данные Исследуемый золь (формула соединения агрегата) Электролит Ионкоагулятор Концентрация электролита Сэл, моль/л Объемы электролита, необходимые для коагуляции V, мл V1 V2 V3 Порог коагуляции Ск, моль/л 1. Vз = 5 мл 2. 3. 3.1. О Б Р А Б О Т К А Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н Ы Х Д А Н Н Ы Х 3.1.1. Рассчитайте порог коагуляции золя Ск под действием электролита по формуле Ск = Сэл  Vэл . Vз  Vэл 3.1.2. Изобразите схему строения мицеллы и покажите, какие изменения происходят в ней под действием электролита. 3.1.3. Оцените устойчивость золя в присутствии электролитов. 3.1.4. Укажите, какие свойства исследуемого золя изменились под действием электролитов. 4.1. В Ы В О Д Ы П О Р А Б О Т Е 4.1.1. Определите тип коагуляции. 4.1.2. Укажите, как изменяется агрегативная и кинетическая устойчивость золя под действием электролитов. 4.1.3. Дайте сравнительную характеристику коагулирующего действия электролитов на золь и определите, согласуются ли рассчитанные пороги коагуляции с теоретическими закономерностями. 4.1.4. Оцените эффективность действия электролитов-коагуляторов на коагуляцию и устойчивость исследуемого золя. 4.1.5. Объясните, возможно ли привыкание золя к электролиту. 51 Вариант 2. Исследование коагуляции золя электролитами, содержащими ионы-коагуляторы разных зарядов 2.2.1. Используйте золь, полученный в работе 1, или приготовьте его снова в соответствии с вариантом (работа 1, табл. 5). Необходимо получить не менее 100 мл золя, который при наличии взвешенных частиц следует отфильтровать. 2.2.2. Определите заряд коллоидных частиц в золе. 2.2.3. Выберите электролиты, содержащие ионы-коагуляторы с зарядом 1, 2 и 3, из растворов, представленных на с. 48 «Реактивы». 2.2.4. Подготовьте 30 пробирок примерно одинакового диаметра, установите в штатив в три ряда и пронумеруйте от 1 до 10 в каждом ряду. 2.2.5. Влейте из бюретки по 3 мл золя в каждую пробирку. 2.2.6. В первых 10 пробирок добавьте к золю из бюретки воду и электролит с однозарядным ионом-коагулятором, во вторые 10 пробирок – воду и электролит с двухзарядным ионом-коагулятором, в третьи 10 пробирок – воду и электролит с трехзарядным ионом-коагулятором в объемах, указанных в табл. 8. Пробирки закройте пробками и содержимое перемешайте. Таблица 8 Объемы растворов в пробирках Раствор Номер пробирки 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Золь, мл 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 Вода, мл 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Раствор электролита, мл 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Общий объем полученного золя 4,8 4,8 4,8 4,8 4,8 4,8 4,8 4,8 4,8 4,8 Vз, мл 2.2.7. Через 20 мин после смешивания растворов отметьте визуальные изменения в состоянии золя в пробирках и занесите результаты наблюдений в табл. 9 следующим образом: ос – осадок, м – помутнение, ц – изменение цвета. Если изменений нет, то в этой клетке таблицы ничего не пишите, т. е. золь в соответствующей пробирке устойчив. 2.2.8. Через сутки вновь проверьте состояние золя в пробирках и результаты наблюдений также занесите в ту же табл. 9. 52 Таблица 9 Результаты визуальных наблюдений Формула Концентрация Время Изменения в пробирках электролита электролита действия Сэл, моль/л электролита 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1. 2,0 20 мин 24 ч Порог коагуляции Ск(Z = 1) = 2. 0,5 20 мин 24 ч Порог коагуляции Ск(Z = 2) = 3. 0,05 20 мин 24 ч Порог коагуляции Ск(Z = 3) = 3.2. О Б Р А Б О Т К А Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н Ы Х Д А Н Н Ы Х 3.2.1. Выберите две рядом расположенные пробирки, в одной из которых с концентрацией С1 еще нет коагуляции, а в другой – с концентрацией С2 уже есть признаки коагуляции. Рассчитайте эти концентрации по формулам С1 = Cэл  Vэл (1) ; Vз С2 = Cэл  Vэл (2) , Vз где Сэл – концентрация электролита, моль/л; Vз – общий объем полученного золя, мл; Vэл(1) и Vэл(2) – объемы электролита в пробирке без коагуляции и в пробирке с признаками коагуляции, мл. 3.2.2. Рассчитайте порог коагуляции золя Ск электролитом по формуле Ск = С1  С2 2 . 3.2.3. Рассчитайте соотношения порогов коагуляции золя электролитами, содержащими ионы-коагуляторы разных зарядов по формуле Ск (Z =1) : Ск(Z=2) : Ск(Z=3) = С к (Z  1) С к (Z  2) С к (Z  3) : : . C к (Z  1) C к (Z  1) C к (Z  1) 3.2.4. Рассчитайте коагулирующую способность 1/Ск ионов-коагуляторов и расположите их в порядке увеличения коагулирующего действия на золь. 3.2.5. Изобразите схему строения мицеллы и покажите, какие изменения происходят в ней под действием электролитов. 3.2.6. Оцените влияние электролитов на время коагуляции золя. 3.2.7. Укажите, какие свойства золя изменяются под действием электролитов. 53 4.2. В Ы В О Д Ы П О Р А Б О Т Е 4.2.1. Определите тип коагуляции золя. 4.2.2. Оцените влияние заряда иона-коагулятора на порог коагуляции, на коагулирующую способность иона, на скорость процесса. 4.2.3. Проверьте, подчиняется ли действие ионов-коагуляторов правилу Шульца-Гарди и теории ДЛФО. 4.2.4. Объясните, наблюдалось ли явление чередования зон устойчивости и коагуляции. 4.2.5. Укажите причины коагуляции под действием электролитов, изменение в строении коллоидной частицы. Вариант 3. Исследование зон коагуляции и зон устойчивости лиофобного золя методом фотоэлектроколориметрии 2.3.1. Получите лиофобный золь объемом не менее 50 мл по заданию преподавателя. 2.3.2. Определите заряд коллоидных частиц в золе (см. работу 1, п. 2.4). 2.3.3. Выберите индифферентный электролит, содержащий трех- или четырехзарядный ион-коагулятор, или неиндифферентный электролит. 2.3.4. Приготовьте 10 пробирок, пронумеруйте их, влейте в каждую из них по 5 мл золя и дистиллированную воду в объемах, указанных в табл. 10. 2.3.5. Приготовьте растворы электролита с концентрацией 0,05; 0,005 и 0,000 5 моль/л, добавьте их в пробирку с золем непосредственно перед измерением с помощью пипетки на 1–2 мл в соответствии с данными табл. 10. Раствор в пробирке перемешайте, налейте в кювету и измерьте оптическую плотность А и светопропускание Т. Помните: 1. Время между вливанием электролита в золь и измерением оптической плотности и светопропускания должно быть одинаковым, примерно равным 5 мин; 2. Измерения выполняют на одном фотоколориметре, в одной и той же кювете, при одной длине волны проходящего света; 3.  = 440 нм или  = 490 нм, если золи бесцветные; в случае окрашенных золей длина волны света выбирается в соответствии с цветом золя: для голубых или синих золей – в области больших длин волн, а для желтых или красных золей – в области малых длин волн; 4. Кюветы выбирают такой толщины, чтобы оптическая плотность раствора была в пределах 0,05–1,0; кювету необходимо промыть небольшим количеством исследуемого раствора и только потом заполнить до метки тем же раствором; 5. Раствором сравнения является дисперсионная среда, т. е. дистиллированная вода. 54 Т а б л и ц а 10 Экспериментальные данные к работе 2 (вариант 3) № пробирки Объем золя V 0з , мл Объем воды VН О, 2 мл Раствор электролита Vэл, мл 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 1 0,7 0,4 0 0,7 0,4 0 0,7 0,4 0 0 0,3 0,6 1,0 0,3 0,6 1,0 0,3 0,6 1,0 Общий объем золя с электролитом Vз, мл Концентрация электролита в золе Сэл, моль/л 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 0 2,510-5 5,010-5 8,310-5 2,510-4 5,010-4 8,310-4 2,510-3 5,010-3 8,310-3 С 0эл , моль/л 0,000 5 0,000 5 0,000 5 0,000 5 0,005 0,005 0,005 0,05 0,05 0,05 Оптическая плотность А (Д) Пропускание света Т, % 5 lgCэл 3.3. О Б Р А Б О Т К А Р Е З У Л Ь Т А Т О В Э К С П Е Р И М Е Н Т А 3.3.1. Вычислите мутность золя по формуле 5 = 2,3  А , l где 5 – мутность золя, появившаяся через 5 мин после внесения электролита; А – оптическая плотность золя; l – толщина кюветы, см. 3.3.2. Постройте график зависимости 5 от логарифма концентрации электролита в золе: 5 – lgCэл. Отметьте на графике зоны устойчивости и коагуляции. 3.3.3. Напишите формулу мицеллы для всех зон устойчивости и зон коагуляции. 3.3.4. Постройте график зависимости пропускания света Т от lgCэл и отметьте зоны устойчивости и зоны коагуляции. 55 4.3. В Ы В О Д Ы П О Р А Б О Т Е 4.3.1. Укажите причины появления зон устойчивости и зон коагуляции (неправильных рядов) золя под действием электролита. 4.3.2. Объясните характер взаимодействия частиц по мере увеличения концентрации электролита-коагулятора. 4.3.3. Охарактеризуйте изменение величин заряда и электрокинетического потенциала частиц в золе. 4.3.4. Определите область концентрации электролита, в которой золь устойчив, и укажите, как это связано с порогом коагуляции. 5. К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е В О П Р О С Ы 1. Каковы причины устойчивости дисперсных систем? 2. Какие силы действуют между коллоидными частицами? 3. Какие известны методы разрушения дисперсных систем? 4. На какие виды подразделяется коагуляция? 5. Чем отличается скрытая коагуляция от явной? 6. Какие факторы вызывают коагуляцию дисперсных систем? 7. Какой бывает коагуляция по скорости протекания? 8. Как изменяется энергия взаимодействия частиц при их сближении? 9. Какую коагуляцию называют электролитной? 10. Что произойдет при приливании золя с положительными частицами к золю с отрицательными частицами? 11. Какие процессы протекают в золе при помещении его в электрическое поле? 12. Под действием каких электролитов протекает нейтрализационная коагуляция? К каким изменениям в системе она приводит? 13. Какие ионы вызывают концентрационную коагуляцию? Что при этом происходит в системе? 14. Что называют порогом коагуляции? 15. Какие характеристики электролита влияют на порог коагуляции? 16. Молекулы или ионы электролита вызывают коагуляцию? 17. Каковы принципы выбора электролита-коагулятора? 18. Каковы особенности коагуляции золя под действием многозарядных ионов? 19. Изменяется ли коагулирующая способность ионов, если воздействовать на систему двумя электролитами сразу? 20. Каковы причины привыкания золя к электролиту? 21. Что такое коллоидная защита золя? 22. По каким изменениям в золе можно сказать, что коагуляция началась? 23. Синий или красный свет сильнее рассеивает бесцветный золь? 24. Что значит «изучение коагуляции золя»? 25. Какие методы используют для изучения коагуляции? 56 РАБОТА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА ЧАСТИЦ В БЕСЦВЕТНОМ ЗОЛЕ Цель работы: изучить зависимость оптической плотности и светопропускания бесцветного золя от длины волны падающего света и концентрации золя. Определить средний размер частиц и установить влияние концентрации золя на размер частиц. Метод исследования: турбидиметрия. Приборы и оборудование: фотоэлектроколориметр КФК-1,2 с набором кювет. Посуда: коническая колба на 25-30 мл; мерная пипетка на 25 мл; градуированная пипетка на 10 мл; 3 мерные колбы на 25-50 мл. Реактивы: растворы, необходимые для получения бесцветного золя (варианты заданий к работе 1, табл. 5); жидкость для протирания кювет. Рекомендуемые бесцветные золи: золь серы, золь канифоли, золь парафина, золь фосфата алюминия, золь гидроксида алюминия, золи галогенидов серебра: хлорида, бромида, иодида. 1. К Р А Т К О Е Т Е О Р Е Т И Ч Е С К О Е В В Е Д Е Н И Е Метод анализа, основанный на измерении интенсивности светового потока Iп, проходящего через бесцветную дисперсную систему, называется турбидиметрией (см. рис. 8). Уменьшение интенсивности прошедшего через бесцветный коллоидный раствор света будет вызвано исключительно за счет светорассеяния. Рассеянный свет можно считать фиктивно поглощенным и принять, что закономерности рассеяния света подчиняются закону БугераЛамберта-Бера (см. рис. 6): Iп = I0  e –AlC = I0  e – l, где Iп – интенсивность прошедшего через коллоидный раствор света; I0 – интенсивность падающего света; А – молярный коэффициент светорассеяния; l – толщина слоя коллоидного раствора; С – концентрация коллоидного раствора;  – мутность. В практике фотоэлектроколориметрии (турбидиметрии) обычно измеряют оптическую плотность А (исторически сложившееся обозначение D) или светопропускание Т. А  ln I I 0 п 57 , Т I I п 0 . Через оптическую плотность уравнение Бугера-Ламберта-Бера можно записать в виде A=AlC=l. Интенсивность света Ip, рассеиваемого сферическими частицами в неметаллических бесцветных золях, подчиняется уравнению Рэлея (см. рис. 6): Iр  I0  B νV02 λ x , где I0 – интенсивность падающего света; В – коэффициент, зависящий от показателей преломления дисперсионной среды и дисперсной фазы;  – частичная (численная) концентрация; V0 – объем частицы;  – длина волны падающего света; х – коэффициент, изменяющийся от 1 до 4 и зависящий от размера частиц. Интенсивность светорассеяния зависит от размера частиц r, следовательно, молярный коэффициент светорассеяния А также зависит от размера частиц. В соответствии с уравнениями Рэлея и Бугера-Ламберта-Бера Геллер предложил эмпирическое уравнение Iп  I0  e  K / lС λx . Через оптическую плотность уравнение Геллера будет иметь вид A 2,3K / lC или A  K  λ  x , x λ где К/, К – константы в уравнении Геллера, не зависящие от длины волны. Для определения размера частиц необходимо определить показатель степени х в уравнении Геллера, которое можно преобразовать в уравнение прямой линии lgA  lgK  xlgλ . Величину х находят графически как тангенс угла наклона прямой, построенной в координатах lgA  lgλ . Значения кажущихся оптических плотностей А для бесцветного золя при различных длинах волн  в видимой области спектра определяют экспериментально методом турбидиметрии. Если принять форму частиц сферической, то для определения диаметра частиц можно воспользоваться эмпирической зависимостью х = f(d) (рис. 23). 58 х 4 3 2 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 d, нм Рис. 23. Зависимость показателя степени х в уравнении Геллера от диаметра частиц дисперсной фазы Для проведения турбидиметрического анализа необходимо соблюдать определенные условия. 1. Коллоидный раствор (золь) должен быть бесцветным, прозрачным, разбавленным. 2. Готовить золь необходимо непосредственно перед анализом. 3. Необходимо строго соблюдать методику получения золя, только в этом случае размеры частиц получаются практически одинаковыми, что обусловливает воспроизводимость оптических свойств. 4. Коллоидный раствор должен быть устойчивым во времени, т. е. не должен разрушаться (мутнеть) в течение анализа. 2. В Ы П О Л Н Е Н И Е Р А Б О Т Ы 2.1. Получите бесцветный золь (вариант задания выдается преподавателем) по методике, описанной в работе 1 (табл. 5). 2.2. Приготовьте еще три золя на основе полученного золя методом двойного разбавления. Таким методом получают золи с концентрациями С, ½С, ¼ С, 18 С. 2.3. Ознакомьтесь с инструкцией работы на фотоэлектроколориметре. 2.4. Приступите к работе на фотоэлектроколориметре. Для выбора толщины кюветы при проведении турбидиметрического анализа измерьте оптическую плотность золя с наибольшей концентрацией в кюветах разной толщины. Выберите кювету такой толщины, при которой в коротковолновой области оптическая плотность будет равна 0,4-1,0, а светопропускание не менее 10-40 %. При необходимости золь следует разбавить. 59 2.5. Измерьте оптическую плотность и светопропускание для каждого золя при всех светофильтрах, полученные данные запишите в табл. 11. Т а б л и ц а 11 Экспериментальные и расчетные данные для определения размера частиц в бесцветном золе Концентрация золя С С ½С ¼С 1 8 С Длина Оптичеволны ская плотность А , нм Светопро- Светорас- lgA lg пускание сеяние Т, % 100 – Т, % 315 364 400 . . . . и т. д. 315 364 400 . . . . и т. д. 315 364 400 . . . . и т. д. 315 364 400 . . . . и т. д. 60 x Диаметр частицы d, нм 3. О Б Р А Б О Т К А Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н Ы Х Д А Н Н Ы Х 3.1. Постройте для всех концентраций золя спектральные кривые, т.е. графики в координатах А – , (100 – Т) –  и график зависимости А – С при заданном значении . 3.2. Постройте графики в координатах lgА – lg для всех концентраций золя и определите х как тангенс угла наклона прямых. 3.3. Определите средний диаметр частиц для золей с каждой концентрацией по кривой на рис. 23. 3.4. Полученные данные внесите в табл. 11. 4. В Ы В О Д Ы П О Р А Б О Т Е 4.1. Проанализируйте полученные графические зависимости А – , (100 – Т) – , А – С ( = const). Определите, как влияет длина волны на оптическую плотность и светорассеяние, как влияет концентрация золя на оптическую плотность. Сопоставьте полученные результаты с уравнениями Рэлея и БугераЛамберта-Бера. 4.2. По размеру частиц определите тип исследуемой дисперсной системы (см. рис. 2). 4.3. Определите, как влияет разбавление золя на оптическую плотность и размер частиц. 5. К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е ВОП РОСЫ 1. Какие оптические свойства наблюдаются при падении луча света на дисперсную систему: истинный раствор, золь, грубодисперсную систему? Какие методы исследования дисперсных систем основаны на этих свойствах? 2. В чем сущность опалесценции и конуса Тиндаля (эффекта Тиндаля)? 3. Какое уравнение лежит в основе теории светорассеяния и каковы границы его применимости? 4. Как влияет размер частиц на интенсивность светорассеяния? 5. Как влияет концентрация золя на интенсивность светорассеяния? 6. Почему красный свет используют для сигнализации, а синий – для светомаскировки? 7. Что называют оптической плотностью и светопропусканием раствора? 8. Каково математическое выражение основного закона светопропускания Бугера-Ламберта-Бера и каковы границы его применимости? 9. В какой форме применяют закон Бугера-Ламберта-Бера к окрашенным и бесцветным золям? Что такое мутность раствора? 10. Какой метод анализа называют турбидиметрией? 11. Какой прибор используют для проведения турбидиметрического анализа? 12. Как определяют размер частиц турбидиметрией? 61 13. В какой области спектра будет наблюдаться наибольшее светорассеяние бесцветного золя? 14. Почему оптическую плотность, измеренную для бесцветных золей, называют кажущейся? 15. Какие еще оптические методы исследования используют для определения размеров частиц дисперсных систем? Укажите границы применимости (по дисперсности) этих методов. 16. В чем сущность нефелометрии? РАБОТА 4. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕНЫ И ИЗУЧЕНИЕ ЕЕ УСТОЙЧИВОСТИ Цель работы: получить пену, определить ее основные характеристики, изучить влияние ПАВ, высокомолекулярных веществ или электролитов на ее устойчивость. Методы исследования: визуальное наблюдение; кинетический. Приборы и оборудование: секундомер; весы; линейка. Посуда: мерные цилиндры с притертыми пробками на 50 мл – 5 шт.; мерная колба на 50 мл – 1 шт.; конические колбы на 50 мл – 5 шт.; мерная пипетка на 25 мл. Реактивы: поверхностно-активные вещества: олеат натрия, стеарат натрия, пальмитат натрия, мыло (хоз.), жидкое мыло, лаурилсульфат натрия, лауретсульфат аммония, натриевая соль бутилсульфонафталина; 1,5 % (мас) раствор желатина; 0,1 М раствор KCl. 1. К Р А Т К О Е Т Е О Р Е Т И Ч Е С К О Е В В Е Д Е Н И Е Пенами называют грубодисперсные системы, в которых газообразная дисперсная фаза в виде ячеек из воздуха, СО2, другого газа распределена в жидкой или твердой дисперсионной среде, находящейся в виде тонких пленок (см. рис. 2, 21). Как и все дисперсные системы, пены получают методами диспергирования или конденсации (см. рис. 3). Методом диспергирования пены получают посредством перемешивания или барботирования газов в жидкость. Конденсационный метод основан на изменении физического состояния раствора (при повышении температуры раствора или уменьшении внешнего давления), приводящего к пересышению его газом. Агрегативная устойчивость пен характеризуется скоростью укрупнения частиц дисперсной фазы за счет коалесценции и изотермической перегонки (см. рис. 11). Стабилизация пен достигается с помощью поверхностноактивных веществ (ПАВ). В зависимости от природы ПАВ и свойств образуе62 мых ими адсорбционных слоев устойчивость пен обусловливается действием общих для дисперсных систем факторов стабилизации (ионноэлектростатический, структурно-механический барьер и др.) (см. рис. 10) и специфическим для пен и эмульсий эффектом Гиббса-Марангони [2]. Устойчивость пен зависит от прочности их пленочного каркаса. Пены с твердыми стенками (пенопласт, пенобетоны и др.) обычно устойчивы и могут существовать практически неограниченное время. Пены с жидкими пленками, как правило, неустойчивы и очень быстро разрушаются. Кроме ПАВ для стабилизации пен с жидкой дисперсионной средой используют также вещества, которые обусловливают структурно-механические свойства пленок, придавая им гелеобразную структуру (высокомолекулярные вещества), или формируют ионно-электростатический барьер (электролиты). Разрушение пены происходит по трем механизмам: а) вытекание жидкости из пены (синерезис), обусловливающее утончение пленок без изменения объема пены; б) укрупнение больших ячеек пены и исчезновение маленьких из-за диффузии газа через пленки; в) разрыв пленок, приводящий к разрушению пены. Преобладание одного или другого механизма зависит от многих факторов. К основным характеристикам пены обычно относят следующие параметры: 1. Объем пены Vп, получаемой из определенного объема жидкости Vж. 2. Кратность пены  – отношение объема пены к объему жидкости, пошедшей на образование пены: β V п . V ж 3. Кинетическая устойчивость (стабильность) пены, характеризуемая временем самопроизвольного разрушения пены на половину объема t1/2 или полного разрушения пены tП. 4. Дисперсность пены – распределение пузырьков по размерам или средний размер пузырьков (экспериментально наиболее трудно определяемая величина). Пенообразование может быть нежелательным в производственных процессах, например при перемешивании растворов, выпаривании растворов и т. д. Разрушать пены или препятствовать их образованию можно введением таких веществ, которые в достаточной мере поверхностно-активны, но не образуют прочных адсорбционных слоев. Молекулы этих веществ, проникая в адсорбционный слой пленок пены, делают их менее прочными и таким образом способствуют разрыву стенок пузырьков пены. К числу таких веществ (пеногасителей или антивспенивателей) относят спирты, кетоны (ацетон), жиры, масла, воски и многие другие поверхностно-активные органические вещества. Существуют также механические, термические, ультразвуковые и другие способы пеногашения. 63 Практическое значение процессов пенообразования достаточно велико (см. табл. 4). Их используют в процессах флотации, стирки, при интенсификации производственных процессов, например для удаления примесей ПАВ из некоторых жидкостей, при тушении пожаров, в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности. 2. В Ы П О Л Н Е Н И Е РАБОТЫ 2.1. Приготовьте 50 мл водного раствора ПАВ (задание выдается преподавателем) из расчета 4 г ПАВ на 1 л раствора. Рассчитайте массу ПАВ. Если ПАВ – жидкое вещество, то взвесьте его массу в маленьком стаканчике, затем небольшой порцией теплой дистиллированной воды смойте ПАВ в мерную колбу на 50 мл, операцию повторите несколько раз, пока вся навеска ПАВ не будет перенесена в колбу. Если ПАВ – порошок или паста, взвесьте рассчитанную массу вещества на часовом стекле и осторожно с помощью воронки высыпьте или смойте теплой водой в мерную колбу на 50 мл. Прибавьте в колбу до половины объема теплую дистиллированную воду и осторожно перемешайте до полного растворения ПАВ (при интенсивном перемешивании будет образовываться пена). Затем долейте в колбу до метки дистиллированную воду и снова осторожно перемешайте. 2.2. Из полученного раствора ПАВ методом двойного разбавления приготовьте еще 4 раствора ПАВ с концентрациями (г/л): 2; 1; 0,5; 0,25. 2.3. Отберите по 10 мл каждого раствора и перенесите в 5 одинаковых цилиндров с притертыми пробками, измерьте высоту раствора hж. 2.4. Интенсивно встряхивайте каждый цилиндр в течение 30 с (не менее 30- 40 раз), затем пробки уберите. 2.5. Измеряйте линейкой высоту пены hП и высоту жидкости h пж , находящейся в равновесии с пеной, сразу после встряхивания (начальный момент времени), а затем через 2, 5, 10 мин в зависимости от устойчивости пены до тех пор, пока не разрушится половина исходного объема (высоты) пены (время t ). Измерения делайте сразу во всех цилиндрах. Обратите внимание на размер пузырьков пены. 2.6. Полученные данные внесите в табл. 12. 2.7. После полного разрушения пены в каждый цилиндр добавьте по 0,2 мл 1,5 %-ного раствора желатина или 0,1 М раствора KCl (по указанию преподавателя), растворы тщательно перемешайте и повторите п. 2.4.-2.6 1 64 2 Т а б л и ц а 12 Экспериментальные и расчетные данные исследования пен Концентрация ПАВ СПАВ, г/л 4 2 1 0,5 0,25 Водный раствор ПАВ Время t, мин Высота пены hп, мм Высота жидкости h пж , мм 0 2 5 10 15 . . t½ 0 2 5 10 15 . . t½ 0 2 5 10 15 . . t½ 0 2 5 10 15 . . t½ 0 2 5 10 15 . . t½ 65 Кратность пены  Водный раствор ПАВ + желатин (KCl) Высота пены hп, мм Высота жидкости h пж , мм Кратность пены  3. О Б Р А Б О Т К А Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н Ы Х Д А Н Н Ы Х 3.1. Рассчитайте кратность пены  в начальный момент времени, принимая, что в условиях проведения опыта высота пропорциональна объему, по формуле β h п h  hп ж ж для каждого раствора ПАВ без добавки и с добавкой желатина (KCl). 3.2. Постройте кинетические кривые разрушения пены в координатах: высота пены hп от времени t для каждого раствора ПАВ. 3.3. Постройте графики зависимости высоты пены в начальный момент времени от концентрации ПАВ для водного раствора без добавки и с добавкой желатина или KCl. 3.4. Постройте графики зависимости времени самопроизвольного разрушения пены на половину высоты t ½ от концентрации ПАВ для двух изученных вариантов. 3.5. Постройте графики зависимости кратности пены  от концентрации ПАВ для двух изученных вариантов. 4. В Ы В О Д Ы П О Р А Б О Т Е 4.1. Назовите метод получения пены. 4.2. Укажите, является пена монодисперсной или полидисперсной системой, используя данные визуального наблюдения. 4.3. Проанализируйте полученные графические зависимости и определите, как изменяется высота пены от времени; как влияет концентрация ПАВ на высоту пены hп, кратность пены , время разрушения пены на половину высоты t ½. 4.4. Оцените пенообразующую способность изучаемого ПАВ, сделайте предположение о механизме его стабилизирующего действия. 4.5. Оцените влияние желатина (хлорида калия) на пенообразующую способность ПАВ. 5. К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е В О П Р О С Ы 1. Какие дисперсные системы называют пенами? Дайте характеристику пен по всем классификационным признакам дисперсных систем. 2. Какими методами получают пены? 3. Какие виды устойчивости дисперсных систем характерны для пен? 4. В чем заключаются особенности стабилизации пен? 5. Какова роль ПАВ в процессе образования пен? 6. Как влияет природа и концентрация ПАВ на устойчивость пен? 7. Какими параметрами характеризуют устойчивость пен? 66 8. Как изучают процесс пенообразования? 9. Чем обусловлена агрегативная неустойчивость лиофобных дисперсных систем? 10. Каковы механизмы разрушения пен? 11. Где используются пены? 12. В каких случаях пены вредны? 13. Какие вещества используют в качестве пеногасителей и антивспенивателей, каков механизм их действия? РАБОТА 5. ПОЛУЧЕНИЕ СУСПЕНЗИИ И ИЗУЧЕНИЕ ЕЕ УСТОЙЧИВОСТИ Цель работы: получить суспензии, изучить кинетику седиментации, оценить влияние стабилизаторов на их устойчивость. Методы исследования: визуальное наблюдение; кинетический, электрофорез. Приборы и оборудование: выпрямитель тока; микроскоп; весы; графитовые электроды; линейка. Посуда: цилиндры на 50 мл с пробками –5 шт.; U-образная стеклянная трубка. Реактивы: порошки: мел, молотый кварц, тальк, глина, сульфат бария, оксид алюминия, шлак; поверхностно-активные вещества (ПАВ): олеат натрия, метаупон, неиногенное ПАВ, пальмитат натрия, лаурилсульфат натрия, неонол и др.; 0,1 М растворы электролитов хлорида натрия, хлорида кальция, сульфата натрия, хлорида алюминия, фосфата натрия; 0,2 % (мас) раствор желатина. 1. К Р А Т К О Е Т Е О Р Е Т И Ч Е С К О Е В В Е Д Е Н И Е Суспензиями называют грубодисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой с размерами частиц 10-6–10-4 м (см. рис. 2). Системы с наиболее крупными частицами называют взвесями. Способы получения и стабилизации суспензий те же, что и для большинства дисперсных систем (см. рис.3, 10). Агрегативная устойчивость суспензий имеет много общего с золями с твердой дисперсной фазой. Частицы суспензии, как и частицы лиофобных коллоидов, имеют на поверхности двойной электрический слой (см. рис. 7), сольватную или адсорбционно-сольватную оболочку. Отличие суспензий от коллоидных растворов проявляется в оптических (см. рис. 6) и молекулярно-кинетических свойствах (см. рис.5). Суспензии одновременно поглощают и рассеивают свет, хотя по размеру больше коллоидных частиц. В отличие от опалесцирующих золей суспензии проявляют мутность не только при боковом освещении (эффект Тиндаля), но и в проходящем свете. Однако суспензии, так же как и золи, способны проявлять двойное лучепреломление в потоке. 67 Суспензии не обнаруживают осмотического давления, броуновского движения и не способны к диффузии. Поскольку частицы суспензий обладают сравнительно большими размерами (они видимы в микроскоп и даже невооруженным глазом), суспензии седиментационно неустойчивы, если плотность дисперсной фазы не очень близка к плотности дисперсионной среды и вязкость этой среды не очень велика. Седиментация частиц дисперсной фазы из агрегативно устойчивых и неустойчивых суспензий протекает по-разному. Оседание частиц из агрегативно неустойчивой суспензии происходит быстро, так как частицы при столкновении слипаются, образуются рыхлые агрегаты: последние осаждаются на дно сосуда, образуя рыхлый, большой по объему седиментационный осадок, сохраняющий коагуляционные структуры, возникающие во время оседания частиц. С течением времени эти структуры несколько уплотняются за счет их тяжести: высота седиментационного осадка уменьшается во времени и достигает предельного значения h∞. Высота h∞ достигается через относительно малое время (t∞ невелико), а объем осадка большой (осадок рыхлый и легко взбалтывается). В агрегативно устойчивой суспензии частицы во время седиментации при столкновении не слипаются, оседают значительно медленнее и в осадке остаются отдельными друг от друга. Вследствие этого седиментационный осадок имеет плотную упаковку частиц, которые при формировании осадка скользят друг по другу, упаковываются плотно, но не слипаются. Объем такого осадка небольшой и увеличивается во времени по мере оседания частиц. Предельное время оседания t∞ здесь значительно больше, чем для агрегативно неустойчивых суспензий. Стабилизацию суспензий (см. рис. 10) можно проводить как электролитами, так и растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ) и высокомолекулярных веществ (ВМВ). При этом не только повышается агрегативная устойчивость, но и замедляется седиментация, так как повышается вязкость дисперсионной среды. Если после проведения опыта мутность сохраняется в объеме дисперсионной среды, то суспензия кинетически устойчива. Для суспензий характерен ряд процессов, не свойственных коллоидным системам: флотация, фильтрация и кольматация. В основе флотации лежит избирательное смачивание гидрофильных и гидрофобных твердых тел. Явление флотации хорошо описано в литературе [1-3]. Фильтрация через пористые мембраны приводит к разделению суспензий на твердую и жидкую фазы. Фильтрация является сложным физико-химическим процессом, на который влияют все факторы, управляющие агрегированием частиц и развитием коагуляционных структур. Кольматацией называют процесс, используемый для уменьшения водонепроницаемости различных гидротехнических сооружений – дамб, плотин и др. – путем «вмыва» мельчайших глинистых или илистых частиц в поры грунта для их закупоривания. 68 Высококонцентрированные агрегативно устойчивые суспензии называют пастами (см. рис. 21). Вследствие малой процентной доли дисперсионной среды в пастах практически вся она связана в сольватных пленках, разделяющих частицы. Отсутствие свободной жидкой фазы придает таким системам высокую вязкость и некоторую механическую прочность. За счет многочисленных контактов между частицами в пастах может идти образование пространственных структур (см. рис. 16) и наблюдается явление тиксотропии (см. рис. 17). Суспензии имеют исключительно большое значение в природе и технике (см. табл. 4). К ним относятся при достаточном содержании влаги почвы, грунты, глиняное тесто в керамическом производстве, цементные и известковые растворы в строительном деле. Суспензиями являются взвеси пигментов в масляных красках, цветных лаках, взвеси графита и угля, используемые для создания центров кристаллизации с целью предотвращения образования накипи в котлах, и т. д. Многие косметические и фармацевтические препараты также являются суспензиями. 2. В Ы П О Л Н Е Н И Е Р А Б О Т Ы 2.1. Приготовьте пять суспензий. Типы дисперсионных сред (табл. 13) и дисперсная фаза (порошок) для приготовления суспензии задаются преподавателем. Налейте в цилиндры с притертыми пробками по 50 мл дисперсионной среды. Растворы ПАВ приготовьте, как описано в работе 4 (п. 2.1). На часовых стеклах приготовьте пять навесок по 5-10 г порошка и высыпьте в цилиндры с дисперсионной средой. 2.2. После приготовления заданной серии суспензий цилиндры плотно закройте пробками и тщательно перемешайте (лучше механическим путем) до получения однородных систем, затем пробки уберите. 2.3. Поставьте цилиндры в ряд и измеряйте линейкой высоты седиментационных осадков через определенные промежутки времени до тех пор, пока высота седиментационного осадка h не перестанет изменяться (достигнет предельного значения h∞). Отметьте, в каких цилиндрах мутность в объеме дисперсионной среды сохраняется после проведенных исследований. Полученные экспериментальные данные занесите в табл. 14. 2.4. Определите формы частиц суспензий с помощью микроскопа. 2.5. Определите знак заряда частиц суспензий в каждом цилиндре методом электрофореза (работа 1, п. 2.4). 69 2.6. Постройте кривые кинетики седиментации в координатах h – t. Определите скорости седиментации в разные промежутки времени методом графического дифференцирования (υ = Δh/Δt). Т а б л и ц а 13 Типы дисперсионных сред для приготовления суспензий Вариант 1 № цилиндра 3 1 2 Н2О 2 Н2О раствор ПАВ (4 г/л) 0,2 % раствор желатина 3 Н2О 0,02 % раствор олеата натрия 4 Н2О 0,1 М раствор NaCl 5 Н2О 0,1 М раствор NaCl 4 раствор ПАВ раствор ПАВ (2 г/л) (1 г/л) 0,1 % 0,05 % раствор раствор желатина желатина 0,2 % 0,1 М раствор раствор NaCl желатина 0,1 М 0,1 М раствор раствор AlCl3 MgCl2 0,1 М 0,1 М раствор раствор Na3PO4 Na2SO4 5 раствор ПАВ (0,5 г/л) 0,025 % раствор желатина 0,1 М раствор AlCl3 0,2 % раствор олеата натрия 0,2 % раствор желатина Т а б л и ц а 14 Изучение кинетики седиментации суспензий Время от начала опыта t, мин 0,5 1 2 5 10 20 . . . ∞ 1 Высота седиментационного осадка h, мм 2 3 4 70 5 3. В Ы В О Д Ы П О Р А Б О Т Е 3.1. Назовите метод получения суспензий. 3.2. Укажите, является суспензия монодисперсной или полидисперсной системой, используя данные визуального наблюдения полученных осадков и частиц в микроскопе. 3.3. Сравните, как изменяется скорость седиментации во времени в каждой суспензии. 3.4. Оцените агрегативную и кинетическую устойчивости всех исследованных суспензий и объясните причину их поведения по виду седиментационной кривой, предельной высоте седиментационного осадка, мутности системы после проведенного исследования. 3.5. Охарактеризуйте стабилизирующую способность каждого из веществ, находящегося в водном растворе дисперсионной среды, сделайте предположение о механизме их стабилизирующего действия. 3.6. Оцените влияние концентрации ПАВ или ВМВ, заряда иона электролита на агрегативную и кинетическую устойчивости суспензий в соответствии с вариантом задания. 4. К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е В О П Р О С Ы 1. Какие дисперсные системы называют суспензиями? Дайте характеристику суспензий по всем классификационным признакам дисперсных систем. 2. Какими методами получают суспензии? 3. Чем обусловливаются агрегативная и кинетическая устойчивости суспензий? 4. Как стабилизируют суспензии? 5. Какие оптические свойства характерны для суспензий? 6. Какие молекулярно-кинетические свойства характерны для суспензий? 7. Какие электрокинетические свойства характерны для суспензий? 8. Что такое флотация? 9. Что такое фильтрация и кольматация? 10. Что такое седиментация? 11. Как протекает седиментация агрегативно устойчивых и неустойчивых суспензий? 12. Что такое пасты и какие свойства для них характерны? 13. Где применяют суспензии? 71 РАБОТА 6. ПОЛУЧЕНИЕ ЭМУЛЬСИЙ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ СВОЙСТВ Цель работы: получить эмульсию, определить ее тип, устойчивость, изучить некоторые свойства, определить возможность обращения фаз эмульсии. Методы исследования: визуальное наблюдение; микроскопия; электрофорез. Приборы и оборудование: микроскоп; выпрямитель тока; графитовые электроды. Посуда: конические колбы с пробками на 50 мл – 8 шт.; конические колбы с пробками на 100 мл – 2 шт.; мерная колба на 50 мл – 1 шт.; бюретка на 25 мл; градуированные пипетки на 5-10 мл; цилиндры на 50 мл; U– образная стеклянная трубка; предметные стекла; пробирки. Реактивы: поверхностно-активные вещества: 0,1 М растворы олеата натрия, пальмитата натрия, стеарата натрия, 2 %-ный раствор олеата натрия; органические жидкости: толуол, ксилол, растительное или машинное масло; 2 %-ные спиртовые или ацетоновые растворы подсолнечного, соевого, оливкового или машинного масла; электролиты: 0,01 М раствор CaCl2, 0,1 М раствор NaCl; 0,05 М растворы BaCl2 и Na2SO4; 0,01 М раствор AlCl3; Na3PO4; красители: метиленовый синий (голубой), cудан III. 1. К Р А Т К О Е ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ Эмульсиями называют свободно-дисперсные лиофобные системы (за исключением «критических» эмульсий), в которых дисперсионная среда и дисперсная фаза являются жидкостями (не смешивающимися или ограниченно смешивающимися) (см. рис. 2). Размер капель жидкости дисперсной фазы изменяется от 10-7 м до видимых невооруженным глазом. Неполярную жидкость в эмульсии условно называют «маслом», а полярную – «водой». Различают два основных типа эмульсий: дисперсии масла в воде (М/В) и дисперсии воды в масле (В/М). Первые относятся к эмульсиям прямого типа (эмульсии I рода), вторые – к эмульсиям обратного типа (эмульсии II рода). В зависимости от содержания дисперсной фазы (см. рис. 21) эмульсии классифицируют на разбавленные (содержание дисперсной фазы  не более 0,1 % от объема эмульсии), концентрированные ( до 74 % (об)) и высококонцентрированные ( свыше 74 % (об)). От концентрации дисперсной фазы зависят многие основные свойства эмульсий: устойчивость, методы их стабилизации и др. Эмульсии можно получать методами конденсации (замена растворителя) и диспергирования (см. рис. 3). Наибольшее практическое значение имеют методы диспергирования – механическое диспергирование двух жидкостей в присутствии эмульгатора путем встряхивания, перемешивания, вибрационного 72 воздействия с применением специальных приспособлений (эмульгаторов, смесителей и др.). Эмульсии, как и другие грубодисперсные системы (см. рис. 21), весьма неустойчивы. Потеря их агрегативной устойчивости может быть обусловлена процессами изотермической перегонки или коалесценции капель (см. рис. 11) и обычно сопровождается расслаиванием системы. В качестве меры устойчивости эмульсии можно принять время существования определенного объема эмульсии до полного ее расслоения или существования отдельных капелек в контакте друг с другом или с межфазной поверхностью. Устойчивость эмульсии повышают введением в систему стабилизатора (эмульгатора), в качестве которого можно использовать электролиты, ПАВ (поверхностно-активные вещества) и ВМВ (высокомолекулярные вещества), порошкообразные вещества. Агрегативная устойчивость эмульсии определяется теми же факторами, которые обусловливают устойчивость к коагуляции других лиофобных дисперсных систем (см. рис. 10). Механизм стабилизирующего действия эмульгаторов различен, однако имеются общие закономерности, характеризуемые правилом Банкрофта. Прямые эмульсии типа М/В стабилизируют гидрофильные эмульгаторы: ПАВ (мыла щелочных металлов, неионогенные ПАВ), лучше растворяющиеся в воде, чем в масле; порошки, избирательно смачивающиеся водой (мел, глины, гипс); электролиты. Обратные эмульсии типа В/М стабилизируют гидрофобные эмульгаторы: ПАВ (мыла щелочно-земельных и поливалентных металлов), лучше растворимые в масле, чем в воде; порошки, избирательно смачивающиеся маслом (графит, угли, сажа, канифоль). Согласно правилу Банкрофта молекулы или частицы эмульгатора должны располагаться преимущественно со стороны дисперсионной среды, т. е. главным образом на наружной поверхности капель эмульсии. Наибольшее стабилизирующее действие оказывают коллоидные ПАВ и ВМВ. Способность эмульгатора обеспечивать устойчивость эмульсии того или иного типа определяется энергетикой взаимодействия его с полярной или неполярной средами, которая может быть охарактеризована при помощи полуэмпирической характеристики – числа гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ) ПАВ. Эмульгаторы ПАВ с низкими значениями ГЛБ (2-6) лучше растворимы в органических средах и стабилизируют эмульсии В/М, ПАВ с высокими значениями ГЛБ (12-18) лучше растворяются в воде и стабилизируют эмульсии М/В. Многие высокомолекулярные ПАВ (желатин, сапонины, поливиниловые спирты) также являются эффективными стабилизаторами эмульсий. Структура защитных слоев представляет собой трехмерные сетки, расположенные всегда со стороны дисперсионной среды, что соответствует правилу Банкрофта. Гомогенные сетчатые структуры прочны и не разрушаются при разбавлении эмульсий и удалении дисперсионной среды, т. е. обеспечивают мощный структурномеханический барьер. 73 Эмульсии прямого типа могут переходить в эмульсии обратного типа и наоборот. Это явление называют обращением фаз эмульсий. Практически обращение фаз эмульсий можно вызвать разными способами: изменением соотношения объемов фаз, перенесением эмульсии в сосуд из другого материала и др. Но наиболее эффективным методом является изменение природы эмульгатора путем воздействия на него химического реагента, например при разрушении эмульсии прямого типа, стабилизированной олеатом натрия (Na-мылом), и переходе ее в эмульсию обратного типа при добавлении раствора CaCl2: 2R COONa + CaCl2  расслоение эмульсии  (R COО)2Ca + 2NaCl. Типичный эмульгатор для эмульсий прямого типа (Na-мыло) переходит в эмульгатор для эмульсий обратного типа (Са-мыло) молекула Na-мыла М CaCl2 В молекула Ca-мыла На практике тип эмульсии определяют путем определения свойств ее дисперсионной среды. Если эмульсия не смачивает гидрофобную поверхность, разбавляется водой, окрашивается при введении водорастворимого красителя (например, метиленового синего или голубого) и обнаруживает сравнительно высокую электрическую проводимость, то это — эмульсия типа М/В. Наоборот, если эмульсия смачивает гидрофобную поверхность, не окрашивается водорастворимым красителем (или окрашивается при введении жирорастворимого красителя, например судана III) и не обнаруживает заметной электрической проводимости, то это — эмульсия типа В/М. Эмульсии широко распространены в природе (молоко, млечный сок растений, нефть и др.) и получены искусственным путем (смазки, кремы, маргарины, майонезы и др.). Для разрушения эмульсий (деэмульгирования) используют различные методы: механические, физические и химические (см. табл. 2). К таким методам относят: центрифугирование; фильтрацию через ворсистые ткани, смачиваемые жидкостью дисперсной фазы; разбавление эмульсий растворами электролитов; добавление минеральных кислот, высших спиртов и эфиров; изменение природы эмульгатора под действием химических реагентов и т. д. 74 2. В Ы П О Л Н Е Н И Е Р А Б О Т Ы Вариант 1. Получение эмульсии, определение ее типа, изучение ее устойчивости 2.1.1. В колбах на 50 мл приготовьте водные растворы ПАВ (по указанию преподавателя) объемом 10 мл путем разбавления исходных 0,01 М растворов в соответствии с табл. 15, рассчитайте их концентрацию (моль/л) С ПАВ  V ПАВ V ПАВ  0,1 V . Н О 2 2.1.2. Внесите в каждый раствор по 10 мл органической жидкости (толуола, ксилола, масла и т. д., по указанию преподавателя) и интенсивно встряхивайте 5 мин. 2.1.3. Из каждой колбы перелейте по 10 мл эмульсии в пробирку и определите время ее расслоения на 2 макрофазы. 2.1.4. Оставшуюся часть эмульсии в каждой колбе используйте для определения ее типа следующим образом. 2.1.4.1. Каплю эмульсии и каплю воды поместите на предметное стекло и стекло наклоните так, чтобы капли пришли в соприкосновение. Если капли сольются, то дисперсионной средой является вода, если не сольются – масло. 2.1.4.2. На фильтровальную бумагу нанесите каплю эмульсии. Если средой является вода, то капля сразу всасывается бумагой, на которой остается жирное пятно. Капля эмульсии В/М не всасывается бумагой. 2.1.4.3. Небольшое количество эмульсии налейте в две пробирки. В одну пробирку внесите несколько кристалликов красителя метиленового синего (голубого), растворимого в воде, а в другую – несколько кристалликов судана III, растворимого в масле. Закройте пробирки пробками и интенсивно перемешайте. Каплю каждой эмульсии рассмотрите под микроскопом, зарисуйте и определите ее тип. Эмульсия М/В с метиленовым синим окрашивается в синий цвет (белые капельки на синем фоне), судан III в ней не растворяется. Эмульсия В/М с суданом III окрашивается в красный цвет (белые капельки на красном фоне), метиленовый синий в ней не растворяется. Обратите внимание на размер капелек дисперсной фазы в эмульсии и способность их к перемещению (броуновскому движению). Полученные экспериментальные данные занесите в табл. 15. Вариант 2. Получение эмульсии, определение ее типа, обращение фаз эмульсии 2.2.1. Налейте в колбу 10 мл 2 %-ного раствора олеата натрия и добавьте 10 мл толуола (ксилола), колбочку закройте пробкой и интенсивно встряхивайте до получения однородной эмульсии. 75 Т а б л и ц а 15 Экспериментальные результаты определения типа эмульсии и ее устойчивости Номер VПАВ, мл V Н 2 О , мл CПАВ, Время Тип колбы моль/л расслоения, мин эмульсии 1 0 10 2 2 8 3 4 6 4 6 4 5 8 2 6 10 0 2.2.2. Определите тип эмульсии (методика определения типа эмульсии приведена в варианте 1 п., 2.1.4). 2.2.3. Приготовьте бюретку с 0,01 М раствором хлорида кальция. 2.2.4. Налейте в коническую колбочку 10 мл приготовленной эмульсии и приливайте к ней из бюретки по 1 мл 0,01 М раствора хлорида кальция, каждый раз интенсивно перемешивая полученную смесь. После каждого приливания определяйте тип эмульсии наиболее чувствительным из опробованных методов (п. 2.2.2). 2.2.5. Определите объем хлорида кальция V(CaCl2), при котором будет наблюдаться обращение фаз эмульсии. Рассчитайте концентрацию хлорида кальция в эмульсии, которая соответствует этому объему, по формуле С(CaCl 2 )  V(CaCl 2 )  0,01 10  V(CaCl 2 ) . Вариант 3. Получение разбавленной эмульсии масла в воде и изучение ее свойств 2.3.1. Приготовьте 50 мл водного раствора ПАВ (по указанию преподавателя) из расчета 4 г ПАВ на 1 л раствора (методика приготовления раствора приведена в работе 4, п. 2.1). 2.3.2. Приготовьте две разбавленные эмульсии типа «масло в воде». Налейте в одну колбу 50 мл воды, в другую – 50 мл приготовленного водного раствора ПАВ. В каждую колбу прибавляйте по каплям при интенсивном перемешивании 5 мл 2 %-ного спиртового или ацетонового раствора масла (подсолнечного, соевого, оливкового или машинного). 2.3.3. Определите заряд капелек каждой эмульсии методом электрофореза (работа 1, п. 2.4). 76 2.3.4. Рассмотрите под микроскопом и зарисуйте капельку каждой эмульсии как, бесцветную, так и окрашенную жирорастворимым красителем (суданом III) или водорастворимым красителем (метиленовым синим). Обратите внимание на окраску капелек масла и дисперсионной среды, размер капелек масла, их возможное перемещение (броуновское движение). 2.3.5. Разделите каждую эмульсию на две равные части: в первую половину приливайте по 0,5 мл раствора хлорида натрия, а во вторую половину – по 0,5 мл другого электролита, содержащего ион большего заряда, чем ион Na+ или Cl-. Заряд многозарядного иона должен быть противоположен по знаку заряду капли эмульсии. Следите за устойчивостью эмульсии. Полученные экспериментальные результаты внесите в табл. 16. Если эмульсия расслаивается очень быстро, то в таблицу напишите «неуст», если очень медленно, то - «уст». Электролиты вводите до быстрого полного расслоения эмульсии. Отметьте время (мин) полного расслоения эмульсии на 2 макрофазы. Т а б л и ц а 16 Экспериментальные результаты определения устойчивости эмульсии Электролит Объем электролита Vэл, мл 0,5 1,0 1,5 и т. д. Устойчивость эмульсии Дисперсионная среда Вода Водный раствор ПАВ 3. В Ы В О Д Ы П О Р А Б ОТ Е 3.1. Назовите метод получения эмульсии. 3.2. Укажите, является эмульсия монодисперсной или полидисперсной системой, используя данные визуального наблюдения. 3.3. Охарактеризуйте влияние концентрации и природы ПАВ на устойчивость и тип эмульсии. 3.4. Оцените эмульгирующую способность изученного ПАВ. 3.5. Укажите роль хлорида кальция при обращении фаз эмульсий (вариант 2). 3.6. Охарактеризуйте влияние концентрации и природы добавленного электролита на устойчивость эмульсии (вариант 3). 77 4. К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е В О П Р О С Ы 1. Какие дисперсные системы называют эмульсиями? Дайте характеристику эмульсии по всем классификационным признакам дисперсных систем. 2. Какими методами получают эмульсии? 3. Как классифицируют эмульсии? 4. Какие свойства характерны для каждого типа эмульсий (концентрированных, разбавленных)? 5. Как определяют тип эмульсии? 6. Чем обусловливается агрегативная устойчивость эмульсий? 7. Какие вещества называют эмульгаторами? 8. Какие эмульгаторы стабилизируют эмульсии прямого типа (В/М), а какие – обратного типа (М/В)? Правило Банкрофта. 9. Каков механизм стабилизирующего действия ПАВ в эмульсиях? Как число ГЛБ влияет на эмульгирующую способность ПАВ? 10. Что такое обращение фаз эмульсий и каков механизм этого процесса? 11. Какие эмульсии называют критическими? 12. Где применяют эмульсии? 13. Как разрушают эмульсии? РАБОТА 7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ РАСТВОРОВ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЕЩЕСТВ И РАСЧЕТ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ВМВ Цель работы: определить вискозиметрическим методом относительную вязкость растворов ВМВ различных концентраций, рассчитать удельную, приведенную и характеристическую вязкости, рассчитать молярную массу ВМВ. Метод исследования: вискозиметрический. Приборы и оборудование: вискозиметр Оствальда, секундомер. Посуда: мерная колба на 25 мл – 1 шт.; конические колбы на 50 мл – 4 шт. Реактивы: 0,5 % растворы желатина и крахмала (ВМВ). 1. К Р А Т К О Е ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ К высокомолекулярным веществам (ВМВ) относят соединения с молярной массой 104-106 и выше (см. рис. 18). Они могут быть природного или синтетического происхождения. Растворы ВМВ, в отличие от лиофобных коллоидных растворов, являются гомогенными, термодинамически устойчивыми, лиофильными, обратимыми системами. Они образуются самопроизвольно (см. рис. 3) и относятся к истинным молекулярным растворам. Но у растворов ВМВ есть общее и с лиофобными коллоидными растворами: размер частиц (см. 78 рис. 2). Отсюда сходство многих физико-химических свойств: оптических, реологических (вязкость), диффузии, явлений осмоса и др. (см. рис. 5, 6, 16). Молярная масса является важной количественной характеристикой ВМВ. Существуют различные методы определения молярной массы полимеров. Многие из них сложны, поэтому широко используют менее точный, но простой и доступный метод – вискозиметрию (см. рис. 8). Вязкость разбавленных растворов ВМВ с жесткими палочкообразными молекулами связана с молярной массой и концентрацией уравнением Штаудингера: η  η0 (1)  ηуд = КМС, η0 где  и 0 – вязкости раствора и растворителя, Пас; уд – удельная вязкость раствора; К – константа для данного полимергомологического ряда в определенном растворителе; М – молярная масса ВМВ; С – массовая концентрация ВМВ. Уравнение Штаудингера (1) применимо только для определения молярных масс ВМВ не более 80 000 г/моль. Исходя из уравнения (1) получают соотношение (2) уд /С = пр = КМ, где пр – приведенная вязкость, которая не должна зависеть от концентрации. В действительности, с ростом концентрации пр увеличивается, что объясняется взаимодействием макромолекул друг с другом. Во многих случаях постоянная К из уравнения (1) зависит от молярной массы ВМВ, уменьшаясь с ростом длины макромолекул. В табл. 17 приведены характеристика различных видов вязкости растворов и соотношения между ними. Т а б л и ц а 17 Виды вязкости, их обозначения, соотношения между ними Вязкость Относительная Обозначение отн Удельная уд Приведенная пр Характеристическая [] Математическое выражение отн =  0 уд =   0  отн  1 0 η  η0 η уд = η0  С С η [] = lim уд c0 С пр= 79 С учетом взаимодействия макромолекул в разбавленных растворах для определения молярной массы ВМВ в настоящее время используется модифицированное уравнение Штаудингера (3) [] = КМ, где К и  - постоянные для данного гомологического ряда и растворителя. Величина  характеризует форму макромолекул в данном растворителе и связана с гибкостью цепей макромолекул. Если последние в данном растворителе находятся в развернутом виде, то растворы ВМВ имеют большую вязкость, если же макромолекулы свернуты в клубки, то вязкость растворов при той же концентрации будет меньше. Значения  обычно лежат в пределах 0,5-1,0. Значения К и  для некоторых ВМВ приведены в табл. 18. Т а б л и ц а 18 Значения констант K и α в уравнении 3 ВМВ Крахмал Желатин Растворитель Вода Вода Температура 298 298 2. В Ы П О Л Н Е Н И Е К 104 1,32 3,0  0,68 0,70 РАБОТЫ 2.1. Из исходного раствора ВМВ с концентрацией 0,5 % приготовьте еще четыре раствора методом двойного разбавления. 2.2. Укрепите в штативе строго вертикально чистый, промытый дистиллированной водой вискозиметр. С помощью пипетки внесите в широкое колено вискозиметра 10 см3 дистиллированной воды. Затем грушей (шприцем) затяните жидкость в узкое колено выше верхней метки и дайте жидкости свободно течь. При прохождении уровня жидкости через верхнюю метку включите секундомер, при прохождении его через нижнюю метку – выключите. Определите время истечения t0 воды не менее трех раз. По результатам отсчетов рассчитайте среднее значение времени tср истечения чистого растворителя – дистиллированной воды. 2.3. Вискозиметр ополосните наиболее разбавленным раствором ВМВ. Измерьте время истечения t этого раствора, как показано в п. 2.2 не менее трех раз и рассчитайте среднее значение времени истечения tср. Опыт повторите для всех растворов ВМВ. Переходя к более концентрированному раствору, тщательно ополаскивайте вискозиметр. Полученные результаты внесите в табл. 19 80 3. О Б Р А Б О Т К А Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н Ы Х Д А Н Н Ы Х 3.1. Рассчитайте относительную, удельную и приведенную вязкости, используя средние значения времени истечения t0 растворителя и времени истечения t растворов. Т а б л и ц а 19 Экспериментальные данные по определению вязкости растворов ВМВ Концентрация раствора Время истечения t, с tср, с отн уд пр 1 2 3 ВМВ , % 0 0,5 0,25 0,125 0,062 5 0,031 3 η tρ Так как , где   0 (плотности разбавленного раствора ВМВ и  η0 t 0ρ0 растворителя примерно одинаковы), то η уд t  t0 t t ; η пр  , ηотн  ; ηуд  ηотн  1   1  C t0 t0 t0 где С – концентрация растворенного вещества в г на 100 см3 растворителя; т. к. растворы разбавленные, принять С = . Полученные значения вязкостей внесите в табл. 19. 3.2. Постройте график зависимости приведенной вязкости от концентрации раствора ВМВ по данным табл. 19, по которому определите характеристическую вязкость  (рис. 24). Рассчитайте молярную массу ВМВ, используя формулу (3), значения  и К возьмите из табл. 18: М = []/К; lg М = lg( η/K) ; М = 10 α  lg( η /K) α η уд C [] С (ВМВ) Рис. 24. Определение характеристической вязкости 81 (4) 4. В Ы В О Д Ы П О Р А Б О Т Е 4.1. Определите, как влияет концентрация ВМВ на величину относительной вязкости по данным табл. 19. 4.2. Проанализируйте полученное значение величины М (соответствует ли она молярным массам высокомолекулярных веществ). 5. К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е ВОПРОСЫ 1. Какие вещества называют ВМВ? 2. Почему растворы ВМВ относят к коллоидным растворам? 3. Каковы особенности свойств растворов ВМВ? 4. В чем проявляются аномалии вязкости растворов ВМВ и каковы их причины? 5. Почему закон Ньютона, а также уравнения Пуазейля и Эйнштейна нельзя применять для определения вязкости ВМВ? 6. Какие виды вязкости используют? 7. Что характеризует уравнение Бингама? 8. Когда применяется понятие «структурная вязкость», или «пластическая вязкость»? 9. В чем сущность вискозиметрического метода определения молярной массы ВМВ? 10. В каких случаях для определения молярных масс ВМВ используют обычное уравнение Штаудингера, в каких – модифицированное уравнение Штаудингера? 11. Какие еще методы используют для определения молярной массы ВМВ? РАБОТА 8. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ РАСТВОРОВ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ Цель работы: изучить влияние рН на набухание и высаливание желатина, мутность и вязкость раствора желатина, определить изоэлектрическую точку желатина различными методами. Методы исследования: визуальное наблюдение; Н–метрия; фотоэлектроколориметрия; вискозиметрия. Приборы и оборудование: рН-метр; фотоэлектроколориметр КФК–1,2; вискозиметр Оствальда; секундомер; линейка. Посуда: пробирки; конические колбы на 50 мл – 7 шт.; набор кювет. Реактивы: 0,1 М растворы CH3COOH, CH3COONa, NaCl и сахарозы; сухой желатин; насыщенный раствор (NH4)2SO4; 1 %-ный раствор желатина. 82 1. К Р А Т К О Е Т Е О Р Е Т И Ч Е С К О Е ВВЕДЕНИЕ Растворы высокомолекулярных веществ, если они находятся в термодинамически равновесном состоянии, агрегативно устойчивы (см. рис. 10). При введении больших количеств электролита или нерастворителей (жидкостей, плохо растворяющих данное ВМВ) наблюдается выделение ВМВ из растворов – высаливание (см. рис. 11). Для белков и полисахаридов высаливающим действием обладают такие нерастворители как этанол и ацетон. Из электролитов обычно более сильным высаливающим действием обладают анионы, которые можно расположить в лиотропный ряд: SO 24  > Cl  > NO 3 > Br  > I  > CNS  Первым этапом растворения ВМВ является набухание. Набухание – самопроизвольный процесс поглощения молекулами ВМВ низкомолекулярного растворителя, сопровождающийся увеличением объема и массы ВМВ. Набухание может быть ограниченным и неограниченным, заканчивающимся растворением ВМВ (см. рис. 18). Ограниченность или неограниченность набухания определяется соотношением между энергией связи в молекулах ВМВ и энергией сольватации с энтропийным фактором. Ограниченно набухают высокомолекулярные вещества, имеющие химические связи – «мостики» – между цепочками макромолекул. Если молекулы ВМВ имеют линейную или разветвленную структуру, то они связаны между собой Ван-дер-Ваальсовыми межмолекулярными силами, энергия связи которых невелика, и уже при комнатной температуре энергия сольватации и энтропийный фактор превышают энергию связи, процесс набухания идет неограниченно. На набухание влияет целый ряд факторов (см. рис. 18, 19). Температура влияет на набухание в соответствии с принципом Ле-Шателье: с увеличением температуры скорость набухания возрастает (увеличивается энергия макромолекул), но снижается предельное набухание, так как набухание – экзотермический процесс. рН среды оказывает влияние на набухание тех ВМВ, молекулы которых содержат полярные группировки (например, у белков). При более высоких и низких значениях рН за счет образования заряженных групп на поверхности молекул белков их форма изменяется, что отражается на величине набухания. На набухание ВМВ оказывает большое влияние присутствие посторонних ионов, заряд которых противоположен заряду полиионов: чем выше заряд постороннего иона, тем сильнее понижает он величину набухания. На набухание оказывает влияние физическое состояние и природа ВМВ. Легче всего набухают и растворяются ВМВ в высокоэластическом и вязко текучем состояниях и с редкими боковыми цепями, труднее набухают ВМВ в стеклообразном состоянии и при наличии упорядоченных частных боковых цепей, ужесточающих структуру полимеров. 83 Для эффективного набухания и растворения ВМВ необходима близость его по полярности к растворителю. Так, углеводородные ВМВ энергично набухают и растворяются в жидких углеводородах (бензол, бензин) и не растворяются в сильно полярных жидкостях (вода, спирты). Полярные ВМВ (целлюлоза, поливинилацетат, желатин) не взаимодействуют с углеводородами, но хорошо набухают и растворяются в воде. Количественной мерой набухания является степень набухания , которая может иметь объемное или массовое выражение (см. рис. 19). Подобно низкомолекулярным веществам ВМВ можно подразделять на электролиты и неэлектролиты (см. рис. 20). Важнейшими высокомолекулярными электролитами являются водные растворы белков. Заряд на макромолекулах белков возникает в водных растворах в результате диссоциации ионогенных групп. Белковые молекулы как продукт поликонденсации аминокислот содержат основные группы – NН2 и кислотные – СООН и относятся к полиамфолитам, так как цепочка макромолекулы может быть достаточно большой и содержать несколько функциональных групп как в виде боковых цепей, так и на концах макромолекул. Ионизация таких молекул идет по кислотному и основному типам в зависимости от рН среды. В кислой среде: Н2N - R - COOH + Н    Н3N - R – COOH В щелочной среде: Н2N - R - COOH + OH  Н 2 N - R - COO + Н2О В нейтральной среде: Н OH    Н2N - R - COOH + HOH  HO - H3N - R - COOH  Н3N - R – СОО– Как видно из последнего случая, существует такое состояние, когда число ионизированных кислотных групп равно числу ионизированных основных групп. Такое состояние называется – изоэлектрическим, а рН среды, соответствующее такому состоянию – изоэлектрической точкой (ИЭТ) белков (см. рис. 14, 20). В изоэлектрическом состоянии свойства белковых растворов резко изменяются. В ИЭТ по всей длине белковой молекулы находится равное количество положительно и отрицательно заряженных ионогенных групп, и гибкая макромолекула сворачивается в плотный клубок (глобулу) в силу притяжения разноименных зарядов. В таком состоянии уменьшается вязкость растворов (уменьшается сопротивление потоку течения раствора), изменяется осмотическое давление (меньшая поправка на объем, занимаемый макромолекулами), хуже идет набухание – затруднено проникновение молекул растворителя внутрь структуры ВМВ, уменьшается растворимость, падает электрическая проводимость. 84 Изучение этих свойств используется для определения изоэлектрической точки белков. В молекулах белков в большей степени проявляются кислотные свойства, ИЭТ лежит в слабокислой области при значениях рН: для желатина – 4,7; для казеина – 4,6; для глобулина – 5,4. 2. В Ы П О Л Н Е Н И Е РАБОТЫ Опыт 1. Влияние рН на набухание желатина. Определение изоэлектрической точки желатина по степени его набухания 2.1.1. Приготовьте по 10 см3 буферных растворов в восьми пронумерованных пробирках, как указано в табл. 20. 2.1.2. Измерьте рН растворов на рН-метре. Результаты внесите в табл. 20. Т а б л и ц а 20 Экспериментальные данные по влиянию рН раствора на процесс набухания желатина Состав буферной смеси (раствора) рН Высота Степень № раствора набухшего набухания про V(CH3COOH V(CH3COONa желатина  бир 0,1 М), см3 0,1 М), см3 h, мм ки 10 0 1 9 1 2 8 2 3 5 5 4 3 7 5 1 9 6 3 10 см 0,1 М раствора NaCl 7 10 см3 0,1 М раствора сахарозы 8 2.1.3. Насыпьте желатин высотой 10 мм от дна пробирки в другие сухие восемь пробирок одного диаметра. 2.1.4. Налейте в пробирки с сухим желатином приготовленные растворы (п. 2.1.1), несколько раз встряхните и оставьте их в покое на один час. 2.1.5. Через 1 ч измерьте высоту h набухшего желатина. Результаты внесите в табл. 20. 2.1.6. Рассчитайте степень набухания  по формуле h  h0 α , h0 где h0 и h – высоты исходного и набухшего желатина, мм (h0 = 10 мм). 2.1.7. Постройте график зависимости степени набухания от величины рН. Определите значение ИЭТ желатина. 85 Опыт 2. Влияние рН на высаливание желатина. Определение изоэлектрической точки желатина по мутности его растворов (визуальный метод) 2.2.1. Приготовьте буферные смеси в пяти пробирках, как указано в табл. 21. 2.2.2. В каждую пробирку добавьте 1 см3 1 %-ного раствора желатина, затем по 1 см3 «высаливающего» агента: насыщенного раствора (NH4)2SO4, растворы перемешайте. 2.2.3. Через 5 минут после добавления сульфата аммония отметьте степень мутности по 5-балльной шкале. Определите значение ИЭТ желатина. Т а б л и ц а 21 Экспериментальные данные измерения степени мутности при высаливании желатина из растворов с различными рН № про- V(СН3СООН, 0,1 М), V(СН3СООNа, 0,1 М), просм3 см3 бирки 1 1,8 0,2 2 1,4 0,6 3 1,0 1,0 4 0,6 1,4 5 0,2 1,8 рН Степень мутности 3,8 4,4 4,7 5,1 5,7 Опыт 3. Влияние рН на мутность раствора желатина. Определение изоэлектрической точки желатина по мутности его растворов (фотоэлектроколориметрический метод) 2.3.1. Приготовьте по 10 см3 буферных смесей в шести пронумерованных колбах объемом 50 см3, как указано в табл. 22. Т а б л и ц а 22 Приготовление ацетатных буферных растворов Исходный реактив 3 V(СН3СООН, 0,1 М), см V(СН3СООNа, 0,1 М), см3 1 10 - 2 9 1 86 Номер колбы 3 4 8 5 2 5 5 3 7 6 1 9 2.3.2. Измерьте рН каждого раствора на рН-метре и полученные данные внесите в табл. 23. 2.3.3. Влейте в каждую колбу по 10 см3 1 %-ного раствора желатина. 2.3.4. В седьмой колбе приготовьте смесь из 10 см3 1 %-ного раствора желатина и 10 см3 дистиллированной воды. Эта смесь используется в качестве раствора сравнения. 2.3.5. Определите оптическую плотность А и светопропускание Т приготовленных растворов на фотоэлектроколориметре КФК при   364 нм и толщине кюветы 10 мм. Все растворы сохраните для опыта 4. 2.3.6. По полученным данным постройте график зависимости А (или Т) от рН. Определите значение ИЭТ желатина. Т а б л и ц а 23 Экспериментальные данные по измерению рН, оптической плотности и светопропускания растворов желатина Измеряемая величина 1 Номер колбы 3 4 2 5 6 рН Оптическая плотность А Светопропускание Т Опыт 4. Влияние рН на относительную вязкость раствора желатина. Определение изоэлектрической точки желатина по вязкости его растворов 2.4.1. Определите время истечения t0 воды на вискозиметре, как показано в работе 7 (п. 2.2). 2.4.2. Определите время истечения t растворов желатина с различными значениями рН не менее двух раз (используйте растворы, полученные в опыте 3). Перед каждым опытом тщательно ополаскивайте вискозиметр исследуемым раствором. 2.4.3. Рассчитайте среднее значение времени истечения tср. Полученные данные внесите в табл. 24. 2.4.4. Рассчитайте относительную вязкость растворов отн по формуле η отн  t ср t0 . Полученные данные внесите табл. 24. 2.4.5. Постройте график зависимости относительной вязкости от рН раствора. Определите значение ИЭТ желатина. 87 Т а б л и ц а 24 Экспериментальные данные по определению вязкости растворов желатина с различными значениями рН Измеряемая и рассчитанная величина рН Время истечения t1 раствора, с t2 tср Относительная вязкость раствора отн 1 Номер колбы 3 4 2 3. В Ы В О Д Ы 5 6 ПО РАБОТЕ 3.1. Оцените по результатам опытов 1, 2, 3, 4, как влияет величина рН на степень набухания желатина, растворимость желатина, способность к высаливанию желатина из растворов, вязкость растворов желатина. 3.2. Сравните результаты опытов 1, 2, 3, 4 по определению ИЭТ желатина. 3.3. Выберите наиболее точные методы определения ИЭТ. Ответ мотивируйте. 4. К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е ВОПРОСЫ Какие дисперсные системы называют лиофильными? Каковы особенности растворения ВМВ? Чем обусловлена агрегативная устойчивость растворов ВМВ? Что такое высаливание и какие факторы влияют на процесс высаливания? Что такое студень и как его получают? Какой процесс называется набуханием? Каков механизм набухания? Как изменяются энергия Гиббса, энтальпия и энтропия в процессе набухания? 8. Каковы количественные характеристики процесса набухания? 9. Какие факторы влияют на процесс набухания? 10. Какие факторы влияют на процесс застудневания растворов ВМВ? 11. Какие ВМВ называют полиэлектролитами, полиамфолитами? 12. Что такое изоэлектрическое состояние ВМВ, изоэлектрическая точка белков? 13. Как изменяется форма макромолекул белков в кислой и щелочной средах? 14. Какие свойства белков изменяются в ИЭТ? 15. Какие методы используют для определения ИЭТ белков? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 88 РАБОТА 9. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В СТУДНЯХ И ГЕЛЯХ Цель работы: получить студень или гель, исследовать процессы диффузии, кристаллизации и химические реакции, протекающие в студнях и гелях. Метод исследования: визуальное наблюдение. Приборы и оборудование: линейка; штатив. Посуда: пробирки; U-образные трубки; цилиндры на 50 мл; чашки Петри; конические колбы; мерные цилиндры; мерные пробирки; мерные пипетки. Реактивы: желатин; агар-агар; канцелярский клей; силикат натрия; растворы или кристаллы веществ в соответствии с вариантом задания, указанным в табл. 25. 1. К Р А Т К О Е Т Е О Р Е Т И Ч Е С К О Е В В Е Д Е Н И Е Студни и гели – это нетекучие твердообразные системы, представляющие собой пространственные структуры в виде трехмерных сеток с ячейками. Переход лиофобного золя при коагуляции в гель называют гелеобразованием. Гели являются двухфазными, гетерогенными и термодинамически неустойчивыми системами. Студни получают при набухании твердых высокомолекулярных веществ (ВМВ) в определенном растворителе или при застудневании (желатинизации) растворов ВМВ; они являются чаще всего однофазными, гомогенными, равновесными и устойчивыми системами (см. рис. 15, 18, 19). Студни и гели обладают структурно-механическими свойствами (см. рис. 16). По изменению вязкости и текучести удобно наблюдать за образованием или разрушением структуры. Сетчатая структура студней и гелей позволяет растворенным веществам диффундировать в них, взаимодействовать с веществом, образующим студень или гель, или с веществом, находящимся внутри них, а растворителю и дисперсионной среде выделяться из них (синерезис), проявлять тиксотропные свойства (см. рис. 16, 17). Диффузия растворенных веществ в сетчатых сильно оводненных студнях и гелях протекает примерно так же, как в воде или дисперсионной среде: скорости диффузии почти одинаковы, законы Фика применимы, вещества практически равномерно распределены в объеме. Отклонение от этих зависимостей может быть вызвано следующими причинами: - размер диффундирующих частиц больше размера ячеек структуры; - студни и гели уплотняются при синерезисе; - процессы адсорбции и кристаллизации, химические реакции протекают параллельно. При наличии отклонения наблюдается скачкообразный резкий спад концентрации диффундирующего вещества, неравномерность окраски и изменение 89 оптических свойств студней и гелей (см. рис. 6). Например, при диффузии в желатин соляной кислоты образуется хлористый желатин (соль); в результате изменяются набухание и светопреломляющая способность студня. Диффузия растворенного вещества А в студень, пропитанный веществом В, зависит от растворимости продукта реакции С, который образуется при химической реакции между веществами А и В (А + В = С). Если вещество С растворимо, то диффузия протекает в обоих направлениях. В случае получения нерастворимого продукта реакции С осадок может образовываться в растворе, на поверхности студня или внутри студня. Место образования осадка зависит от соотношения молярных концентраций эквивалентов Сэк: студень, раствор А содержащий вещество В Сэк (А) Сэк (В) Сэк (А) < Сэк (В) – осадок образуется в растворе; Сэк (А) > Сэк (В) – осадок образуется в студне; Сэк (А) = Сэк (В) – осадок образуется на поверхности студня в виде тонкой мембраны. Начало и место образования нерастворимого вещества определяются скоростями диффузии υд реагирующих веществ, которые рассчитываются по закону Фика: υд = dm =dt S dc , dx где m – масса диффундирующего вещества; t – время диффузии; D – коэффициент диффузии вещества; S – поперечное сечение, через которое диффундирует вещество; - dc – градиент концентрации в направлении х диффузии. dx Коэффициент диффузии зависит от размера диффундирующих частиц, вязкости среды и температуры (уравнение Эйнштейна, рис. 5). Реакция между веществами А и В от места встречи может распространяться только в одном направлении: от высококонцентрированного раствора к менее концентрированному, если нет мембраны; от раствора с большим осмотическим давлением к раствору с меньшим осмотическим давлением (см. рис. 5) при наличии полупроницаемой мембраны между растворами. Чаще всего мембрану образует нерастворимый продукт реакции. При диффузии в студни или гели раствора гидролизующихся солей может увеличиваться степень гидролиза, если скорости диффузии продуктов гид- 90 ролиза и соли сильно различаются. Например, при диффузии FeCl3 в гель кремниевой кислоты происходит гидролиз этой соли по катиону: Fe3+ + H2O  FeOH2+ + H+ υд(Н+) >> υд (других частиц), т. е. кислота быстрее диффундирует, что приводит к уменьшению концентрации ионов водорода, равновесие смещается вправо, и гидролиз соли усиливается. Диффузия и гидролиз осложняются взаимодействием гидролизующихся солей с желатином или другим ВМВ, которое приводит к сжатию мембраны из нерастворимого вещества, т. е. протекает процесс. подобный синерезису. Образующиеся плотные мембраны более проницаемы для воды, чем для ионов исходной соли и продуктов гидролиза, т. е. являются полупроницаемыми. Поэтому, если кристалл гидролизующейся соли, например FeCl3, поместить в раствор силиката натрия, то поверхность кристалла FeCl3 быстро покрывается тонкой пленкой геля кремниевой кислоты и гидроксида железа, через которую начинают диффундировать молекулы воды, при этом объем раствора внутри пленки увеличивается до тех пор, пока оболочка не разрывается, на месте разрыва снова образуется пленка – мембрана и т. д. Особенностями химических реакций в студнях и гелях являются: - небольшая скорость химической реакции, потому что пространственная сетка в студнях и гелях препятствует перемешиванию; - небольшая скорость роста зародышей кристаллов, потому что вещество студня (желатин, агар-агар) является защитным коллоидом для нерастворимых частиц и препятствует их сращиванию, что является причиной периодической кристаллизации в студнях; - скачкообразное изменение концентрации раствора вблизи осадка, благодаря чему протекают периодические или ритмические реакции; при этом образуются концентрические кольца Лизеганга, слоистые структуры и другие типы рисунков в студне или геле; - образование плотных пленок нерастворимых веществ, подобных полупроницаемым мембранам, через которые осуществляется осмотический перенос жидкости, приводящий к изменению осмотического давления и протеканию направленных химических реакций; при этом образуются древовидные или другие образования. 2. В Ы П О Л Н Е Н И Е Р А Б О Т Ы 2.1. В соответствии с вариантом задания (табл. 25) изучите протекание диффузии или химических реакций в студнях или гелях, получаемых по различным методикам (см. рис. 15, 18, 19). 2.2. Получите студень из раствора ВМВ. 91 Та б л и ц а 25 Вариант Варианты заданий к работе 9 1 Система Гель H2SiO3 Растворы для получения студня или геля (в расчете на один опыт) Основной раствор Дополнит. р-р 5 мл Na2SiO3 ( ρ = 1,06 г/см3) (разбавленный в 3 раза) 5мл 1М СН3СООН 2мл (СН3СОО)2Рb насыщ. 2 Студень желатина 25 мл 2,5 % р-ра желатина (нагретый) 3 Студень желатина 10 мл 5 % р-ра желатина 4 Гель Н2SiO3 Силикатный клей-вода 1:3 5 Студень агарагара 10 мл 0,5 % р-ра агар-агара 6 Студень желатина 10 мл 5 % р-ра желатина 7 Cтудень желатина 10 мл 2,5 % р-ра желатина 8 Студень агарагара 10 мл 1 % р-ра агар-агара Растворы над студнем или гелем или металлы внутри них; рекомендуемая посуда для студня или геля 1) гранула Zn 2) гранула Al 3) гранула Mg (пробирки) 1) 2мл NH4OH конц. (на занятии) 5 мл 5 % 2) 2мл NH4OH конц. MgCl2 (через сутки) (цилиндры) 1) 1М р-р 0,05 М К4[Fe(CN)6] 2) CuSO4 0,5 M К4[Fe(CN)6] 3) 1,0 M К4[Fe(CN)6] (U-образные трубки) Кристаллики солей CuSO4, – NiSO4, ZnSO4, CoSO4 на дно стакана (стакан) 10 мл насыщ. 1) гранула Zn (СН3СОО)2Pb. 2) гранула Al 1-5 капель 3) гранула Fe СН3СООНконц (пробирки) 1) 0,1 % CuSO4 2) 0,02 % р-р метиленового синего – 3) 2 % золь Fe(OH)3 (табл. 5, вар-т 3) (пробирки) 1) 5 % FeCl3 1 мл 0,01 М 2) 1 % FeCl3 NaOH 3) 0,5 % FeCl3 1-2 капли ф-ф (пробирки) 1) 1 % NiSO4 2) 1 % CuSO4 – 3) 0,5 % K2Cr2O7 (пробирки) 92 Вариант 9 Система Гель H2SiO3 Студень 10 желатина Студень 11 агарагара Студень 12 желатина 13 Гель H2SiO3 Студень 14 желатина Студень 15 агарагара Студень 16 желатина Растворы для получения студня или геля (в расчете на один опыт) Основной раствор Дополнит. р-р 5 мл Na2SiO3 ( ρ = 1,06 г/см3) (разбавленный в 3 раза) 5 мл 1 М CH3COOH 1 мл 0,5 М K2CrO4 П р о д о л ж е н и е т а б л. 25 Растворы над студнем или гелем или металлы внутри них; рекомендуемая посуда для студня или геля 1) 0,5 М CuSO4 2) 0,5 M CoSO4 3) 0,5 M NiSO4 (пробирки) 1) Н2О 1 % FeCl2 10 мл 5 % р-ра 2) Н2О 1 % FeCl3 – желатина 3) Н2О 1 % NiCl2 (U-образные трубки) 1) 0,1 М HCl 1 мл 0,1 М 10 мл 1 % р-ра 2) 0,05 M FeCl3 NaOH агар-агара 3) 0,5 M FeCl3 1-2 капли ф-ф (пробирки) 3 мл 1 % 1) 25 мл 2,5 % K2Cr2O7 0,5 М AgNO3 р-ра желатина 3 мл 1 % 1) цилиндр 2) 5 мл 2,5 % лимонной 2) чашка Петри р-ра желатина кислоты 10 мл Na2SiO3 1М 1) 2 М KI 3 ( ρ = 1,06 г/см ) СН3СООН 2) 0,1 М K2CrO4 0,1 М (разбавленный (пробирки) (СН3СОО)2Pb в 3 раза) 1) 0,1 M K2Cr2O7 0,5 M 10 мл 2,5 % 2) 0,2 M K2Cr2O7 (СН3СОО)2Pb р-ра желатина 3) 0,5 M K2Cr2O7 (U-образные трубки) 1) 1 % золь Fe(OH)3 10 мл 1 % р-ра 2) 0,05 % конго красный – агар-агара 3) 1 % FeCl3 (пробирки) 10 мл 5 мл 1 % р-ра желатина K2Cr2O7 1) 2) 0,5 М AgNO3 1) без кипячения 3) 2) кипячение 15 мин (пробирки) 3) кипячение 30 мин 93 Вариант П р о д о л ж е н и е т а б л. 25 Система Основной раствор Студень 17 желатина 18 Растворы для получения студня или геля (в расчете на один опыт) Гель Н2SiO3 Студень 19 желатина 10 мл 2,5 % рра желатина Силикатный клей (разбавленный в 2 раза) 1) 25 мл 2,5 % р-ра желатина 2) 5 мл 25 % р-ра желатина Студень 20 желатина 10 мл 5 % р-ра желатина Студень 21 агарагара 10 мл 2 % р-ра агар-агара Студень 22 желатина Студень 23 желатина Студень 24 желатина Дополнит. р-р 1) гранула Zn 3 мл 2) стержень Zn (СН3СОО)2Pb 3) гранула Al насыщ. (пробирки) – 5 мл 1 % K2Cr2O7 1) 8 мл 1 М CaCl2 2) 4 мл 1 М CaCl2 3) 2 мл 1М CaCl2 10 мл 10 % MgCl2 10 мл 2,5 % р-ра желатина – 10 мл 2,5 % р-ра желатина, подогретого до 40 0С Na2HPO4 в виде твердого вещества вводят до насыщения р-ра желатина 10 мл 2,5 % р-ра желатина Растворы над студнем или гелем или металлы внутри них; рекомендуемая посуда для студня или геля – 94 Кристаллики солей NiCl2, CoCl2, FeCl2, MnCl2 на дно стакана, (стакан) 0,5 М AgNO3 1) цилиндр 2) чашка Петри 1) насыщ. Na2HPO4 2) насыщ. Na2HPO4 3) насыщ. Na2HPO4 (пробирки) 1) конц. NH4OH 2) 0,1 M NaOH (пробирки) Н2О 1 % NiCl2 Н2О 1 % FeCl2 Н2О 1 % FeCl3 (U-образные трубки) Раствор желатина с Na2HPO4 разлить в 2–3 чашки тонким слоем и оставить на сутки (чашки Петри) 1) 1 М HCl 2) 1 M H2SO4 3) 1 M NaOH (пробирки) Вариант О к о н ч а н и е т а б л. 25 25 Система Растворы для получения студня или геля (в расчете на один опыт) Основной раствор Гель H2SiO3 Дополнит. р-р 1) 50 % СН3СООН до рН < 7 10 мл 15 % р-ра 2) (CH3COO)2Pb клея насыщ. (Vсоли  V СН СООН 3) – Нагреть до кипения, затем охладить Растворы над студнем или гелем или металлы внутри них; рекомендуемая посуда для студня или геля 1) Гранула Zn 2) Гранула Zn 3) Гранула Zn 3 2.2.1. Растворы ВМВ приготовлены лаборантом: - разбавьте приготовленный раствор водой или водным раствором вещества, указанного в задании, до получения раствора с заданной концентрацией (табл. 25); - тщательно перемешайте полученный раствор желатина или агар-агара и налейте его в пробирки, U-образные трубки или цилиндры примерно в одинаковых объемах, а в чашки Петри – тонким слоем (~ 3 мм); - охладите полученные растворы и дождитесь их полного застудневания (потеря текучести). 2.2.2. Получите раствор ВМВ из сухого твердого продукта: - рассчитайте массу ВМВ, необходимую для приготовления заданного объема раствора заданной концентрации (табл. 25); - взвесьте на технических весах рассчитанную массу желатина или агар-агара; - поместите навеску желатина или агар-агара в термостойкую колбу на 100 мл, влейте необходимый объем воды чистой или с добавкой раствора вещества и оставьте на 10-20 мин для набухания; - нагрейте содержимое колбы до 40 0С, тщательно перемешайте до полного растворения желатина или агар-агара; - налейте примерно равные объемы полученного раствора в пробирки, U-образные трубки или цилиндры, а в чашки Петри – тонким слоем ( 3 мм); - охладите полученные растворы до полного застудневания (потеря текучести). 2.3. Получите гель кремниевой кислоты: - возьмите жидкое стекло (Na2SiO3) или силикатный клей, прибавьте к нему воду до получения раствора с плотностью 1,06 г/см3, т. е. разбавьте в 2-4 раза, и 95 полученный раствор налейте в пробирки, стаканы или цилиндры в объемах, указанных в задании (табл. 25); - к раствору силиката натрия в каждом сосуде при перемешивании стеклянной палочкой добавляйте смесь растворов уксусной кислоты и соли, при этом происходит быстрое гелеобразование (потеря текучести). 2.4. Проведение процессов в студнях и гелях: - налейте на поверхность студня или геля в пробирках, U-образных трубках или цилиндрах растворы веществ, указанных в задании (табл. 25), в таком объеме, чтобы высота слоя была около 1 см; в центр поверхности студня в чашках Петри внесите 1-2 капли указанного раствора, а гранулы или стержни металлов вдавите в студень на глубину около 1 см с помощью стеклянной палочки; - закройте сосуды пробками или часовыми стеклами, поставьте их в затемненное место на несколько суток, но не более недели; - измерьте линейкой глубину проникновения окрашенных веществ в студень или гель, обратите внимание на вид границы; - сосчитайте количество окрашенных полос, кругов, участков, укажите, как меняется расстояние между ними; - определите форму новообразований в студне или геле. Помните: 1. Число опытов в соответствии с заданием определяется либо изменениями в студне, либо составом дополнительного раствора, либо составом раствора над студнем или гелем, что в табл. 25 отмечено цифрами. 2. В табл. 25 объемы и концентрации растворов заданы в расчете на один опыт, т. е. на один сосуд. 3. О Б Р А Б О Т К А Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н Ы Х Д А Н Н Ы Х 3.1. Схематически изобразите (зарисуйте) изменения в студне или геле в результате протекания в них процессов и определите, какие процессы протекали. 3.2. Напишите уравнения всех возможных реакций, протекающих в системе, и укажите место их протекания: в растворе, на поверхности или внутри студня или геля. 3.3. Укажите, какие молекулы или ионы диффундируют, и охарактеризуйте их по скорости диффузии. 3.4. Отметьте, какие ионы, молекулы или частицы индифферентны к студню или гелю, а какие – неиндифферентны. 3.5. Оцените структуру студня или геля: рыхлость, равномерность ячеек и т. д. 3.6. Определите, влияние какого фактора на процессы в студнях и гелях изучено, что при этом установлено, с какими эмпирическими или теоретическими закономерностями согласуются результаты опыта. 96 4. В Ы В О Д Ы П О Р А Б О Т Е 4.1. Назовите методы и условия получения студня или геля. 4.2. Охарактеризуйте процесс диффузии в студень и гель: тип диффундирующих частиц и их скорость, подчинение закону Фика и уравнению Эйнштейна. 4.3. Определите типы химических реакций (обмена, нейтрализации, гидролиза и т. д.), протекающих в студне или геле. 4.4. Оцените продукты химической реакции в студне или геле по растворимости, по месту образования в системе, по влиянию на структуру студня или геля. 5. К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е В О П Р О С Ы 1. Какую систему называют студнем? 2. Как можно получить студень? 3. Какую систему называют гелем? 4. Какими методами получают гели и при каких условиях? 5. Чем отличаются студни от гелей? 6. Какие структурно-механические свойства присущи студням и гелям? 7. Что такое синерезис и в каких системах он возможен? 8. Каковы особенности диффузии в студнях и гелях? 9. Какие реакции возможны в студнях и гелях? 10. Каковы особенности протекания химических реакций в студнях и гелях? 11. Какие факторы влияют на процессы структурообразования? 12. Чем отличается студнеобразование от гелеобразования? 13. Как можно разрушить студни и гели? 14. Какими методами можно исследовать студни и гели? 15. Что такое тиксотропия? 97 III. МНОГОВАРИАНТНЫЕ ЗАДАЧИ Многовариантные задачи предназначены для самостоятельной работы студентов, а также для текущего и рубежного контроля знаний по данному разделу дисциплины. Названия задач соответствуют определенным характеристикам, закономерностям и свойствам дисперсных систем. Некоторые задачи профессионально ориентированы. При решении задач следует использовать теоретический материал по соответствующей теме, изложенный в настоящем пособии (раздел I. «Теоретические основы физико-химии дисперсных систем в схемах, рисунках, таблицах») или в учебных пособиях, указанных в списке литературы [1-8], а также предлагаемые примеры решения типовых задач. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Получение дисперсных систем и их характеристика Пример 1. Методом механического диспергирования 5 г толуола в 1 л воды получена дисперсная система с частицами толуола шарообразной формы с радиусом 2,510-7 м. Плотность толуола равна 0,867 г/см3. 1. Рассчитайте дисперсность системы и удельную поверхность Sуд. 2. Определите тип системы по всем классификационным признакам. 3. Рассчитайте параметры частицы толуола: объем V0, поверхность S0, массу m0. 4. Рассчитайте общую поверхность всех частиц S и число частиц N в дисперсной системе. Р е ш е н и е. 1. Определяем дисперсность системы и удельную поверхность Sуд (см. рис. 1). = 1/а, где а – размер частицы (диаметр шара или длина ребра куба). Для шарообразной частицы а = 2r: 1 –1 –1 D  2 10 6 м = 2 мкм . 7 2  2,5 10 Sуд = S/V = 6 (для частиц шарообразной формы), где S – поверхность частиц, V – объем частиц: Sуд = 62106 = 1,2107 м–1. 2. Определяем тип системы (см. рис. 2). 2.1. По дисперсности система – грубодисперсная (микрогетерогенная), т. к. размер частиц попадает в интервал 10–7 – 10–5 м. 2.2. По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды система – эмульсия, т. к. фаза и среда являются жидкостями. 98 2.3. По наличию или отсутствию взаимодействия между частицами дисперсной фазы и частицами дисперсионной среды система – свободно-дисперсная. 2.4. По степени взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды система – лиофобная (гидрофобная), т. к. практически отсутствует взаимодействие между толуолом и водой. 3. Рассчитываем параметры шарообразной частицы толуола. 4 4 V0  πr3   3,14 (2,510–7 )3 = 6,5410–20 м3; 3 3 S0  4πr 2  4  3,14 (2,510–7)2 = 7,8510–13 м2; m0 = V0 = 0,8671036,5410–20 = 5,6710–17 кг;  = 0,867 г/см3 = 0,867103 кг/м3. 4. Рассчитываем общую поверхность частиц S и число частиц N в дисперсной системе. I способ S = SудV, где V – объем всех частиц; 5 V = m/ = = 5,767 см3 = 5,76710–6 м3; 0,867 7 S = 1,210 5,76710–6 = 69,2 м2; 5,767 106  8,821013 шт. N = V/V0 =  20 6,54 10 5 103  8,821013 шт.; II способ N = m/m0  17 5,67 10 S = NS0 = 8,8210137,8510–13 = 69,2 м2. Пример 2. Коллоидный раствор (гидрозоль) получили при смешивании 10 мл 0,01 М раствора Na3AsO4 и 20 мл 0,013 М раствора AgNO3. 1. Напишите уравнение реакции и определите, какой из продуктов реакции образует гидрозоль. 2. Рассчитайте, какое из исходных веществ – Na3AsO4 или – AgNO3 взято в избытке. 3. Напишите формулу мицеллы образовавшегося золя, укажите заряд коллоидной частицы (гранулы). Р е ш е н и е. 1. Na3AsO4 + 3AgNO3 = Ag3AsO4 + 3NaNO3 гидрозоль образует Ag3AsO4, т. к. плохо растворяется в воде (рис. 1). 2. Рассчитываем, какое из исходных веществ взято в избытке, для этого находим число моль эквивалентов каждого из исходных веществ: nэк(В) = VCмZ, где V – объем раствора, л; См – молярная концентрация, моль/л; Z – число эквивалентности вещества. nэк (Na3AsO4) = 1010–30,013 = 310–4 моль Z(Na3AsO4) = 3 99 nэк (AgNO3) = 2010–30,0131 = 2,610–4 моль Z(AgNO3) = 1 В избытке взят Na3AsO4. 3. Формула мицеллы золя арсената серебра (см. рис. 4) m Ag AsO  nAsO 3 4  3  3x   3(n  x)Na  3xNa  4 Потенциалопределяющими ионами (ПОИ) являются AsO34 , т. к. они взяты в избытке. Заряд коллоидной частицы – отрицательный. Пример 3. Бериллат натрия Na2BeO2 в водном растворе гидролизуется по схеме Na2BeO2 + 2H2O ⇄ Be(OH)2  + 2NaOH, что приводит к образованию гидрозоля гидроксида бериллия. Напишите формулы всех возможных мицелл гидрозоля гидроксида бериллия, учитывая, что в растворе могут находиться ионы бериллия. Р е ш е н и е. 1. Потенциалопределяющими ионами являются бериллат ионы ВеО 22  . Формула мицеллы золя m Be(OH)  BeO 2  2  2x   .  2(n  x)Na  2xNa 2 2. Потенциалопределяющими ионами являются гидроксид ионы ОН–. Формула мицеллы золя x m Be(OH)  nOH-  (n  x)Na   xNa  .   2   3. Потенциалопределяющими ионами являются ионы бериллия Ве2+. Формула мицеллы золя m Be(OH)  nBe 2 2  2(n  x)NO3-  2x   2xNO3- . Молекулярно-кинетические, оптические и электрокинетические свойства дисперсных систем Пример 4. Предскажите, какие молекулярно-кинетические, оптические, электрокинетические свойства могут проявляться для каждой из дисперсных систем: 1) табачного дыма (r = 510–7 м); 2) гидрозоля берлинской лазури (r = 210–8 м); 3) суспензии глины в воде (r = 210–5 м); 4) студня крахмала. Укажите, какие из систем могут проявлять структурно-механические свойства. 100 Р е ш е н и е. 1. Табачный дым относится к лиофобным грубодисперсным, свободно-дисперсным системам (см. рис.2). Может проявлять молекулярнокинетические свойства (см. рис. 5): седиментацию, броуновское движение и диффузию (в малой степени, т. к. частицы довольно крупные); оптические свойства (см. рис. 6): отражение и преломление света, светорассеяние (в меньшей степени); электрокинетические свойства (см. табл. 1): электрофорез (остальные не проявляет, т. к. воздух – диэлектрик). Структурно-механические свойства не проявляет. 2. Гидрозоль берлинской лазури относится к лиофобным, высокодисперсным, свободно-дисперсным системам. Может проявлять молекулярно-кинетические свойства: броуновское движение, диффузию, осмос; оптические свойства: светопоглощение (золь окрашен), светорассеяние; электрокинетические: электрофорез. Структурно-механические свойства: вязкость. 3. Суспензия глины в воде относится к лиофобным, грубодисперсным, свободно-дисперсным системам. Может проявлять молекулярно-кинетические свойства: седиментацию; оптические свойства: отражение и преломление света, светорассеяние (в малой степени); электрокинетические: электрофорез, потенциал седиментации. Структурно-механические свойства: вязкость. 4. Студень крахмала относится к лиофильным, высокодисперсным, связнодисперсным системам. Не проявляет молекулярно-кинетические и электрокинетические свойства. Может проявлять оптические свойства: светорассеяние, частично светопоглощение (практически не окрашен). Может проявлять структурно-механические свойства: прочность, упругость, пластичность, эластичность. Пример 5. Определите радиус и коэффициент диффузии , среднеквадратичный сдвиг  частицы гидрозоля серы за время t = 10 с. Дисперсность частиц равна 10 мкм-1, температура опыта 293 К, вязкость среды  = 1,010-3 Пас. Р е ш е н и е. Коэффициент диффузии можно рассчитать по уравнению Эйнштейна (см. рис. 5): RT . D 6 πrηNА Чтобы найти радиус частиц r, используем величину дисперсности = 10 мкм–1 = 10106 м–1. 1 1 1 D  , откуда r    5 108 м; 2r 2D 2 10 106 8,314  293 D  4,29 1012 м2/с. 3 8 23 6  3,14 1,0 10  5 10  6,02 10 Среднеквадратичный сдвиг частицы  за промежуток времени t определяем по уравнению Эйнштейна-Смолуховского (см. рис. 5). 2 RT  t Δ   2Dt , откуда   2Dt  2  4,29 1012 10  9,26 106 м  9,26 мкм . 3π ηN A 101 Пример 6. Рассчитайте осмотическое давление гидрозоля диоксида кремния с массовой концентрацией 40,5 г/л при 291 К. Удельная поверхность частиц Sуд = 5,94108 м-1, плотность частиц гидрозоля  = 2,2 г/см3. Ре ш е н и е. Осмотическое давление в дисперсных системах можно рассчитать по уравнению Вант-Гоффа (см. рис. 5). ν C π RT  kT , где  – частичная (численная) концентрация; С – массовая NA m0 концентрация частиц, кг/м3; m0 – масса одной частицы, кг; k – константа Больцмана: R k  1,3810–23 Дж/К. NA Для сферической частицы с радиусом r 4 m0  πr3  ρ . 3 Радиус выражаем через Sуд: 6 3 3 Sуд   ; r  ;  = 2,2103 кг/м3; 2r r Sуд 3 4  3  4π  32  ρ 36  π  ρ 36  3,14  2,2 103 m0  π ρ     1,19 10 21 кг; 3 3 8 3 3  Sуд  S уд S уд (5,94 10 ) 3 С = 40,5 г/л = 40,5 кг/м . 40,5 π 1,38 1023  291  136,67 Па.  21 1,19 10 Пример 7. Частицы глины шарообразной формы с радиусом r = 6,2510–7 м оседают в водной среде под действием сил тяжести. Определите время оседания t частиц на расстояние h = 0,2 м, если плотность глины  = 2,71 г/см3, плотность водной среды 0 = 1,01 г/см3, вязкость среды  = 1,210–3 Пас. Р е ш е н и е. Скорость оседания υ шарообразных частиц с радиусом r в сплошной среде подчиняется закону Cтокcа (см. рис. 5): h 2g(ρ  ρ0 )r2 υ  , где g – ускорение силы тяжести; , 0 – плотности фазы и t 9η среды, кг/м3. Выражаем время оседания t частиц на расстояние h: h 9 η 0,2  9 1,2 10 3 t  = 1,66105 с. 2 3 7 2 2 g(ρ ρ 0 ) r 2  9,81 (2,71 1,01) 10  (6,2510 ) 102 Пример 8. Определите дисперсность гидрозоля золота, если при 291 К установилось седиментационно-диффузионное равновесие распределения частиц и на высоте h = 7,5 см частичная концентрация уменьшилась в 2,3 раза. Плотность золота  = 19,3 г/см3, плотность воды 0 = 1,0 г/см3. Р е ш е н и е. При установлении седиментационно-диффузионного равновесия распределение частиц по высоте описывается уравнением Лапласа (см. рис. 5) ν V  g(ρ ρ 0 ) h , где h, 0 – частичные концентрации на высоте h м и на ln h   0 ν0 kT высоте h = 0, V0 – объем частицы, м3; , 0 – плотности фазы и среды, кг/м3. 4 Для сферической частицы V0  πr3. 3 По условию задачи h/0 = 2,3;  = 19,3 г/см3 = 19,3103 кг/м3; 0 = 1,0 г/см3 = 1,0103 кг/м3; h = 7,5 см = 7,510–2 м: ν h 4 πr 3g(ρ ρ 0 )  h , ln  ν0 3 kT откуда выражаем радиус частицы ln(ν h /ν 0 )  3 kT ln 2,3  3 1,38 10  23  291 r 3 3  3,9 10  9 м. 3  2 4 πg(ρ ρ 0 )  h 4  3,14  9,81(19,3  1,0) 10  7,5 10 Дисперсность рассчитываем по формуле 1 1 D   12,8 10 7 м  1  128 мкм–1. 9 2r 2  3,9 10 Пример 9. Поток света с длиной волны  = 540 нм проходит через эмульсию бензола в воде с толщиной слоя 3 см и ослабляется в результате светорассеяния в 1,85 раза. Рассчитайте дисперсность частиц эмульсии, если содержание бензола: 1) 0,8 % (об); 2) 0,6 г/л. Плотность бензола  = 0,869 г/см3, показатели преломления бензола и воды n1 = 1,501, n0 = 1,333. Свет рассеивается в соответствии с уравнением Рэлея, а интенсивность прошедшего через эмульсию света ослабляется по закону Бугера-Ламберта-Бера. Р е ш е н и е. Уравнения Рэлея для интенсивности света IP, рассеянного дисперсной системой, имеет вид (см. рис. 6) νV02 I p  I 0 B 4  I 0  τ , где I0 – интенсивность падающего света;  – частичная λ (численная) концентрация, м-3; V0 – объем частицы дисперсной фазы, м3; В – коэффициент, зависящий от показателей преломления дисперсной фазы n1 и дисперсионной среды n0: 103  n 2 n 2  2 В24π  1 0  ;  – мутность дисперсной системы.  n 2  2n 2  0  1 3  C или ν  , где С – массовая концентрация дисперсной фазы, кг/м3; m0 V0  – объемная доля дисперсной фазы, м3/м3; m0, V0 – масса и объем частицы дисперсной фазы. Для сферической частицы 4 V0  πr3 . 3 Интенсивность света при прохождении через бесцветную дисперсную систему уменьшается в соответствии с уравнением Бугера-Ламберта-Бера (см. рис. 6): ν I п  I 0  e  Alc  I 0  e  τl или A  lg I0 τl  , Iп 2,3 где Iп – интенсивность света, прошедшего через дисперсную систему; l – толщина поглощающего слоя, м; τ = Ас; А – молярный коэффициент светорассеяния; с – молярная концентрация; А – оптическая плотность: А = lg(I0/Iп). I По условию задачи 0  1,85 . IП 2,3 А 2,3lg(I0 /Iп ) 2,3 lg 1,85 τ    20,48 м–1. l l 0,03 –2 1)  = 0,8% = 0,810 = 810– 3 м3/м3. Подставляя выражения для  и V0 в уравнение Рэлея, получаем   4 πr 3 I Р  I 0  B  I0 τ ; 3λ4 2 2 2   n 2  2n 2  2 0   24  3,143  1,501  2 1,333   4,73 103 . В  24π3  12   n  n2  2 2  0   1  1,501  1,333  Выражение для расчета радиуса капель эмульсии 3 λ 4  τ 3 3  (540 10  9 ) 4  20,48   2,2 10  8 м = 22 нм. 3  3 B  4 π 4,73 10  8 10  4  3,14 Дисперсность системы 1 1 D   2,7 107 м–1 = 27 мкм–1 .  8 2r 2  2,2 10 C 2) С = 0,6 г/л = 0,6 кг/м3; m0 = V0;  = . V0ρ r 3 104 Из уравнения Рэлея Ip  I 0  B  r 3 C  4π r3  τI0. ρ  3λ 4 3λ4 ρ  τ 3(540 10  9 ) 4  0,869  20,48 3  5,02 10  9 м = 5,02 нм. 3 B  C  4π 4,73 10  0,6  4  3,14 D 1 1  = 9,96107 м–1 = 99,6 мкм–1 .  9 2r 2  5,02 10 Пример 10. Рассчитайте электрокинетический потенциал гидрозоля гидроксида железа, используя следующие данные электрофореза: напряжение 200 В, расстояние между электродами 22 см, смещение границы золя происходит на 2 см за 15 мин. Относительная диэлектрическая проницаемость среды равна 80,1, вязкость среды 110-3 Пас. Р е ш е н и е. Электрокинетический потенциал нию Гельмгольца-Смолуховского (см. табл. 1) ζ где υл ηυ л εε0 Е  можно рассчитать по уравне- , – линейная скорость движения частиц дисперсной фазы, м/с;  – вяз- кость среды, Пас;  – относительная диэлектрическая проницаемость среды; 0 – электрическая постоянная, равная 8,8510-12 Ф/м; Е – напряженность электрического поля, В/м. U 220 По условию задачи Е    909,09 В/м; l 0,22 υ  S  0,02  2,22 10  5 м/с. л t 15  60 110  3  2,22 10 5 ζ  3,44 10 2 В  34,4 мВ . 12 80,1 8,85 10  909,09 Пример 11. Рассчитайте объемную скорость переноса среды при электроосмосе, если электрокинетический потенциал на границе водный раствор KCl – стеклянная мембрана равен 66 мВ, сила тока I = 310–3 А, вязкость дисперсионной среды  = 110–3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость среды  = 80,1. Удельная электрическая проводимость среды  = 1,3510–2 Смм –1. Р е ш е н и е. Электрокинетический потенциал, возникающий при электроосмосе, рассчитывают по уравнению Гельмгольца-Смолуховского (см. табл. 1) 105 ζ ηυоб  εε0 I , где υ об – объемная скорость движения дисперсионной среды, м3/с;  – удельная электрическая проводимость среды, Смм –1; I – сила тока, А. Выражаем объемную скорость: ζ ε ε 0 I 66 10  3  80,1 8,85 10  12  3 10  3 υоб    1,04 10  8 м3/с. η 110  3 1,35 10  2 Коагуляция дисперсных систем Пример 12. Рассчитайте пороги коагуляции электролитов для золя As2S3, если для коагуляции 10 мл золя требуется 1,2 мл 0,5 М раствора NaCl, или 0,4 мл 0,036 М раствора MgCl2, или 0,1 мл 0,01 М раствора AlCl3. Укажите знак заряда коллоидной частицы. Полученные значения порогов коагуляции сопоставьте с закономерностью Дерягина-Ландау. Р е ш е н и е. Порог коагуляции электролита Ск рассчитаем по формуле С V Ск  эл эл , Vз  Vэл где Сэл – концентрация электролита; Vз, Vэл – объемы золя и электролита. 1,2  0,5  0,053 6 моль/л = 53,6 ммоль/л; Ск (NaCl)  10  1,2 0,4  0,036  1,38 103 моль/л = 1,38 ммоль/л; С к (MgCl 2 )  10  0,4 0,1  0,01  0,099  10  3 моль/л = 0,099 ммоль/л. С к (AlCl 3 )  10  0,1 Знак заряда коллоидной частицы золя – отрицательный, т. к. с увеличением заряда катиона электролита порог коагуляции уменьшается. Из уравнения Дерягина-Ландау (см. рис. 12, 13) соnst Ск  6 , где z – заряд иона электролита, z следует, что соотношения порогов коагуляции одно-, двух и трехзарядных 1 1 1 ионов электролитов равны Ск(1) : Ск(2) : Ск(3) = 6 : 6 : 6 = 1:0,016:0,001 4. 1 2 3 Соотношения экспериментальных порогов коагуляции 53,6 : 1,38 : 0,099 = 1 : 0,026 : 0,001 8. Полученные результаты хорошо согласуются с закономерностью ДерягинаЛандау. Пример 13. Порог коагуляции отрицательно заряженного гидрозоля металлического золота под действием NaCl равен 2,610-2 моль/л. C помощью закономерности Дерягина-Ландау или правила Щульце-Гарди рассчитайте поро106 ги коагуляции, вызываемой следующими электролитами: K2SO4, MgCl2, MgSO4, FeCl3, Fe2(SO4)3. Р е ш е н и е. Коагуляцию отрицательно заряженного гидрозоля золота вызывают противоионы, т. е. катионы электролитов. Соотношения порогов коагуляции разнозарядных ионов электролитов по Дерягину-Ландау (пример 12) равны: Ск(1) : Ск(2) : Ск(3) = 1:0,016:0,0014. Электролит NaCl содержит 1 ион–коагулятор Na+ в молекуле NaCl, следовательно: Ск(1) = Ск(NaCl) = 2,6  10–2 моль/л. Электролит–коагулятор K2SO4 содержит 2 иона–коагулятора К+ в молекуле K2SO4, следовательно: Ск (1) 2,6 102 Ск (K2SO4 )    1,3102 моль/л. 2 2 Электролит MgCl2 содержит 1 ион-коагулятор Мg2+ в молекуле MgCl2: Ск (MgCl 2 )  Cк (2)  Ск (1)  0,016  2,6 102  0,016  4,16 104 моль/л. Электролит MgSO4 содержит 1 ион–коагулятор Мg2+ в молекуле MgSO4: Ск (MgSO4 )  Cк (MgCl 2 )  4,16 104 моль/л. Электролит FeCl3 содержит 1 ион–коагулятор Fe3+ в молекуле FeCl3 Ск (FeCl3 )  Cк (3)  Ск (1)  0,0014  2,6 102  0,0014  3,64 105 моль/л. Электролит Fe2(SO4)3 содержит 2 иона–коагулятора Fe3+ в молекуле Fe2(SO4)3: 5 С (3) 3,64 10 Ск (Fe2 (SO4 )3 )  к   1,82 105 моль/л. 2 2 Аналогичные расчеты можно сделать, используя правило Шульце-Гарди. Соотношение порогов коагуляции по Шульце-Гарди (см. рис. 13) Ск(1) : Ск(2) : Ск(3) = 1 : 0,05 : 0,002 8; C (1) Ск (К 2SO 4 )  к  1,310 2 моль/л ; 2 Ск (MgCl 2 )  С к (MgSO4 )  С к (1)  0,05  2,6 102  0,5  1,3 10 3 моль/л ; Ск (FeCl3 )  Ск (1)  0,002 8  2,6 102  0,002 8  7,28 10  5 моль/л ; Cк (3) 7,28 10  5 Ск (Fe2 (SO4 )3 )    3,64 105 моль/л . 2 2 Пример 14. На коагуляцию гидрозоля хлорида серебра из 1,010-2 м3 сточных вод комбината бытового обслуживания потребовалось 8,010-4 м3 10 %ного раствора NaCl ( = 1,07103 кг/м3). Рассчитайте расход (м3) 28 %-ного раствора Fe2(SO4)3 ( = 1,55103 кг/м3) для извлечения AgCl из 100 м3 сточных вод, 107 если электрический заряд коллоидных частиц гидрозоля хлорида серебра в этих водах: 1) положительный; 2) отрицательный. Р е ш е н и е. Для определения порога коагуляции Ск гидрозоля AgCl в сточных водах по NaCl рассчитываем молярную концентрацию См 10 %-ного m(NaCl) m 100 раствора NaCl: ω  , где mр  Vp  ρ ; См (NaCl)  , откуда M(NaCl)  Vp mр ωρ , где ω , mр, Vр,  – соответственно, массовая доля См (NaCl)  100  M(NaCl) (%), масса (кг), объем (м3), плотность (кг/м3) взятого раствора NaCl; М(NaCl) – молярная масса, кг/моль. 10  1,07  103 См (NaCl)  =1,83  103 моль/м3; 3 100  58,5 10 V NaCl  С м (NaCl)  8 10  4 1,83 103  135,6 моль/м 3 (NaCl)  , Ск 2 2 1,0  10  0,08  10  V в V NaCl где VВ – объем сточных вод, м3; VNaCl – объем раствора NaCl, м3. 1) Если электрический заряд коллоидных частиц положительный, ионами–коагуляторами являются ионы SO24 (z = 2). Порог коагуляции сточных вод по Fe2(SO4)3 рассчитываем, используя закономерность Дерягина-Ландау: С к (Cl ) 135,6 2 6  2,12 моль/м3 . С к (SO4 )  6 2 2 В молекуле Fe2(SO4)3 содержится 3 иона–коагулятора SO24 , тогда Cк (SO24 - ) 2,12 Ск (Fe2 (SO4 )3 )    0,706 моль/м3 . 3 3 Рассчитаем массу (кг) Fe2(SO4)3, которая необходима для коагуляции 100 м3 сточных вод: m(Fe2(SO4)3) = Cк(Fe2(SO4)3)  VB  M(Fe2(SO4)3) = 0,706  100  0,352 = 24,85 кг. Определим объем 28 %-ного раствора Fe2(SO4)3, содержащий такую массу соли: m(Fe2 (SO4 ) 3 ) 100 24,85 100   5,73 10  2 м3 , V(Fe2(SO4)3)  ωρ 3 28 1,55 10 где ω ,  - массовая доля и плотность раствора Fe2(SO4)3. 2) Если электрический заряд коллоидных частиц отрицательный, то ионами-коагуляторами являются ионы Fe3+ (z = 3). Рассчитаем порог коагуляции сточных вод по Fe2(SO4)3, используя закономерность Дерягина-Ландау: Cк (Na  ) 135,6 3 Ск (Fe )    0,186 моль/м3. 36 36 108 В молекуле Fe2(SO4)3 содержится 2 иона–коагулятора Fe3+: C (Fe3  ) 0,186 Ск (Fe2 (SO4 )3 )  к   0,093 моль/м3 . 2 2 Рассчитаем массу Fe2(SO4)3, которая необходима для коагуляции 100 м3 сточных вод: m(Fe2(SO4)3) = 0,093  100  0,352 = 3,27 кг. Определим объем 28 %-ного раствора Fe2(SO4)3, содержащий такую массу: 3,27 100 V(Fe2(SO4)3)   7,54 10  3 м 3 . 28 1,55 103 Определение молярной массы ВМВ Пример 15. Определите молярную массу полистирола в кислоте при Т=291 К, используя данные осмометрического метода. ∆h – разность уровней в капиллярах, опущенных в растворитель, измеренных с помощью осмометра типа Хелфрица. Концентрация раствора С, кг/м3 1,455 2,48 3,91 4,85 6,00 Разность уровней ∆h∙102, м 0,45 0,80 1,32 1,67 2,14 Р е ш е н и е. Для определения молярной массы ВМВ осмометрическим методом необходимо знать величину осмотического давления π (см. рис. 8). Для растворов высокомолекулярных веществ величина осмотического давления не подчиняется закону Вант-Гоффа (см. рис. 5): нет линейной зависимости между осмотическим давлением и концентрацией. Это можно объяснить асимметрией больших молекул, их гибкостью, взаимодействием с молекулами растворителя. Поэтому для определения молярной массы М используют уравнение Галлера π CRT π RT  b С 2 или   bС, M С M где С – концентрация раствора ВМВ, кг/м3; b – константа, характеризующая отклонение от закона Вант-Гоффа; π/C – приведенное осмотическое давление. При бесконечном разбавлении раствора уравнение принимает вид  π  RT . lim     c 0 C M Предельное значение   при концентрации раствора, стремящейся к C нулю, находят методом графической экстраполяции. Величины ∆h переводим в осмотическое давление π (Па), умножив на переводной коэффициент 9,8·103 (давление водяного столба высотой 1 м равно 9,806 Па). Поделив каждое значение π на соответствующую концентрацию, получаем приведенные осмотические давления π/C. π 109 C, кг/м3 π, Па π/C 1,455 44,10 30,30 2,48 78,40 31,61 3,91 129,36 33,08 4,85 163,36 33,74 6,00 209,72 34,95 Строим график в координатах π/C – C (рис. 25). Экстраполируем полученную зависимость на С = 0. Отсекаемый на оси ординат RT . M RT 8,314  291 M   84,3 кг/моль = 84 300 г/моль.  28,7 отрезок K (рис. 25) равен Полученная молярная масса полистирола в ксилоле соответствует молярным массам высокомолекулярных веществ.  /с, Н·м / кг К=28,7 С, кг/м3 Рис. 25. Зависимость π /С от концентрации ЗАДАЧА 1. Характеристика дисперсных систем Дана дисперсная система с массой дисперсной фазы m, плотностью дисперсной фазы , с частицами дисперсной фазы определенной формы и размера: r – радиус шара, l – длина ребра куба (варианты заданий приведены в табл. 26). 1. Рассчитайте дисперсность системы и удельную поверхность Sуд. 2. Определите тип системы по всем классификационным признакам. 3. Рассчитайте параметры частицы дисперсной фазы: объем V0, поверхность S0, массу m0. 4. Рассчитайте общую поверхность всех частиц S и число частиц N в дисперсной системе. 110 5. Укажите, какие молекулярно-кинетические, оптические и электрокинетические свойства характерны для данной дисперсной системы. Т а б л и ц а 26 Варианты заданий к задаче 1 Вариант Дисперсная фаза 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Сера Платина Пыль угольная Бензол Ртуть Пыль мучная Платина Серебро Вода Сера Ртуть Золото Масло растительное Ртуть Пудра сахарная Толуол Серебро Камфара Пыль угольная Золото 14 15 16 17 18 19 20 Дисперсионная среда Форма частиц r(l), м 10-3, кг/м3 m, кг Вода Вода Воздух Вода Вода Воздух Вода Вода Воздух Вода Воздух Вода Вода Куб Куб Шар Шар Шар Шар Куб Куб Шар Куб Шар Куб Шар 2  10 -8 4  10 -8 8  10 -5 8  10 -7 6  10 -8 5  10 –5 9  10 –9 4  10 -8 2  10 -7 1  10 –7 2  10 –7 4  10 –9 4  10 –6 2,07 21,4 1,8 0,86 13,55 0,82 21,4 10,5 0,997 2,07 13,55 19,3 0,92 1 2 10 5 4 8 6 0,1 5 3 0,5 1 4 Вода Воздух Вода Вода Вода Воздух Вода Шар Шар Шар Куб Шар Куб Шар 8  10 -8 6  10 –5 2  10 –6 5  10 -8 1  10 –6 6  10 –5 8  10 -9 13,55 0,85 0,87 10,5 0,99 1,8 19,3 2 5 0,8 7 1 8 2 ЗАДАЧА 2. Получение золей и их коагуляция Коллоидный раствор (золь) АД получен при смешивании V1 мл водного раствора АС с молярной концентрацией С1 и V2 мл водного раствора ВД с молярной концентрацией С2 (варианты заданий приведены в табл. 27). 1. Напишите уравнение реакции и определите, какой из продуктов реакции образует золь. 2. Рассчитайте, какое из исходных веществ – АС или ВД – взято в избытке. 3. Напишите формулу мицеллы образовавшегося золя АД и укажите заряд коллоидной частицы (гранулы). 4. Предложите методы определения заряда коллоидной частицы (гранулы). 5. Для данных электролитов: K2SO4, NaNO3, Na3PO4, MgCl2, CdSO4, Al2(SO4)3. 5.1. Определите, какой из ионов электролита будет вызывать коагуляцию, и расположите ионы в ряд в порядке уменьшения порога коагуляции. 5.2. Рассчитайте пороги коагуляции Ск в золе АД для каждого из предложенных электролитов, используя правило Шульца-Гарди или закономерность 111 Дерягина-Ландау, если порог коагуляции гидрозоля АД под действием электролита KNO3 равен Ск (табл. 27). 5.3. Выберите наиболее экономичный электролит–коагулятор и рассчитайте расход данного электролита (массу в кг) на очистку 1000 м3 сточных вод от золя АД. 5.4. Предложите другие методы очистки сточных вод от коллоидных примесей вещества АД. 5.5. Выберите показатели качества воды (физические: запах, вкус, цветность, прозрачность, мутность, плотность; химические: электрическая проводимость, солесодержание, рН, окисляемость, жесткость и др.), которые можно использовать для контроля эффективности очистки воды от коллоидных примесей вещества АД методом коагулирования. Т а б л и ц а 27 Варианты заданий к задаче 2 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 АД Fe(OH)3 H2SiO3 BaSO4 PbI2 ZnS Hg2SO4 Be(OH)2 Ag2CrO4 Cr(OH)3 CdS PbSO4 BaF2 Ag2C2O4 NiS Mg(OH)2 HgI2 Fe3[Fe(CN)6]2 Bi(OH)3 Ag4[Fe(CN)6] Ag2SiO3 АС V1, мл FeCl3 HCl BaCl2 Pb(NO3)2 (NH4)2S H2SO4 BeCl2 K2CrO4 CrCl3 CdCl2 Pb(NO3)2 NaF AgNO3 Na2S NaOH Hg(NO3)2 FeSO4 NaOH AgNO3 Na2SiO3 10 8 12 10 3 9 15 7 10 11 5 9 11 8 12 5 6 7 10 15 С1 , моль л 0,01 0,06 0,03 0,01 0,05 0,02 0,01 0,03 0,01 0,01 0,04 0,02 0,01 0,02 0,02 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 ВД V2, мл KOH Na2SiO3 K2SO4 KI ZnCl2 Hg2(NO3)2 NH4OH AgNO3 NH4OH H2S H2SO4 BaCl2 (NH4)2C2O4 NiSO4 MgCl2 KI K3[Fe(CN)6] Bi(NO3)3 K4[Fe(CN)6] AgNO3 15 12 7 12 10 12 10 8 16 5 6 8 5 10 5 10 12 9 6 7 С2 , моль л 0,010 0,015 0,06 0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,02 0,03 0,02 0,03 0,01 0,03 0,03 0,02 0,01 0,03 0,03 Ск , моль л 4,010-2 9,210-3 2,010-2 2,810-2 4,510-2 9,810-3 4,810-2 4,910-2 5,010-2 2,510-2 3,910-2 5,710-2 4,710-2 4,910-2 3,210-2 8,910-3 1,010-2 1,910-2 3,410-2 1,510-2 ЗАДАЧА 3. Получение золей При растворении вещества в воде происходит гидролиз (варианты заданий приведены в табл. 28), который при образовании раствора углубляется и приводит к образованию золя (иногда для этого требуется еще и нагревание). Напишите формулы всех возможных мицелл и укажите знак электрического заряда коллоидных частиц, если процесс гидролиза идет по предложен- 112 ной схеме (табл. 28), учитывая, что в растворе могут находиться другие заряженные частицы. Т а б л и ц а 28 Варианты заданий к задаче 3 ВариСхема гидролиза ант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 FeCl3+H2O  FeO+ + 2H+ + 3Cl-  Fe(OH)3↓ + 3HCl BeCl3 + H2O  BiOCl↓ + 2HCl Al(CH3COO)3 + 3H2O  Al(OH)3↓ + 3CH3COOH Na3CrO3 + 3H2O  Cr(OH)3↓ + 3NaOH Zn(CH3COO)2 + 2H2O  Zn(OH)2↓ + 2CH3COOH Cu(CH3COO)2 + 2H2O  Cu(OH)2↓ + 2CH3COOH Bi(NO3)3 + H2O  BiONO3↓ + 2HNO3 SbCl3 + H2O  SbOCl↓ + 2HCl NaSbO2 + H2O  HSbO2↓ + NaOH SbCl5 + 2H2O  SbO2Cl↓ + 4HCl Sn(CH3COO)2 + 2H2O  Sn(OH)2↓ + 2CH3COOH Na2SnO3 + 2H2O  H2SnO3↓ + 2NaOH TiCl4 + 3H2O  TiO(OH)2↓ + 4HCl NaCrO2 + 2H2O  Cr(OH)3↓ + NaOH MgCl2 + 2H2O  Mg(OH)2↓ + 2HCl Cd(NO3)2 + 2H2O  Cd(OH)2↓ + 2HNO3 MnCl3 + H2O  MnOCl↓ + 2HCl Cu(NO3)2 + 2H2O  Cu(OH)2↓ + 2HNO3 ZnSO4 + 2H2O  Zn(OH)2↓ + H2 SO4 NiCl2 + 2H2O  Ni(OH)2↓ + 2HCl ЗАДАЧА 4. Молекулярно-кинетические и оптические свойства дисперсных систем Вариант 1 Среднеквадратичное значение проекции сдвига частицы гидрозоля SiO 2 за 3 с составляет 8 мкм. Определите радиус частицы, если вязкость дисперсионной среды равна 110-3 Пас при 293 К. Вариант 2 Определите диаметр частиц аэрозоля, используя результат исследования методом поточной ультрамикроскопии: в объеме 2,210-2 мм3 подсчитано 87 частиц аэрозоля (дыма мартеновской печи). Концентрация аэрозоля 110-4 кг/м3, плотность дисперсной фазы 2 г/см3, форма частиц сферическая. Вариант 3 Удельная поверхность сферических частиц гидрозоля кремнезема составляет 1,1104 м-1. Вязкость дисперсионной среды 1103 Пас, температура 293 К. Определите проекцию среднего сдвига частиц золя за время 4 с. 113 Вариант 4 Используя уравнение Рэлея, сравните интенсивности света, рассеянного эмульсиями с равными радиусами частиц и концентрациями: бензола (n1 = 1,501) в воде и н-пентана (n1 = 1,357) в воде. Показатель преломления воды n0 = 1,333. Вариант 5 По данным Сведберга коэффициент диффузии коллоидных частиц золота в воде при 298 К равен 2,710-7м2/сут. Определите дисперсность частиц гидрозоля золота. Вязкость воды при 298 К равна 8,8410-4 Пас. Вариант 6 Покажите, в каком случае и во сколько раз интенсивность рассеянного дисперсной системой света больше: при освещении синим светом (1 = 410 нм) или красным светом (2 = 630 нм). Светорассеяние происходит в соответствии с уравнением Рэлея, и интенсивности падающих монохроматических пучков света равны. Вариант 7 Определите частичную концентрацию золя Al2O3 исходя из следующих данных: массовая концентрация 0,3 г/л, коэффициент диффузии сферических частиц золя 210-6 м2/сут, плотность Al2O3 4 г/см3, вязкость среды 110-3 Паc, температура 293 К. Вариант 8 Осмотическое давление гидрозоля золота (форма частиц сферическая) с концентрацией 2 г/л при 293 К равно 3,74 Па. Рассчитайте коэффициент диффузии частиц гидрозоля при тех же условиях, если плотность золота 19,3 г/см3, а вязкость дисперсионной среды 110-3 Паc. Вариант 9 Два пучка монохроматического света равной начальной интенсивности с 1 = 440 нм (синий свет) и с 2 = 630 нм (красный свет) проходят через эмульсию бензола в воде. Рассчитайте отношение интенсивностей прошедшего света, если толщина слоя эмульсии равна 5 см. Содержание дисперсной фазы 0,1 % (об), средний радиус частиц эмульсии 40 нм, показатели преломления бензола и воды равны соответственно n1 = 1,501 и n0 = 1,333. При расчете принять, что ослабление света происходит только в результате светорассеяния и показатели преломления не зависят от длины волны света. Вариант 10 Рассчитайте отношение осмотических давлений двух гидрозолей (форма частиц сферическая) при условиях: 1) одинаковая массовая концентрация, но различ- 114 ная дисперсность частиц 1 = 40 мкм-1 и 2 = 20 мкм-1 ; 2) одинаковая дисперсность, но различная массовая концентрация С1 = 7 г/л и С2 = 3,5 г/л. Вариант 11 Используя закономерности светорассеяния в соответствии с теорией Рэлея и ослабление светового потока в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера, рассчитайте радиус частиц дивинилстирольного латекса, если концентрация латекса 0,2 г/л, длина волны падающего света  равна 400 нм, оптическая плотность А равна 0,347 в кювете длиной 5,01 см. Показатель преломления воды равен 1,333, плотность и показатель преломления дисперсной фазы равны 0,945 г/см3 и 1,653. Вариант 12 Рассчитайте радиус частиц диоксида кремния, если известно, что время их оседания на расстояние h=1 см равно: а) 30 с; б) 60 мин. Плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды равны соответственно 2,7 и 1,1 г/см 3, вязкость дисперсионной среды 1,510-3 Паc. Вариант 13 Удельная поверхность сферических частиц гидрозоля диоксида кремния составляет: 2,1105 м2/кг, плотность диоксида кремния 2,7 г/см3, вязкость дисперсионной среды 110-3 Паc, температура 293 К. Определите проекцию среднего сдвига частиц золя за время 6 с. Вариант 14 Рассчитайте время, за которое сферические частицы стекла в воде оседают на расстояние h = 1 см, если дисперсность частиц составляет: а) 0,1 мкм-1; б) 1 мкм-1. Плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды равны соответственно 2,4 и 1,0 г/см3. Вязкость дисперсионной среды 110-3 Паc. Вариант 15 Используя закономерности светорассеяния в соответствии с теорией Рэлея и ослабление светового потока в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера, рассчитайте радиус частиц дивинилстирольного латекса, если концентрация латекса 0,4 г/л, длина волны падающего света  равна 540 нм, оптическая плотность А равна 0,203 в кювете длиной 4,01 см. Плотность и показатель преломления дисперсной фазы равны 0,945 г/см3 и 1,653, показатель преломления воды 1,333. Вариант 16 Определите радиус частиц суспензии гуммигута в воде, если среднеквадратич ный сдвиг  равен 7,09 мкм за время 30 с, температура опыта 290 К, вязкость среды 1,110-3 Пас. 115 Вариант 17 Для гидрозоля Al2O3 рассчитайте высоту, на которой концентрация частиц уменьшается в 2,7 раза. Форма частиц сферическая, удельная поверхность дисперсной фазы гидрозоля 109 м-1. Плотность Al2O3 равна 4 г/см3, плотность дисперсионной среды 1 г/см3, температура 293 К. Вариант 18 Рассчитайте, за какое время сферические частицы Al2O3, распределенные в среде с вязкостью 1,510-3 Пас, оседают на высоту 1 см, если удельная поверхность частиц составляет 104 м-1. Плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды равны соответственно 4 и 1 г/см3. Вариант 19 Свет с длиной волны 540 нм и начальной интенсивностью I 0 проходит через слой эмульсии тетралина в воде толщиной 5 см. Рассчитайте долю прошедшего света Iп/I0, если радиус частиц эмульсии 10 нм. Содержание дисперсной фазы 0,05 % (об), показатели преломления тетралина и воды n1 = 1,540, n0 = 1,333. Вариант 20 Определите радиус частиц суспензии коалина в воде, если среднеквадратичный  сдвиг  равен 12 мкм за время 120 с. Температура опыта 293 К, вязкость среды 1,110-3 Пас. ЗАДАЧА 5. Электрокинетические свойства дисперсных систем Вариант 1 Рассчитайте электрофоретическую скорость передвижения частиц золя трисульфида мышьяка по следующим данным: электрокинетический потенциал частиц 42,3 мВ, расстояние между электродами 0,4 м, внешняя разность потенциалов 149 В, вязкость среды 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость 80,1. Вариант 2 Рассчитайте электрокинетический потенциал поверхности частиц бентонитовой глины по результатам электрофореза при следующих условиях: расстояние между электродами 25 см, напряжение 100 В, за 15 мин частицы перемещаются на 6 мм к аноду, относительная диэлектрическая проницаемость среды 78,2 при 298 К, вязкость 8,8410-4 Пас. Вариант 3 Рассчитайте электрофоретическую скорость частиц золя сульфида мышьяка, если электрокинетический потенциал частиц равен 89,5 мВ, внешняя разность 116 потенциалов между электродами 240 В, расстояние между электродами 0,2 м, вязкость среды 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость 80,1. Вариант 4 Рассчитайте электрокинетический потенциал поверхности кварца по данным, полученным при исследовании электроосмотического переноса жидкости через кварцевую мембрану: сила тока 210-3 А, объемная скорость раствора KCl, переносимого через мембрану, 0,02 мл/с, удельная электрическая проводимость раствора 1,210-2 Смм-1, вязкость раствора 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость 80,1. Вариант 5 Частицы аэросила SiO2 в водной среде при рН=6,2 имеют электрокинетический потенциал, равный -34,710-3 В. На какое расстояние и к какому электроду сместятся частицы за 30 мин, если напряжение в приборе для электрофореза 110 В, расстояние между электродами 25 см, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1, вязкость 110-3 Пас. Вариант 6 Рассчитайте электрокинетический потенциал на границе раздела фаз кварцводный раствор KCl по следующим данным электроосмоса: сила тока 210-3 А, время переноса 0,01 мл раствора 110 с, удельная электрическая проводимость раствора 610-2 Смм-1, вязкость 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1. Вариант 7 Рассчитайте электрокинетический потенциал частиц кварцевого стекла, если скорость передвижения этих частиц в водном растворе NaCl равна 2,2 мкм/с при постоянной напряженности электрического поля 100 В/м. Вязкость раствора 1,1410-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость 82, температура 288 К. Вариант 8. Рассчитайте электрокинетический потенциал по экспериментальным данным электрофореза золя гидроксида кремния в растворе Cd(NO3)2, если электрофоретическая подвижность Vэф равна 1910-9 м2/(сВ). Относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1, вязкость 110-3 Пас, дисперсная фаза перемещается к аноду. Вариант 9 Рассчитайте электрокинетический потенциал частиц корунда в водном растворе KCl по следующим данным: скорость электроосмоса через корундовую мембрану 0,02 мл/с , удельная электрическая проводимость раствора 1,210-2 Смм-1, 117 вязкость раствора 110-3 Пас, сила тока при осмосе 1,510-2 А, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1. Вариант 10 Рассчитайте электрокинетический потенциал частиц золя Fe(OH)3 по данным электрофореза: разность потенциалов 170 В, расстояние между электродами 0,45 м, смещение границы золя к катоду составило 12 мм за 30 мин. При температуре опыта, равной 298 К, вязкость дисперсионной (водной) среды 8,9410-4 Пас и относительная диэлектрическая проницаемость среды 78,2. Вариант 11 Рассчитайте электрофоретическую скорость частиц глины, если электрокинетический потенциал частиц 48,8 мВ, разность потенциалов между электродами равна 220 В, а расстояние между ними 44 см, вязкость среды 110-3 Пас и относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1. Вариант 12 Рассчитайте напряженность электрического поля (градиент потенциала), если электрокинетический потенциал частиц золя гидроксида железа равен 52,5 мВ, электрофоретическая скорость частиц 3,7410-4 см/с, вязкость среды 1,00510-3 Пас, а относительная диэлектрическая проницаемость 80,1. Вариант 13 Определите электрокинетический потенциал на границе раздела фаз керамический фильтр – водный раствор KCl, если при протекании раствора скорость электроосмоса 0,03 мл/с, удельная электрическая проводимость среды 1,310-2 Смм-1, сила тока при осмосе 210-2 А, вязкость среды 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость 80,1. Вариант 14 Рассчитайте электрофоретическую скорость частиц золя золота, если напряженность электрического поля 1000 В/м, а электрокинетический потенциал составляет 58 мВ. Вязкость среды 1,1410-3 Пас, а относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1. Вариант 15 Определите электрокинетический потенциал частиц золя сульфида мышьяка, если при измерении электрофоретической скорости частиц разность потенциалов равна 240 В, расстояние между электродами 30 см, перемещение частиц за 10 мин 14,36 мм, вязкость среды 1,00510-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1. 118 Вариант 16 Рассчитайте величину электрокинетического потенциала на границе кварцевое стекло – водный раствор KCl. Процесс электроосмоса характеризовался следующими данными: сила тока 410-4 А, время перемещения 110-8 м3 раствора составило 12,4 с, удельная электрическая проводимость среды 1,810-2 Смм-1, вязкость среды 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1. Вариант 17 Определите электрокинетический потенциал частиц золя гидроксида железа, если электрофорез происходил при следующих условиях: напряженность электрического поля 500 В/м, перемещение частиц за 10 мин на 12 мм, вязкость среды 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1. Вариант 18 Рассчитайте скорость электрофореза коллоидных частиц берлинской лазури в воде, если электрокинетический потенциал составляет 58 мВ, напряженность электрического поля 510-2 В/м, вязкость среды 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1. Вариант 19 Определите, при какой силе тока в процессе электроосмотического движения водного раствора KCl через мембрану из полистирола его объемная скорость будет равна 5,510-10 м3/с. Удельная электрическая проводимость среды 910-2 Смм-1, вязкость среды 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1. Величина электрокинетического потенциала равна 10 мВ. Вариант 20 Рассчитайте электрокинетический потенциал частиц суспензии, если электрофоретическая скорость частиц равна 1,9910-6 м/с. Напряженность электрического поля составляет 0,57 В/см, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1, вязкость среды 110-3 Пас. ЗАДАЧА 6. Коагуляция дисперсных систем. Очистка природных и сточных вод методом коагулирования Вариант 1 Перед подачей речной воды в цеха завода ее осветляют: вводят в нее электролит–коагулятор и образовавшийся ил отстаивают в специальных отстойниках. Рассчитайте расход Al2(SO4)3 (кг/сут), если расход воды на предприятии 100 000 м3/сут, а порог коагуляции по NaCl равен 288 моль/м3. Считать знак электрических зарядов коллоидных частиц отрицательным. 119 Вариант 2 Отработанные растворы производства фотоматериалов содержат коллоидное серебро в виде галогенидов. Рассчитайте расход Al2(SO4)3 в кг на 100 м3 сточных вод, предполагая, что знак электрических зарядов коллоидных частиц положительный. Пороги коагуляции (ммоль/дм3) для одновалентных ионов 142; для двухвалентных 2,43; для трехвалентных 0,068. Вариант 3 Рассчитайте расход 26 % раствора Al2(SO4)3 в м3 ( = 1 300 кг/м3) на подготовку 1 000 м3 сточных вод к очистке от коллоидных частиц, если знак их электрических зарядов отрицательный. Порог коагуляции рассматриваемого золя по отношению к NaCl равен 235 моль/м3. Вариант 4 Производственные сточные воды содержат коллоидное серебро в виде галогенидов. Рассчитайте расход Al2(SO4)3 на очистку 500 м3 сточных вод, предполагая, что знак электрических зарядов коллоидных частиц отрицательный. Пороги коагуляции (моль/м3) для одновалентных ионов 142; для двухвалентных 2,43; для трехвалентных 0,068. Вариант 5 Речная вода содержит коллоидные частицы органических примесей. Для использования ее в целях завода предварительно проводят коагуляцию, а затем отстаивают в специальных отстойниках для удаления ила. Рассчитайте расход NaCl (кг в сутки), если расход воды на предприятии 300 000 м 3/сут, а порог коагуляции по NaCl – 52 моль/м3. Вариант 6 Для коагуляции 1010-6 м3 золя AgI с отрицательным зарядом частиц требуется 0,4510-6 м3 раствора Ba(NO3)2. Концентрация электролита равна 0,05 кмоль/м3. Найдите порог коагуляции золя под действием Ba(NO3)2. Вариант 7 Для осветления речной воды перед подачей ее в цеха завода используют специальные электролиты–коагуляторы. Рассчитайте расход Na2SO4 и NaCl кг/сут для каждого электролита отдельно, если расход воды на заводе составляет 250 000 м2/сут, а порог коагуляции по NaCl – 52 моль/м3, а по Na2SO4 – 0,68 моль/м3. Укажите знак электрических зарядов взвешенных частиц в речной воде. Вариант 8 Рассчитайте, какой объем (см3) раствора электролита 0,01 М K2Cr2O7 нужно добавить к 10 л золя гидроксида алюминия, чтобы вызвать его коагуляцию. Порог коагуляции по данному электролиту 0,63 ммоль/л. 120 Вариант 9 Сточные воды производства фотоматериалов содержат коллоидное серебро в виде иодида серебра. Рассчитайте расход Al2(SO4)3 (кг) на очистку 1000 м3 сточных вод, предполагая, что знак электрических зарядов коллоидных частиц положительный. Пороги коагуляции (моль/м3) для одновалентных ионов 140; для двухвалентных 1,98; для трехвалентных 0,052. Вариант 10 В три колбы налито 50 см3 золя Fe(OH)3. Чтобы вызвать коагуляцию золя, потребовалось добавить в первую колбу 5,30 см3 1 М KCl, в другую 31,5 см3 0,01 М Na2SO4, в третью 18,7 см3 0,001 М Na3PO4. Вычислите пороги коагуляции каждого электролита и определите знак заряда частиц золя. Вариант 11 Рассчитайте, какой объем (м3) раствора 0,01 М Al2(SO4)3 требуется для коагуляции 10 м3 золя As2S3. Порог коагуляции равен 9610-6 кмоль/м3. Вариант 12 Для очистки сточных вод от коллоидного серебра в виде иодидов используют хлорид железа (II). Рассчитайте расход на 500 м3 сточных вод, предполагая, что знак электрических зарядов коллоидных частиц отрицательный. Пороги коагуляции (моль/м3) для одновалентных ионов 120; для двухвалентных 1,92; для трехвалентных 0,052. Вариант 13 К 5 см3 золя Fe(OH)3 для начала явной коагуляции необходимо добавить один из следующих растворов: 4 см3 1М KCl; 0,5 см3 0,01М K2SO4; 3,9 см3 0,0005 М K4[Fe(CN)6]. Вычислите пороги коагуляции для этих электролитов. Определите, во сколько раз коагулирующая способность K4[Fe(CN)6] выше, чем у K2SO4 и KCl. Вариант 14 Для очистки природной воды, используемой в гальваническом производстве, в нее вводят электролит–коагулятор и образовавшийся ил отстаивают в специальных отстойниках. Рассчитайте расход Al2(SO4)3 и NaCl (каждого в отдельности), если расход воды на предприятии составляет 200 000 м 3/сут, а пороги коагуляции равны: по NaCl – 52 моль/м3, по Al2(SO4)3 – 0,23 моль/м3. Укажите знак электрических зарядов взвешенных частиц в природной воде. Вариант 15 Сточная вода содержит коллоидные частицы Al2S3. Порог коагуляции этого золя по NaCl равен 50,4 моль/м3. Рассчитайте объем 30 % раствора CaCl2 ( = 1280 кг/м3), необходимый, чтобы вызвать коагуляцию в 100 м3 указанного золя, если знак коллоидных частиц положительный. 121 Вариант 16 Рассчитайте расход 26 % раствора Al2(SO4)3 в м3 ( = 1 300 кг/м3) на подготовку 1 000 м3 сточных вод, если знак электрических зарядов коллоидных частиц положительный. Пороги коагуляции для одновалентных ионов 127 моль/м 3, для двухвалентных 1,85 моль/м3, для трехвалентных 0,042 моль/м3. Вариант 17 В пробе сточных вод объемом 5,010-2 м3 после добавления к ней 2,310-3 м3 26 %-ного раствора NaCl ( = 1200 кг/м3) появляются хлопья. Определите порог коагуляции рассматриваемого золя по отношению к NaCl. Вариант 18 Для осветления технической воды в нее вводят электролит-коагулятор и образовавшийся ил отстаивают в специальных отстойниках. Рассчитайте расход Al2(SO4)3 и FeSO4 (кг/сут), если знак коллоидных частиц отрицательный, отработанная техническая вода составляет 250 000 м3/сут, порог коагуляции для двухвалентных ионов равен 0,68 моль/м3, для трехвалентных 0,012 моль/м3. Вариант 19 В сточных водах содержится золь гидроксида алюминия. Рассчитайте порог коагуляции этого золя по NH4Cl, если на коагуляцию частиц из 30 м3 этого золя расходуется 0,33 м3 20 %-ного раствора NH4Cl ( = 1 060 кг/м3). Вариант 20 Рассчитайте расход 30 %-ного раствора Al2(SO4)3 в м3 ( = 1 320 кг/м3) на подготовку 10 000 м3 сточных вод, если знак заряда коллоидных частиц, содержащихся в этих сточных водах, является отрицательным. Пороги коагуляции для одновалентных ионов 135 моль/м3, для двухвалентных 1,89 моль/м3, для трехвалентных 0,038 моль/м3. ЗАДАЧА 7. Изучение кинетики набухания ВМВ 1. Постройте кривую кинетики набухания ВМВ в координатах степень набухания α (доля поглощенного растворителя Q) от времени. Варианты заданий приведены в табл. 29. Сделайте вывод о типе процесса набухания. 2. Постройте график в координатах ln (α∞ / α∞ – α) – t или ln (Q∞ / Q∞ – Q) – t, где α∞ (Q∞) соответствуют предельному набуханию. Определите константу скорости набухания графическим методом, приняв, что процесс набухания подчиняется кинетическому уравнению реакции I порядка. 122 Т а б л и ц а 29 Варианты заданий к задаче 7 Вариант 1 2 Т, К 298 298 ВМВ Каучук Агар-агар Растворитель CCl4 Вода+изопропиловый спирт 3 298 Вулканизированный каучук Бутанол 4 298 Поли – ε – капроамид Этанол 5 298 Натуральный каучук Этанол 123 t, мин α, % Q, % 5 30 90 150 210 240 270 300 60 120 180 240 300 600 60 120 180 240 300 600 6 30 90 150 210 270 330 1 4 8 12 20 28 32 40 48 33 115 233 291 325 341 358 358 – – 212 284 316 330 336 336 134 188 216 224 240 240 33 115 233 291 325 358 358 – – – 9,0 34,0 56,0 71,0 87,5 94,0 99,5 100,0 100,0 Вариант Т, К ВМВ П р о д о л ж е н и е т а б л. 29 Растворитель t, мин α, % Q, % 6 298 Агар-агар Изопропанол 7 295 Каучук Ацетон 8 298 Агар-агар Вода+амиловый спирт 9 293 Этилцеллюлоза Толуол 10 298 Каучук Диметилформамид 11 295 Целлюлоза Этанол 124 60 120 180 240 300 600 10 20 30 40 50 70 100 130 60 120 240 300 600 10 20 40 70 100 100 10 20 40 70 100 150 1 4 8 20 32 40 48 168 232 256 268 280 280 44 61 69 78 84 90 94 94 – 25,0 37,0 56,0 56,8 73,0 73,0 14,5 23,6 36,2 45,7 52,0 52,0 9,0 34,0 56,0 87,5 99,5 100,0 100,0 – – 168 232 268 280 280 – – – Вариант Т, К ВМВ П р о д о л ж е н и е т а б л. 29 Растворитель t, мин α, % Q, % 12 288 Каучук Дибутилфтолат 13 298 Агар-агар Вода+бутанол 14 298 Каучук Дибутилфтолат 15 293 Агар-агар Вода 16 308 Каучук Дибутилфтолат 125 10 20 30 40 50 70 100 130 60 120 180 240 300 600 10 20 30 40 50 70 100 130 60 120 180 300 600 10 20 30 40 50 70 100 130 – – – – – 14,5 23,6 31,4 36,2 40,6 45,7 52,0 52,0 134 188 216 224 240 240 25,0 37,0 45,0 56,0 60,0 66,8 73,0 73,0 212 284 316 336 336 44 61 69 78 84 90 94 94 Вариант Т, К ВМВ Растворитель 17 373 Каучук СКС-30 АРК Мазут 18 373 Вулканизированный каучук Веретенное масло 19 373 Натуральный каучук Вазелиновое масло Вулканизированный каучук Бензин 20 293 О к о н ч а н и е т а б л. 29 t, мин α, % Q, % 50 100 200 400 600 800 50 100 200 400 600 900 50 100 200 400 600 2 4 8 12 16 22 24 79,98 146,04 230,00 317,10 369,19 369,19 135 215 320 430 443 443 370 490 585 Гель Раствор 5,55 9,80 19,33 25,79 28,25 30,00 30,00 – – – – ЗАДАЧА 8. Определение молярной массы ВМВ Определите молярную массу ВМВ в соответствующем растворителе, используя данные осмометрического или вискозиметрического метода. Вариант 1 Осмометрия. Т = 289,5 К. Этилцеллюлоза в анилине. Концентрация раствора С, кг/м3 Осмотическое давление , Па 2 92,4 126 4 187,0 6 287,0 10 496,0 Вариант 2 Вискозиметрия. Т = 298 К. Полистирол в толуоле. Константы: К = 1,6110-5,  = 0,70. Концентрация раствора С, кг/м3 Время истечения t, с 0 97,6 1,70 115,1 2,12 120,2 2,52 124,5 2,95 129,8 3,40 134,9 Вариант 3 Осмометрия. Т = 298 К. Поливинилхлорид в циклогексане. Примите π = ∆h∙9,806∙103 ( Н/м2), где π – осмотическое давление, ∆h – разность уровней в капиллярах, опущенных в раствор и растворитель. Концентрация раствора С, кг/м3 h102, м 1 0,32 3 0,99 5 1,70 7 2,46 10 3,70 Вариант 4 Вискозиметрия. Т = 298 К. Полиметилметакрилат в бензоле. Константы: К = 4,710-5,  = 0,77. Концентрация раствора С, кг/м3 Приведенная вязкость уд/С 1,0 0,408 1,2 0,416 1,4 0,430 1,6 0,434 1,8 0,442 2,0 0,452 Вариант 5 Осмометрия. Т = 293 К. Полистирол в толуоле. Примите  = h9,806103 (Н/м2), где  - осмотическое давление, h - разность уровней в капиллярах, опущенных в раствор и растворитель. Концентрация раствора С, кг/м3 h102, м 2,91 0,95 4,96 1,67 7,82 2,78 9,69 3,51 12,0 4,50 2,0 0,109 2,5 0,117 Вариант 6 Вискозиметрия. Т = 298 К. Нейлон в муравьиной кислоте. Константы: К = 1110-5,  = 0,72. Концентрация раствора С, кг/м3 Приведенная вязкость уд/С 0,5 0,09 1,0 0,096 1,5 0,104 Вариант 7 Осмометрия. Т = 298 К. Полистирол в бензоле. Примите  = h9,80610-3 (Па), где  – осмотическое давление, h – разность уровней в капиллярах, опущенных в раствор и растворитель. Концентрация раствора С, кг/м3 h102, м 1,0 0,32 127 3,0 0,99 5,0 1,70 7,0 2,46 10,0 3,70 Вариант 8 Вискозиметрия. Т = 298 К. Перхлорвиниловая смола в циклогексане. Константы: К = 6,310-5,  = 0,67. Концентрация раствора С, кг/м3 Удельная вязкость раствора уд 2,0 0,204 4,0 0,433 6,0 0,678 8,0 0,960 10,0 1,240 Вариант 9 Осмометрия. Т = 297,5 К. Этилцеллюлоза в анилине. Концентрация раствора С, кг/м3 Осмотическое давление , Па 2 98 4 199 6 305 10 528 5 0,84 7 1,3 5 0,530 7 0,615 6 310,0 10 536,0 5 0,310 7 0,355 Вариант 10 Вискозиметрия. Т = 298 К. Поливинилацетат в ацетоне. Константы: К = 4,210-5,  = 0,68. Концентрация раствора С, кг/м3 Удельная вязкость раствора уд 1 0,14 3 0,465 Вариант 11 Вискозиметрия. Т= 298 К. Поливинилацетат в хлороформе. Константы: К = 6,510-5,  = 0,71. Концентрация раствора С, кг/м3 Приведенная вязкость уд/С 1 0,385 3 0,465 Вариант 12 Осмометрия. Т = 313,8 К. Этилцеллюлоза в анилине. Концентрация раствора С, кг/м3 Осмотическое давление , Па 2 99,6 4 203,0 Вариант 13 Вискозиметрия. Т = 298 К. Поливинилацетат в бензоле. Константы: К = 5,710-5,  = 0,70. Концентрация раствора С, кг/м3 Приведенная вязкость уд/С 1 0,242 3 0,285 Вариант 14 Вискозиметрия. Т = 298 К. Этилцеллюлоза в анилине. Константы: К = 6,910-5,  = 0,72. 128 Концентрация раствора С, кг/м3 Удельная вязкость уд 1,0 0,24 1,75 0,525 2,5 0,875 3,25 0,135 4,0 0,184 Вариант 15 Вискозиметрия. Т = 298 К. Поливинилацетат в ацетоне. Константы: К = 5,510-5,  = 0,70. Концентрация раствора С, кг/м3 Приведенная вязкость уд/С 1 0,222 3 0,260 5 0,295 7 0,330 5 0,530 7 0,615 Вариант 16 Вискозиметрия. Т = 298 К. Полиакриловая кислота в бензоле. Константы: К = 6,510-5,  = 0,71. Концентрация раствора С, кг/м3 Приведенная вязкость уд/С 1 0,385 3 0,465 Вариант 17 Осмометрия. Т = 293 К. Бутадиеновый каучук в бензоле. Концентрация раствора С, кг/м3 Осмотическое давление , Па 1,206 8,4 2,898 31,9 5,108 81,6 7,684 169,4 9,912 267,3 12,28 401,0 Вариант 18 Вискозиметрия. Т = 298 К. Полистирол в толуоле. Константы: К = 1,6110-5,  = 0,70. Концентрация раствора С, кг/м3 Удельная вязкость раствора уд 1,70 0,184 2,12 0,231 2,52 0,276 2,95 0,330 3,40 0,382 Вариант 19 Осмометрия. Т = 313 К. Этилцеллюлоза в анилине. Концентрация р-ра С, кг/м3 Осмотическое давление , Па 1,10 49,4 2,79 140,6 4,91 250,9 6,89 365,4 10,06 536,0 13,38 739,6 Вариант 20 Вискозиметрия. Т = 298 К. Полибутадиен в толуоле. Константы: К = 2,1610-5,  = 0,64. Концентрация раствора С, кг/м3 Время истечения раствора t, с 0 171,5 1,41 216,1 129 1,94 234,0 2,59 257,3 3,24 282,6 3,89 308,1 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Воюцкий С. С. Курс коллоидной химии. -М.: Химия, 1976. - 574 с. 2. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. -М.: Химия, 1982. - 400 с. 3. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. -Л.: Химия, 1984. - 368 с. 4. Писаренко А. Б., Поспелова К. А., Яковлев А. Г. Курс коллоидной химии. -М.: Высшая школа, 1969. - 249 с. 5. Руцков А.Б. Краткий курс коллоидной химии. -Л.: Химическая литература, 1958. - 280 с. 6. Евстратова К. И., Купина Н. А., Малахова Е. Е. Физическая и коллоидная химия. -М.: Высшая школа, 1990. - 488 с. 7. Захарченко В. Н. Коллоидная химия. -М.: Высшая школа, 1974. - 216 с. 8. Пасынский А. Г. Коллоидная химия. -М.: Высшая школа, 1968. - 232 с. 9. Мушкамбаров Н. Н. Физическая и коллоидная химия. -М.: ГЭОТАР-МЕД, 2001. - 384 с. 10. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии / Под ред. В. Г. Фролова.-М.: Химия, 1986. - 215 с. 11. Путилова И. Н. Руководство к практическим занятиям по коллоидной химии. -М.: Высшая школа, 1961. - 342 с. 12. Практикум по коллоидной химии. / Под ред. И.С. Лаврова. -М.: Высшая школа, 1983. - 215 с. 13. Рыбакова Ю. С. Лабораторные работы по коллоидной химии. -М.: Высшая школа, 1989. - 112 с. 14. Дулицкая Р. А., Фельдман Р. И. Практикум по физической и коллоидной химии. -М.: Высшая школа, 1978. - 296 с. 15. Балезин С. А. Практикум по физической и коллоидной химии. -М.: Просвещение, 1980. - 272 с. 16. Цюрупа Н. Н. Практикум по коллоидной химии. -М.: Высшая школа, 1963. - 184 с. 17. Практикум по физической и коллоидной химии. / Под ред. К.И. Евстратовой. -М.: Высшая школа, 1990. - 255 с. 18. Товбин М. В., Рустамов Е. В. Лекционные демонстрации к курсу коллоидной химии. -Киев: Изд-во Киевского университета, 1967. - 146 с. 19. Галинкер В. С., Хоценовский О. И. Лекционные опыты и демонстрационные материалы по физической и коллоидной химии. -Киев: Изд-во Киевского унта, 1965. - 11 с. 20. Болдырев А. И. Демонстрационные опыты по физической и коллоидной химии. -М.: Высшая школа, 1976. - 256 с. 21. Иванова М. А., Кононова М. А. Химический демонстрационный эксперимент. -М.: Высшая школа, 1969. - 246 с. 22. Ахметов Б. В. Задачи и упражнения по физической и коллоидной химии. -Л.: Химия, 1989. - 240 с. 130 23. Шутова А. И. Задачник по коллоидной химии. -М.: Высшая школа, 1966. - 88 с. 24. Гамеева О. С. Сборник задач и упражнений по физической и коллоидной химии. -М.: Высшая школа, 1974. - 272 с. 25. Методические указания к лабораторным работам по коллоидной химии / Сост. В. И. Баранова, Н. М. Кожевникова, В. А. Маслов. -Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1976. - 46 с. 26. Сборник методических разработок практикума по коллоидной химии, ч. 2, 2-ое издание / Под общей ред. А. В. Перцова, Б. Я. Ямпольского. -М.: МГУ, 1973. - 81 с. 27. Лабораторные работы по химии. Дисперсные системы / Сост. Р. С. Вахидов. -УФА, издание УАИ, 1980. - 36 с. 28. Методические указания к лабораторным работам по коллоидной химии / Сост. В. И. Любушкин. -Новочеркасск: Новочеркасский политехнический институт, 1986. - 26 с. 29. Физико-химия дисперсных систем: Методические указания к лабораторным работам / Сост. Л. В. Сеничева. -Хабаровск: Хабар. политехн. ин-т, 1982. - 31 с. 30. Поверхностные явления и адсорбция: Методические указания к лабораторным работам / Сост. Л. В. Сеничева. -Хабаровск: Хабар. политехн. ин-т, 1982. - 25 с. 31. Немов В. А., Лисицкая Л. Г., Максимова М. В. Справочные материалы по общей химии. - Хабаровск: Изд-во ХОТКЗГМ, 1994. - 283 с. 32. Немов В. А., Немова В. В. Физическая и коллоидная химия. Учебнометодический комплекс для студентов заочного отделения фармфакультета ДВГМУ. -Хабаровск: ДВГМУ, 1999. - 91 с. 33. Немов В. А., Тюрина Е. Ф. Общая химия. Ч. 2. -Хабаровск: Изд-во ХОТКЗГМ, 1993. - 144 с. 34. Бабков А. В., Попков В. А., Пузаков С. А., Трофимова А. И. Практикум по общей химии. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. -М.: Высш. шк., 2001. - 237 с. 35.Сеничева Л. В., Яргаева В. А., Янковец Ж. Н. Поверхностные явления. Адсорбция. -Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 1999. - 108 с. 131 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Ответы на тестовые задания для самоконтроля 1. г); 2. д); 3. а); 4. г); 5. б); 6. д); 7. в); 8. б); 9. г); 10. г); 11. б); 12. б); 13. в); 14. б); 15. д); 16. б); 17. д); 18. а); 19. б); 20. а); 21. д); 22. д); 23. а); 24. б); 25. б); 26. г); 27. д); 28. в); 29. г); 30. а); 31. в); 32. а); 33. г); 34. в); 35. г); 36. а); 37. б); 38. в); 39. б); 40. в); 41. г); 42. б); 43. д); 44. б); 45. г); 46. г); 47. д); 48. д); 49. в); 50. б); 51. в); 52. в); 53. г); 54. б); 55. а); 56. б); 57. д); 58. д); 59. в); 60. б); 61. г); 62. а); 63. а); 64. г); 65. д). 2. Список обозначений величин и сокращений A – константа Ван-дер-Ваальса; оптическая плотность; коэффициент светорассеяния; B – множитель, зависящий от электрических потенциалов ДЭС; коэффициент в уравнении Рэлея, зависящий от показателей преломления фазы и среды; C – концентрация; константа асимметрии; емкость ДЭС; Cк – порог коагуляции электролита; 1/C к - коагулирующая сила электролита; Скр – критическая концентрация структурообразования; D – коэффициент диффузии; дисперсность; Fg – сила тяжести; E – напряженность электрического поля; модуль сдвига; Eп.т – потенциал течения; Eп.с – потенциал седиментации; G – энергия Гиббса; Gs – свободная поверхностная энергия; H – энтальпия; I – сила тока; I0 – интенсивность падающего света; Iп – интенсивность прошедшего света; Ip – интенсивность рассеянного света; K – константа в уравнении Штаудингера; M – молярная масса; N – число частиц; Q – доля поглощенного растворителя; P – давление; напряжение сдвига; P0 – начальное напряжение сдвига; Рн – давление набухания; Pп – предел прочности; Рт – предел текучести; R – молярная газовая постоянная (8,314 Дж/(мольК)); 132 S – общая поверхность частиц дисперсной фазы; энтропия; смещение границы золя; Sуд – удельная поверхность дисперсной системы; T – абсолютная температура; светопропускание; U – разность потенциалов (напряжение); скорость течения (сдвига); Uот – энергия отталкивания; Uпр – энергия притяжения; Uб – потенциальный энергетический барьер; U 0я – первая потенциальная (энергетическая) яма; U я – вторая потенциальная (энергетическая) яма; V – объем частиц дисперсной фазы; объем студня; V0 – объем частицы; объем сухого ВМВ; Vр – объем раствора ВМВ; объем раствора; Vр-ля – объем растворителя НМВ; Vc – объем сольватированного ВМВ; X – толщина слоя на межфазной границе; а – размер частицы дисперсной фазы; b – константы в уравнении теплоты набухания; уравнении Галлера; d – диаметр частицы; e – заряд электрона (1,610-19 Кл); g – ускорение свободного падения (9,81 м/с2); h – высота; расстояние между частицами; k – константа Больцмана (1,3810-23 Дж/К); l – толщина поглощающего слоя; расстояние между электродами; длина ребра куба; m – масса; масса студня; m0 – масса частицы; масса сухого ВМВ; mр – масса раствора; n – константа в уравнении давления набухания; nэк(В) – число моль эквивалентов; n1 – показатель преломления дисперсной фазы; n0 – показатель преломления дисперсионной среды; r – радиус частицы (иона); t – время; tr – время релаксации;  – скорость; л – скорость перемещения частиц дисперсной фазы; об – объемная скорость движения дисперсионной среды; сед – скорость седиментации; z – заряд иона; число эквивалентности;  – степень набухания ВМВ; константа в модифицированном уравнении Штаудингера; α∞ – степень предельного набухания; 133 t – степень набухания, соответствующая времени t;  – кратность пены;  – толщина адсорбционного слоя;  – толщина диффузного слоя;  – среднеквадратичный сдвиг;  – диэлектрическая проницаемость; молярный коэффициент поглощения; относительная деформация сдвига; 0 – электрическая постоянная (8,8210-12 Ф/м);  – электрокинетический (дзета) потенциал;  – частичная (численная) концентрация; 0 – частичная концентрация на высоте h = 0; h – частичная концентрация на высоте h;  – осмотическое давление;  – плотность дисперсной фазы; 0 – плотность дисперсионной среды; σ – межфазное поверхностное натяжение; поверхностный заряд;  – вязкость; 0 – вязкость растворителя; – пластическая вязкость; отн – относительная вязкость; с – структурная вязкость; пр – приведенная вязкость; уд – удельная вязкость;  – характеристическая вязкость;  – длина волны света;  – мутность;  – объемная доля; 0 – полный термодинамический (поверхностный) потенциал;  – удельная электрическая проводимость;  – величина, обратная толщине диффузного слоя;  – массовая доля. ДЛФО (теория) – Дерягин-Ландау-Фервей-Овербек; ГЛБ – гидрофильно-липофильный баланс; ВМВ – высокомолекулярное вещество; ДЭС – двойной электрический слой; ИЭТ – изоэлектрическая точка; НМВ – низкомолекулярное вещество; ПАВ – поверхностно-активное вещество; ПОИ – потенциалопределяющие ионы; Дисперсные системы: М/В – масло в воде; В/М – вода в масле; Фазы: Г – газообразная; Ж – жидкая; Т – твердая. 134 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………. 3 I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ В СХЕМАХ, РИСУНКАХ, ТАБЛИЦАХ ………………….. 4 ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ…………………… 32 II. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ…………………………………………… 42 Работа 1. Получение золя и его качественная характеристика…... 42 Работа 2. Исследование коагуляции лиофобных золей электролитами 48 Работа 3. Определение среднего размера частиц в бесцветном золе…. 57 Работа 4. Получение пены и изучение ее устойчивости………………. 62 Работа 5. Получение суспензии и изучение ее устойчивости………… 67 Работа 6. Получение эмульсий и изучение их свойств………………… 72 Работа 7. Определение вязкости растворов высокомолекулярных веществ и расчет молярной массы ВМВ……………………. 78 Работа 8. Исследование свойств растворов полиэлектролитов……. 82 Работа 9. Исследование процессов в студнях и гелях ………………… 89 III. МНОГОВАРИАНТНЫЕ ЗАДАЧИ………………………………….… 98 ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ………………………………………… 98 ЗАДАЧА 1. Характеристика дисперсных систем ..…………………… 110 ЗАДАЧА 2. Получение золей и их коагуляция ..………………………. 111 ЗАДАЧА 3. Получение золей……………………………………………… 112 ЗАДАЧА 4. Молекулярно-кинетические и оптические свойства дисперсных систем .………………………………………….. 113 ЗАДАЧА 5. Электрокинетические свойства дисперсных систем .… 116 ЗАДАЧА 6. Коагуляция дисперсных систем. Очистка природных и сточных вод методом коагулирования …………………… 119 ЗАДАЧА 7. Изучение кинетики набухания ВМВ ..…………………… 122 ЗАДАЧА 8. Определение молярной массы ВМВ .……………………. 126 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ……………………………………. 130 ПРИЛОЖЕНИЕ ……………………………………………………………. 132 135

Все в таблицах+лабы

Related documents

Products

Support

Все в таблицах+лабы

Related documents

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib