Порядок выполнения работы. В коническую колбу на 250 мл наливают 25 мл дистиллированной воды

В коническую колбу на 250 мл наливают 25 мл дистиллированной воды, добавляют 0,2 мл концентрированного раствора хлорида железа (III) и 2 мл насыщенного раствора гексацианоферрата (II) калия. Затем приливают еще 150 мл дистиллированной воды.

Золь оставляют для дальнейшей работы и коагуляции.

В отчете описать вид образовавшегося коллоидного раствора, привести уравнение химической реакции и формулу мицеллы.

Определение знака заряда частиц

На листок фильтровальной бумаги нанесите каплю окрашенного золя. После всасывания капли положительно заряженного золя на бумаги образуется окрашенное в центре и бесцветное по краям пятно; золь с отрицательно заряженными частицами образует равномерно окрашенное пятно.

Коагуляции золя берлинской лазури различными электролитами

Цель работы

1. Определение порога коагуляции золя берлинской лазури различными электролитами.

2. Проверка справедливости правила Шульце-Гарди для данной системы.

Реактивы

1. Золь берлинской лазури, полученный в предыдущей части работы.

2. Хлорид калия, 1 н раствор.

3. Хлорид бария, 0,06 н раствор.

4. Хлорид алюминия, 0,015 н раствор.

Порядок выполнения работы

Для определения порога коагуляции готовят растворы электролитов с убывающей концентрацией. Концентрацию электролита в пробирке рассчитывают в соответствии с нормальностью раствора и заданным объемом электролита по формуле

Сэ = Сэ0(Vэ/(Vэ + Vв),

(2.1)

где Сэ – концентрация рабочего раствора электролита, моль/л;

Сэ₀ – концентрация исходного раствора электролита, моль/л;

Vэ – объем раствора электролита в пробирке, мл;

Vв – объем воды в пробирке, мл.

Результаты расчета заносят в таблицу.

В каждую из пробирок добавляют по 5 мл золя. Содержимое пробирок перемешивают, встряхивают, записывают время начала опыта и оставляют на 30 минут для протекания процесса явной коагуляции.

Одновременно готовят контрольный раствор. Для этого сливают 5 мл исходного золя с 5 мл дистиллированной воды.

Сравнивая контрольный и исследуемый растворы, определяют наличие или отсутствие коагуляции. Наличие коагуляции отмечают знаком "+", отсутствие коагуляции – знаком "–". Расчет порога коагуляции проводят по формуле

γ = СэVэ/(Vэ+Vз),

(2.2)

где γ – порог коагуляции, моль/л;

Сэ – нормальность раствора электролита, моль/л;

Vэ – минимальный объем электролита, достаточный для коагуляции золя, мл;

Vз – объем золя, мл.

На основании результатов эксперимента сделать выводы о влиянии концентрации и природы электролита на развитие процесса коагуляции.

Таблица 2.1

Условия и результаты эксперимента

№ п. п.

Условия эксперимента

Результаты эксперимента

Объем, мл

KCl

BaCl2

AlCl3

вода

эл-т

золь

Сэ

+/–

γ

Сэ

+/–

γ

Сэ

+/–

γ

 

Вопросы для контроля

1. Что понимают под агрегативной и седиментационной устойчивостью коллоидных систем?

2. Какое явление называется коагуляцией? Назовите причины коагуляции.

3. Сформулируйте правила электролитической коагуляции.

4. Какие ионы – положительные или отрицательные обладают коагулирующим действием по отношению к золю: а) с отрицательно заряженными частицами; б) с положительно заряженными частицами.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

ИЗУЧЕНИЕ ЗОЛЕЙ

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Образование ДЭС путем ионной адсорбции. Рассмотрим образование ДЭС на поверхности кристалла AgI, полученного при взаимодействии водных растворов нитрата серебра и иодида калия:

AgN0₃ + KI → AgI + KN0₃,

причем одно из реагирующих веществ (например, KI) взято в избытке.

Образующиеся в результате реакции мелкие кристаллы AgI находятся в растворе, содержащем ионы К⁺, , I^–. Начинается процесс адсорбции ионов, в котором кристаллы AgI являются адсорбентом.

Согласно правилу адсорбции (правилу Панета-Фаянса), на кристалле адсорбируются ионы, которые:

1) способны достраивать его кристаллическую решетку, т. е. ионы, из которых построена данная решетка или изоморфные им;

2) и находятся в растворе в избытке.

В рассматриваемом случае в соответствии с правилом Панета-Фаянса кристалл AgI будет адсорбировать ионы I^–. Адсорбция ионов I^– происходит за счет химических сил, приводящих к прочному присоединению их к кристаллу. Поверхность кристалла заряжается отрицательно. Ионы I^–, сообщившие поверхности этот заряд, называются потенциалобразующими ионами.

Оставшиеся в растворе ионы противоположного знака (противоионы) электростатически притягиваются к поверхности. Слой противоионов, компенсирующих заряд твердой поверхности, имеет сложное строение. Принято считать, что он состоит из двух частей.

Первая часть – это противоионы, которые непосредственно примыкают к заряженной поверхности твердой частицы и удерживаются на ней не только электростатическими, но и адсорбционными силами. Эти ионы образуют вместе с потенциалобразующими ионами адсорбционную часть двойного электрического слоя (слой Гельмгольца). Противоионы адсорбционного слоя удерживаются поверхностью настолько прочно, что передвигаются вместе с твердой частицей, не отрываясь от нее, и образуют с ней единое кинетическое целое – коллоидную частицу.

Вторая часть – остальные противоионы, которые совершают тепловое движение около заряженной поверхности и удерживаются вблизи нее только электростатическими силами. Эти ионы образуют диффузионную часть двойного электрического слоя.

Кристаллик иодида серебра, находящийся в растворе, содержащем избыток иодида калия, в соответствии с нашими представлениями о двойном электрическом слое, возникающем вокруг кристаллика, можно схематично изобразить с помощью рисунка (рис. 3.1) и записать следующим образом его строение:

Рис. 3.1. Мицелла золя иодида серебра, стабилизированного

иодидом калия

Кристаллик нерастворимого вещества, окруженный двойным электрическим слоем, называется мицеллой. Мицелла электронейтральна.

Кристаллик вместе с прочно удерживаемыми на его поверхности ионами адсорбционного слоя называется коллоидной частицей. Коллоидная частица заряжена; в нашем примере она отрицательна, ее заряд составляет «–х».

Строение двойного электрического слоя и изменение потенциала электрического поля на границе фаз. Потенциалобразующие ионы, адсорбируемые поверхностью, создают вокруг кристалла электрическое поле, которое постепенно ослабляется, так как заряд поверхности постепенно экранируется (компенсируется) противоионами. Интенсивность электрического поля в данной точке пространства характеризует значение электрического потенциала в этой точке φ.

На рис. 3.2 представлена структура ДЭС на плоской поверхности и график, описывающий изменение потенциала электрического поля, создаваемого двойным ионным слоем, по мере удаления от заряженной поверхности кристалла (например, вдоль линии АВ). Потенциал поверхности на границе обозначен φ₀. Ясно, что абсолютная величина потенциала поверхности |φ₀| тем больше, чем больше потенциалобразующих ионов на единице поверхности.

Рис. 3.2. Падение потенциала в двойном электрическом слое

Потенциал поверхности φ₀ называют термодинамическим потенциалом, его величина характеризует полный скачок потенциала между заряженной потенциалобразующими ионами поверхностью и раствором. Противоионы, находящиеся в адсорбционном слое, частично компенсировали заряд поверхности, поэтому потенциал электрического поля на границе адсорбционного и диффузного слоя понизился. Падение (уменьшение) потенциала в адсорбционном слое в рамках теории Штерна считают линейным:

φ = φ0 – аr,

(3.1)

где а – постоянная величина; r – расстояние от поверхности кристалла.

Ионная атмосфера, т. е. противоионы диффузного слоя постепенно полностью компенсируют заряд поверхности и на некотором расстоянии потенциал поля, созданного потенциалобразующими ионами становится равным нулю.

При движении мицелла разрывается на коллоидную частицу и диффузные противоионы. Разрыв происходит по поверхности скольжения, которая расположена или на границе адсорбционного и диффузионного слоев или несколько смещена в сторону диффузного слоя («d» на рис. 3.2).

Потенциал на поверхности скольжения называется электрокинетическим, или ζ-потенциалом (дзета-потенциалом). Его можно определить экспериментально, измеряя скорость движения коллоидных частиц в электрическом поле или скорость движения дисперсионной среды в пористых телах, так как именно от величины электрокинетического потенциала зависит скорость относительного перемещения фаз.

Согласно теории Штерна, падение потенциала в диффузионном слое не линейно, а подчиняется экспоненциальному закону:

φ = φ0е –ær,

(3.2)

где r – расстояние от поверхности; æ – параметр Дебая, который связан с толщиной ионной атмосферы δ соотношением æ = 1/δ.

Толщина адсорбционного слоя определяется размерами ионов, которые его составляют, обычно она незначительна и не превышает 1–2 Å.

Толщина диффузного слоя δ зависит от концентрации ионов в дисперсионной среде и может составлять 1–100 000 Å, т. е. ионная атмосфера может простираться в глубь дисперсионной среды в несколько тысяч раз больше, чем адсорбционный слой.

Влияние электролитов на двойной электрический слой.Добавление электролитов в дисперсионную среду, в которой находятся мицеллы

{[mAgI]·nI^¯·(n–х)K⁺}^x–·хK⁺, изменит двойной электрический слой, образовавшийся на поверхности кристаллов AgI.

Различают электролиты индифферентные (безразличные) и неиндифферентные («родные») по отношению к данному кристаллу.

Влияние индифферентных электролитов.Индифферентными называются электролиты, ионы которых не способны к хемосорбции данной поверхностьюи в соответствии с правилом Панета-Фаянса не могут быть потенциалобразующими. Индифферентные электролиты не меняют потенциал поверхности φ₀.

По отношению к кристаллу [mAgI] такими электролитами являются NaNO₃, Ca(N0₃)₂, A1(NO₃)₃. Их добавление не может изменить число ионов I^¯ на поверхности кристалла AgI и, следовательно, не изменит φ₀, но толщина ионной атмосферы δ, после добавления этих электролитов изменится, так как увеличение концентрации противоионов (в нашем случае катионов) приводит к тому, что отрицательный заряд поверхности полностью скомпенсируется на меньшем расстоянии от поверхности, чем раньше. Итак, добавление индифферентного электролита приводит к сжатию двойного электрического слоя, причем сжатие двойного слоя вызывают те ионы электролита, знак которых тот же, что и у противоионов диффузного слоя. Большую роль играет величина заряда ионов. Трехзарядный ион А1³⁺ сильнее экранирует отрицательный заряд поверхности, чем двухзарядный Са²⁺ или однозарядный Na⁺. Чем больше заряд противоиона добавленного электролита, тем сильнее сжимается двойной электрический слой.

Если добавить к рассматриваемому золю иодида серебра

{[mAgI]·nI^¯·(n–х)K⁺}^x–·хK⁺, индифферентный электролит, имеющий противоионы, заряд которых равен трем и выше (например, А1С1₃ или Fe(CH₃COO)₃), в большом количестве, то можно наблюдать интересное явление – перезарядку коллоидных частиц. Отрицательно заряженные коллоидные частицы станут положительно заряженными.

Рис. 3.3. Изменение знака потенциала при увеличении концентрации электролита, способного вызвать перезарядку частиц

Знак ζ-потенциала тоже изменится: из отрицательного он станет положительным (рис. 3.3).

Способность к обменной адсорбции возрастает с увеличением заряда иона. Многозарядные ионы вытесняют однозарядные противоионы и из диффузного, и из адсорбционного слоев. После замены однозарядных противоионов K⁺ на ионы А1³⁺ последние, уже в адсорбционном слое полностью нейтрализуют заряд частицы; затем происходит специфическая сверхэквивалентная адсорбция ионов А1³⁺ на поверхности кристалла, приводящая к появлению на ней избыточного положительного заряда. Положительный заряд компенсируется отрицательными ионами из раствора (например, С1^–) и на поверхности кристалла возникает новый ДЭС с положительным зарядом частицы и отрицательным слоем противоионов.

В новом ДЭС (после перезарядки) φ₀ не изменился, но в адсорбционном слое находятся ионы А1³⁺ в сверхэквивалентном количестве, поэтому потенциал на границе адсорбционного и диффузного слоя поменял знак (в нашем случае стал положительным), ζ-потенциал тоже поменял знак.