Методы получения дисперсных систем

Получают дисперсные системы двумя способами.

1. Дисперсионные методы: основаны на измельчении крупных частиц путем механических ударов, истирания, ультразвукового воздействия. В природной среде – это выветривание горных пород, вынос капелек воды с поверхности водоемов.

2. Конденсационные методы основаны на получении дисперсных систем из гомогенных пересыщенных растворов. Различают физическую и химическую конденсацию. Физическая конденсация происходит в результате конденсации пара или замены растворителя (образование тумана, инея и др.). Химическая конденсация предполагает использование химических реакций, в результате которых образуются гетерогенные системы –реакции гидролиза, ионного обмена, окисления-восстановления.

Реакция гидролиза:

FeCl₃ + 3H₂O = ¯Fe(OH)₃ + 3HCl

реакция ионного обмена, сопровождаемая образованием дисперсной кристаллической фазы:

NaCl + AgNO₃ = ¯AgCl + NaNO₃

окислительно-восстановительная реакция:

2Na₂S + Na₂SO₃ + 3H₂SO₄ = ¯3S + 3Na₂SO₄ + 3H₂O

ЗАДАЧИ

12.1. Рассчитать суммарную поверхность шаровидных частиц диаметром 2×10^-5 см, которые получили распылением 2 мл воды.

Ответ: 60 м².

12.2. Рассчитать суммарную поверхность кубических частиц с длиной ребра 5×10^-5 см, которые получили дроблением 5 г твердого вещества, плотность которого 10500 кг/м³.

Ответ: 5,71 м².

12.3. Рассчитать средний размер частиц цементного клинкера, если его удельная поверхность составляет: а) 280 м²/кг; б) 400 м²/кг; в) 700 м²/кг. Плотность цемента принять равной 3100 кг/м³.

Ответ: 6,9 мкм, 4,8 мкм, 2,8 мкм.

12.4. Определить удельную поверхность, м²/г, и суммарную площадь поверхности частиц золя серебра, полученного при дроблении 1,2 г серебра на частицы шарообразной формы с диаметром 1,0×10^-8 м. Плотность серебра 10500 кг/м³.

Ответ: 57,2 м²/г; 68,6 м².

12.5. Вычислить суммарную площадь поверхности шарообразных частиц золя ртути с диаметром 2,5×10^-8 м. Золь получен дроблением 5,2 г ртути. Плотность ртути 13546 кг/м³.

Ответ: 92 м².

12.6. Рассчитать суммарную площадь поверхности частиц золя сульфида мышьяка и число частиц в 0,5 л золя, если 1 л золя содержит 2,25 г As₂S₃. Частицы золя имеют форму кубиков с длиной ребра 1,2×10^-7 м. Плотность As₂S₃ равна 3506 кг/м³.

Ответ: 16,0 м², 1,86×10¹⁴.

12.7. Аэрозоль получен распылением 0,5 кг угля в 1 м³ воздуха. Частицы аэрозоля имеют шарообразную форму, диаметр 8×10^-5 м. Определить удельную поверхность, м²/г, и число частиц в этом аэрозоле. Плотность угля 1,8 кг/м³.

Ответ: 41,7 м²/г, 2,6×10¹¹.

12.8. На основании данных табл. 10 и 11 провести классификацию следующих дисперсных систем по размеру частиц и агрегатному состоянию фаз (а – средний размер частиц дисперсной фазы): грунтов песчаных (а = 50 мкм), грунтов пылеватых (а = 1–50 мкм), эритроцитов крови человека (а = 7 мкм), кишечной палочки (а = 3 мкм), вируса гриппа (а » 10 нм), золя золота синего (а » 50 нм), мути в природных водах (а » 10–100 нм), дыма (а » 30–40 нм), золя золота красного (а » 20 нм), вируса ящура (а » 10 нм), зародыша золя золота (а » 5 нм), тонких пор угля (а » 1–10 нм).

12.9. Какие коллоидные системы лежат в основе получения следующих материалов: бетона, строительной керамики, лаков, красок, жидкого стекла, клея, гипсокартона, фибролита, газобетона, битумов, асфальтенов, пенопластов. От каких характеристик дисперсных систем зависят свойства этих материалов? (При ответе на вопрос воспользуйтесь данными табл. 10 и 11.)

12.10. В воде находятся во взвешенном состоянии частицы двух веществ А и Б. Через взвесь пропустили снизу вверх пузырьки воздуха. Частицы А опустились на дно системы, частицы Б всплыли на поверхность. Определить, какая частица является гидрофильной, а какая гидрофобной и почему. В систему добавили стиральный порошок, в результате чего образовалась пена. Способствует или препятствует образование пены разделению веществ А и Б? (Избирательная смачиваемость веществ лежит в основе флотации – метода обогащения руд.)

12.11. На поверхность воды осторожно положили швейную иголку. Иголка не тонет. Почему? Что произойдет, если иголку изготовить из стекла или кварца?

12.12. Замечено, что сливочное масло легче взбивается из постоявшей сметаны, чем из свежей. Дайте объяснение этому явлению, учитывая также и некоторое прокисание сметаны при стоянии.

12.13. Сливки и молоко при стоянии отстаиваются. Почему не отстаивается синтетический латекс?

12.14. Трубка заполнена наполовину активированным углем, а наполовину силикагелем. Через трубку пропущен ток влажного воздуха с примесью паров бензина. Как распределятся вода и бензин между адсорбентами?

12.15. Получен аэросил с удельной поверхностью 297 м²/г. Полагая, что на поверхности частиц остается мономолекулярный слой воды и что одна молекула адсорбированной воды занимает на поверхности площадь 106 нм², рассчитать число частиц воды и их общую массу, адсорбированную навеской аэросила, равной 0,357 г.

Ответ: 1×10¹⁸; 3×10^-5 г.

12.16. Золь кремниевой кислоты H₂SiO₃ был получен при взаимодействии растворов K₂SiO₃ и HCl. Написать формулу мицеллы золя и определить, какой из электролитов был в избытке, если противоионы в электрическом поле движутся к катоду.

12.17. Написать формулу мицеллы золя золота (ядро коллоидной частицы [Au]_m), полученного распылением золота в растворе NaAuO₂.

12.18. Какой объем 0,008 н. AgNO₃ надо прибавить к 0,025 л 0,016 н. раствора KI, чтобы получить отрицательно заряженные частицы золя йодида серебра. Написать формулу мицеллы.

Ответ: менее 0,050 л.

12.19. Золь бромида серебра получен смешиванием равных объемов 0,008 н. KBr и 0,009 н. AgNO₃. Определить знак заряда частицы золя и написать формулу мицеллы.

12.20. Какой объем 0,001 М FeCl₃ надо добавить к 0,03 л 0,002 н. AgNO₃, чтобы частицы золя хлорида серебра в электрическом поле двигались к аноду? Написать формулу мицеллы золя.

Ответ: более 0,02 л.

12.21. Какой объем 0,001 М AsCl₃ надо добавить к 0,02 л 0,003 М H₂S, чтобы не произошло образования золя сульфида мышьяка, а выпал осадок As₂S₃?

Ответ: 0,04 л.

12.22. Какой объем 0,0025 М KI надо добавить к 0,035 л 0,003 н. Pb(NO₃)₂, чтобы получить золь йодида свинца и при электрофорезе (в электрическом поле) противоионы двигались бы к аноду? Написать формулу мицеллы золя.

Ответ: менее 0,042 л.

12.23. Пороги коагуляции золя электролитами, ммоль/л, оказались следующими: С_кр(NaNO₃) = 250,0; С_кр(Mg(NO₃)₂) = 20,0; С_кр(Fe(NO₃)₃) = 0,5. Какие ионы электролитов являются коагулирующими? Как заряжены частицы золя?

12.24. Вычислить порог коагуляции раствора сульфата натрия, если добавление 0,003 л 0,1 н. Na₂SO₄ вызывает коагуляцию 0,015 л золя.

Ответ: 16,7 ммоль/л.

12.25. Как расположатся пороги коагуляции в ряду CrCl₃, Ba(NO₃)₂, K₂SO₄ для золя кремниевой кислоты, частицы которого заряжены отрицательно?

Ответ: 0,0014:0,016:1.

12.26. Какой объем 0,0002 М Fe(NO₃)₃ требуется для коагуляции 0,025 л золя сульфида мышьяка, если порог коагуляции С_кр(Fe(NO₃)₃) = 0,067 ммоль/л?

Ответ: 0,003 л.

12.27. В три колбы налито по 0,1 л золя гидроксида железа. Для того чтобы вызвать коагуляцию золя, потребовалось добавить в первую колбу 0,01 л 1 н. NH₄Cl, в другую – 0,063 л 0,01 н. Na₂SO₄, в третью – 0,037 л 0,001 н. Na₃PO₄. Вычислить порог коагуляции каждого электролита и определить знак заряда частиц золя.

Ответ: 91; 3,9; 0,27 ммоль/л.

12.28. Золь гидроксида меди получен при сливании 0,1 л 0,05 н. NaOH и 0,25 л 0,001 н. Cu(NO₃)₂. Какой из прибавленных электролитов: KBr, Ba(NO₃)₂, K₂CrO₄, MgSO₄, AlCl₃ – имеет наименьший порог коагуляции?

12.29. Коагуляция золя йодида серебра, частицы которого заряжены отрицательно, вызывается катионами добавляемых электролитов. Порог коагуляции LiNO₃ для этого золя равен 165 ммоль/л. Вычислить порог коагуляции Ba(NO₃)₂ и Al(NO₃)₃ для этого золя.

Ответ: 2,58 ммоль/л; 0,226 ммоль/л.

12.30. Как изменится порог коагуляции электролита для золя бромида серебра, частицы которого заряжены положительно, если для коагуляции 0,1 л золя вместо 0,0015 л 0,1 н. K₂SO₄ взят раствор Fe(NO₃)₃?

Ответ: увеличится в 64 раза.

12.31. Для коагуляции 0,05 л золя сульфида мышьяка можно добавить один из следующих растворов электролитов: 0,005 л 2 н. NaCl; 0,005 л 0,03 н. Na₂SO₄; 0,004 л 0,0005 н. Na₄[Fe(CN)₆]. У какого из приведенных электролитов наименьший порог коагуляции?

Ответ: 181,8; 2,72; 0,04 ммоль/л.

12.32. Порог коагуляции AlCl₃ для золя оксида мышьяка равен 0,093 ммоль/л. Какой концентрации нужно взять раствор AlCl₃, чтобы 0,0008 л его хватило для коагуляции 0,125 л золя?

Ответ: концентрация хлорида алюминия – 0,0146 н.

12.33. При осаждении ионов Ba⁺² действием K₂CrO₄ нагревание способствует быстрому появлению осадка BaCrO₄, хотя растворимость его при этом возрастает. Чем объясняется это явление? Написать формулу мицеллы и указать знак электрического заряда частиц образующегося золя. Как еще можно ускорить выпадение осадка в этом случае?

12.34. При растворении некоторых веществ в воде происходит гидролиз, который при разбавлении раствора и нагревании приводит к образованию золя. Написать формулу мицелл и указать знак электрического заряда коллоидных частиц золя, если процесс гидролиза идет по следующей схеме:

1) Al(CH₃COO)₃ + 3H₂O ® ¯Al(OH)₃ + 3CH₃COOH

2) Na₃CrO₃ + 3H₂O ® ¯Cr(OH)₃ + 3NaOH

3) Zn(CH₃COO)₂ + 2H₂O ® ¯Zn(OH)₂ + 2CH₃COOH

4) Cu(CH₃COO)₂ + 2H₂O ® ¯Cu(OH)₂ + 2CH₃COOH

5) Bi(NO₃)₃ + H₂O ® ¯BiO(NO₃) + 2HNO₃

6) SbCl₃ + H₂O ® ¯SbOCl + 2HCl

7) NaSbO₂ + H₂O ® ¯HSbO₂ + NaOH

8) SbCl₅ + 2H₂O ® ¯SbO₂Cl + 4HCl

9) Sn(CH₃COO)₂ + 2H₂O ® ¯H₂SnO₂ + 2CH₃COOH

10) Na₂SnO₃ + 2H₂O ® ¯H₂SnO₃ + 2NaOH

11) TiCl₄ + 2H₂O ® ¯TiO(OH)₂ + 4HCl

12) NaCrO₂ + 2H₂O ® ¯Cr(OH)₃ + 2NaOH

Раздел 13. Окислительно-восстановительные реакции

Химические реакции, протекающие с изменением степени окисления элементов, входящих в состав реагентов, называются окислительно-восстановительными. Степень окисления – это условный заряд атома, вычисляемый в предположении, что все химические связи в веществе являются ионными.