Устойчивость коллоидных растворов.
Коагуляция. Седиментация
Под устойчивостью дисперсной системы понимают неизменность её основных свойств: степени раздробленности (дисперсности); равновесного распределения частиц в дисперсной среде.
Относительная устойчивость – это способность системы в течении определённого времени сохранять неизменной свою структуру, т.е. размеры частиц и их равномерное распределение в объёме системы.
Седиментационная устойчивость – это способность дисперсной системы сохранять неизменным во времени распределение частиц по объёму системы, т.е. способность системы противостоять действию силы тяжести. Действию силы тяжести противостоит диффузия. Соотношение этих факторов, т.е. сидиментационная устойчивость определяется, главным образом, размерами частиц дисперсной фазы. В лиофобных золях размеры частиц малы (10-5 – 10-7 см) и диффузия обеспечивает равномерное распределение частиц в объёме системы.
Удельный поток седиментации – это число частиц, оседающих в единицу времени через сечение единичной площади, нормальное к направлению седиментации.
Агрегативная устойчивость – это способность системы сохранять неизменной во времени степень дисперсности, т.е. размеры частиц и их индивидуальность. Существует пять факторов, которые могут обеспечить агрегативную устойчивость золя: электростатический, адсорбционно-сольватный, структурно-механический, энтропийный, гидродинамический.
Коагуляцией называется процесс слипания частиц с образованием крупных агрегатов. В результате коагуляции система теряет свою седиментационную устойчивость, так как частицы становятся слишком крупные и не могут участвовать в броуновском движении.
Коагуляция является самопроизвольным процессом, так как она приводит к уменьшению межфазной поверхности и, следовательно, к уменьшению свободной поверхностной энергии.
Скорость коагуляции – это изменение концентрации коллоидных частиц в единицу времени при постоянном объёме системы.
Пример 1.Вычисление порога коагуляции электролита с учётом его концентрации.
В три колбы налито по 0,01 л золя хлорида серебра AgCl. В первую колбу для коагуляции золя добавлено 0,002 л 1н. нитрата натрия NаNО3, во вторую – 0,012 л 0,01н. нитрата кальция Са(NО3)2, а в третью – 0,007 л 0,001н. нитрата алюминия А1(NО3)3. Вычислите пороги коагуляции электролитов. Определите знак заряда частиц золя.
Решение:
Порогом коагуляции Скр (ммоль/л) или критической концентрацией называют минимальное количество электролита, прибавляемого к золю, которое может вызвать коагуляцию золя. Порог коагуляции вычисляют по формуле:
где, Сн – нормальная концентрация электролита, моль/л;
Vэл, V3 – соответственно объём электролита и золя, л.
Вычисляем пороги коагуляции добавляемых электролитов:
Добавляемые электролиты – NaNO3, Са(NО3)2 и А1(NО3)3 – содержат анион NО3- и катионы Na+, Ca2+, Al3+ разной зарядности.
Наименьший порог коагуляции у нитрата алюминия А1(NO3)3, следовательно, частицы золя хлорида серебра заряжены отрицательно.
Пример 2.Вычисление порога коагуляции электролита с учётом заряда иона-коагулятора.
Порог коагуляции раствора нитрата калия КNО3 для золя гидроксида алюминия А1(ОН)3, частицы которого заряжены положительно, равен 60,0 ммоль/л. Рассчитайте порог коагуляции К3[Fe(CN)6] для этого золя.
Решение:
Коагуляцию золя вызывает тот из ионов прибавленного электролита, заряд которого противоположен заряду коллоидной частицы. Коагулирующая способность иона определяется его зарядом. Чем больше заряд иона, тем больше его коагулирующая способность. Значения порогов коагуляции электролитов с одно-, двух- и трехзарядными ионами относятся как числа: 729 : 11 : 1.
Следовательно порог коагуляции К3[Fе(СN)6] будет в 729 раз меньше чем у нитрата калия, т.е. С К3[Fе(СN)6] = 60/729 = 0,082 ммоль/л.
Пример 3.
На коагуляцию гидрозоля иодида серебра AgJ из 1,0×10-2 м3 сточных вод потребовалось 8,0×10-4 м3 10%-го раствора хлорида натрия NаСl с плотностью 1,07×103 кг/м3. Рассчитайте расход 28%-го раствора сульфата алюминия А12(SO4)3, плотность которого 1,30×103 кг/м3 для извлечения AgJ из 100 м3 указанных сточных вод, если электрический заряд коллоидных частиц иодида серебра в этих водах:
а) положительный; б) отрицательный.
Решение:
Количество n1 вещества хлорида натрия NaCl в 8,0×10-4 м3 10%-го раствора хлорида натрия NaCl равно: n1 = V1× r1 × w1/ (100M1).
n1 = 8,0×10-4 × 1,07×103 × 10/100 × 0,0585 = 1,46 моль.,
где: V1, r1, w1 – объём (м3), плотность (кг/м3 ) и концентрация (%) взятого раствора хлорида натрия NaCl;
M1 – молярная масса хлорида натрия NaCI (кг/моль).
Отсюда: порог коагуляции Скр сточных вод по хлориду натрия NaCI равен:
Скр = VэCн / (V +Vэ) = n1 / (Vэл +Vз) [моль/м3],
поэтому: С/кр =1,46/1,0×10-2 + 8,0×10-4 = 1,46×10-2 = 135 моль/м3.
а) Если электрический заряд коллоидных частиц положительный, то ионами-коагуляторами в А12(SO4)3 являются ионы SО42- (Z = 2). Порог коагуляции (Скр) рассматриваемого гидрозоля по ионам SО42-, согласно формуле: Скр = kT5/Z6
С//кр = С/кр/26 = 135/64 = 2,12 моль/м3.
Следовательно, для коагуляции 100 м3 сточных вод потребуется ионов
SО42-: n2 = 2,12× 100 = 212 моль.
Масса m2 Al2(SО4)3, содержащая такое количество ионов SO42-, равна:
m2 = n2М2/3 = 212 × 0,342/3 = 24,2 кг
где М2 – молярная масса Al2(SО4)3;
3 – число ионов SO42- в молекуле Al2(SO4)3.
Объём V2 раствора Al2(SO4)3, содержащий такую массу соли, равен:
V2 = m2 × 100/w2r2 = 24,2 × 100/28 × 1,30×103 = 6,65×10-2м3
где, w2 и r2 – концентрация (%) и плотность (кг/м3) раствора Al2(SO4)3.
б) Если электрический заряд коллоидных частиц отрицательный, то ионами-коагуляторами в Al2(SO4)3 являются ионы A13+ (Z = 3).
Порог коагуляции (Скр) рассматриваемого гидрозоля по ионам А13+ согласно формуле равен:
С///кр = С/кр /36 = 135/729 =0,186 моль/м3.
Для коагуляции сточных вод в этом случае потребуется ионов Al3+:
n3 = 0,186 × 100 = 18,6 моль.
Масса m3 А12(SO4)3, содержащая такое количество ионов Al3+ равна:
m3 = n3М2/2 = 18,6 × 0,342/2 = 3,18 кг
где 2 – число ионов А13+ в молекуле А12(SO4)3
Объём V3 раствора А12(SO4)3, содержащий такую массу соли, равен:
V3 = m3× 100/w2 r2 = 3,18 × 100/28 × 1,30×103 = 8,74×10-3 м3.
Ответы: а) 6,65×10-2м3; б) 8,74×10-змз.
Задачи для самостоятельного решения
431 - 440.На коагуляцию гидрозоля соли серебра из V0 м3 сточных вод потребовалось V1 м3 раствора коагулятора 1, концентрацией w1 с плотностью r1 кг/м3. Рассчитайте расход раствора второго коагулятора для извлечения гидрозоля из V01 м3 указанных сточных вод, если электрический заряд коллоидных частиц соли серебра в этих водах:
а) положительный;
б) отрицательный.
| параметры | № задачи | |||||
| гидрозоль | AgJ | AgCl | AgBr | Ag2S | Ag2CO3 | |
| V0, м3 | 5,4×10-3 | 3,6×10-2 | 9,8×10-3 | 6,4×10-2 | 4,8×10-2 | |
| коагулятор 1 | в-во | KСl | LiI | NaBr | NaCl | KBr |
| V1, м3 | 1,4×10-4 | 1,6×10-4 | 1,3×10-5 | 0,9×10-3 | 1,5 ×10-4 | |
| w1, % | ||||||
| r1, кг/м3 | 1,05×103 | 1,13×103 | 1,14×103 | 1,17×103 | 1,16×103 | |
| коагулятор 2 | в-во | Fe2(SO4)3 | Cr2(SO4)3 | BaCl2 | Al2(SO4)3 | Fe2(SO4)3 |
| w2, % | ||||||
| r2, кг/м3 | 1,42×103 | 1,21×103 | 1,16×103 | 1,34×103 | 1,27×103 | |
| V01, м3 | ||||||
| параметры | № задачи | |||||
| гидрозоль | AgJ | AgCl | AgBr | Ag2S | Ag2CO3 | |
| V0, м3 | 3,4×10-3 | 2,6×10-2 | 9,3×10-3 | 5,4×10-2 | 1,8×10-2 | |
| коагулятор 1 | в-во | KСl | LiI | NaBr | NaCl | KBr |
| V1, м3 | 1,2×10-4 | 1,2×10-4 | 1,7×10-5 | 0,8×10-3 | 1,7×10-4 | |
| w1, % | ||||||
| r1, кг/м3 | 1,03×103 | 1,11×103 | 1,04×103 | 1,12×103 | 1,06×103 | |
| коагулятор 2 | в-во | Fe2(SO4)3 | Cr2(SO4)3 | BaCl2 | Al2(SO4)3 | Fe2(SO4)3 |
| w2, % | ||||||
| r2, кг/м3 | 1,23×103 | 1,17×103 | 1,14×103 | 1,19×103 | 1,21×103 | |
| V01, м3 |
441 - 450. Образование гидрозоля вещества С возможно при достаточно медленном введении вещества А в разбавленный раствор вещества В. Напишите формулу мицеллы и укажите знак электрического заряда коллоидных частиц этого золя. Объясните, какой из коагуляторов является наиболее экономичным для этого золя?
| № задачи | вещество А | вещество В | гидрозоль вещества С | коагулятор | |
| KH2SbO4 | NaCl | NaH2SbO4 | K2SO4; NH4Cl; FeCl3 | ||
| NaOH | MgCl2 | Mg(OH2) | Zn(Ac)2; KCl; AlCl3 | ||
| AgNO3 | NH4CNS | AgCNS | NaAc; KNO3; Na2SO4 | ||
| H2SO4 | CaCl2 | CaSO4 | AlCl3; ZnCl2; NaAc | ||
| AgNO3 | NaI | AgI | Ca(NO3)2 ; NaF; K2SO4 | ||
| CaSO4 | BaCl2 | BaSO4 | AlCl3; NH4Cl; Zn(Ac)2; | ||
| AgNO3 | (NH4)2S | Ag2S | KАc; Ba(NO3)2; Na2SO4; | ||
| NaOH | AlCl3 | Al(OH)3 | KNO3; Na2SO4; CaCl2; | ||
| NH4OH | CrCl3 | Cr(OH)3 | KCl; Na2SO4; BaCl2; | ||
| NH4OH | BeCl2 | Be(OH)2 | AlCl3; NH4Cl; Zn(Ac)2; | ||
| NaOH | ZnCl2 | Zn(OH)2 | K2SO4; NaAc; SrCl2; | ||
| (NH4)2S | MnCl2 | MnS | K2SO4; BaBr2; NaCl; | ||
| NaOH | FeCl3 | Fe(OH)3 | KNO3; Na2SO4; MgCl2; | ||
| Ba(CH3COO)2 | K2SO4 | BaSO4 | AlCl3; NH4Cl; Zn(Ac)2; | ||
| (NH4)2S | ZnCl2 | ZnS | NaCl;(NH4)2SO4; Ca(NO3)2; | ||
| (NH4)2S | CoCl2 | CoS | K2SO4; NaCl; CaCl2; | ||
| (NH4)2S | SnCl2 | SnS | Ca(Ac)2; Na2SO4; KCl; | ||
| H2S | CdCl2 | CdS | CaBr2; (NH4)2SO4; NaCl; | ||
| HCl | AgNO3 | AgCl | NH4NO3; Al(NO3)3; K2SO4; | ||
| (NH4)2S | NiCl2 | NiS | Na2SO4; NH4Cl; SrCl2; | ||
| KI | AgNO3 | AgI | Ca(NO3)2; NaF; K2SO4; | ||
| H2SO4 | Hg(NO3)2 | Hg2SO4 | NH4NO3; KNO3; Zn(Ac)2; | ||
| AgNO3 | K2CrO4 | Ag2CrO4 | NH4NO3; Zn(NO3)2; NaAc; | ||
| KI | Hg2(NO3)2 | Hg2I2 | Zn(NO3)2; KNO3; NaAc; | ||
| K4[Fe(CN)6] | FeCl3 | Fe4[Fe(CN)6]3 | NH4NO3; K2SO4; AlCl3; | ||
| HCl | Pb(NO3)2 | PbCl2 | ZnCl2; NaNO3; Kac; | ||
| HCl | Na2SiO3 | H2SiO3 | Al(NO3)3; Na2SO4; NH4Cl | ||
| H2SO4 | Pb(NO3)2 | PbSO4 | NaAc;Zn(NO3)2; (NH4)2SO4 | ||
| (NH4)2S | AgNO3 | Ag2S | CaAc; Ba(NO3)2; KNO3 | ||
| KI | Pb(NO3)2 | PbI2 | NH4NO3; Ca(OH)2; AlBr3; | ||
| (NH4)2S | Pb(NO3)2 | PbS | NaAc; Ca(NO3)2; Al(NO3)3 | ||
| (NH4)2C2O4 | AgNO3 | Ag2C2O4 | KАc; NH4NO3; Hac | ||
| BaCl2 | NaF | BaF2 | Cu(NO3)2; FeCl3; KBr | ||
| NaOH | Bi(NO3)2 | Bi(NO)3 | NH4NO3; NaNO3; NaAc | ||
| AgNO3 | Na3AsO4 | Ag3 AsO4 | NH4NO3; Na2 SO4; HNO3 | ||
| SrCl2 | NaF | SrF2 | NH4NO3; ZnCl2; NaAc | ||
| H2S | Hg(NO3)2 | HgS | Ca(NO3)2;Ba(NO3)2; NH4Ac | ||
| H2S | CuSO4 | CuS | CaCl2; HCl; NaSO4 | ||
| NiSO4 | Na2S | NiS | Na2SO4; NH4Cl; SrCl2 | ||
| H2S | Bi(NO3)2 | Bi2S3 | NaNO3; NH4Ac; HCl | ||
| KI | Hg(NO3)2 | HgI2 | Zn(Ac)2; KNO2; NH4NO3 | ||
| K3[Fe(CN)6] | Zn(NO3)2 | Zn3[Fe(CN)6]2 | K2SO4; NaCl; NH4NO3 | ||
| K3[Fe(CN)6] | FeSO4 | Fe3[Fe(CN)6] | NH4NO3; KNO3; NaCl | ||
| Pb(CH3COO)2 | (NH4)2S | PbS | Ca(Ac)2; NaNO3; Al(NO3)3 | ||
| NaOH | TiCl4 | TiO(OH)2 | K2C2O4; NH4OH; AlCl3 | ||
| AgNO3 | K4[Fe(CN)6] | Ag4[Fe(CN)6] | NaAc; NH4NO3; H2SO4 | ||
| H2S | Na3AsO3 | As2S3 | Na2SO4; NH4Cl; CaCl2 | ||
| AgNO3 | Na2SiO3 | Ag2SiO3 | NH4Cl; HАc; KNO3 | ||
| KBr | AgNO3 | AgBr | NaNO3; K2SO4; Ca(OH)2 | ||
| AgNO3 | K3[Fe(CN)6] | Ag3 [Fe(CN)6] | (NH4)2SO4; KNO3; NaAc |