Определение знака заряда и величины дзета-потенциала

На границе раздела твердой фазы и раствора, как правило, возникает двойной электрический слой (ДЭС). Его происхождение может быть двояким. Во-первых, возможна ионизация молекул, составляющих поверхностный слой твердой фазы, например, ионизация молекул H₂SiO₃, образующихся на поверхности SiO₂ в воде. Во-вторых, на поверхности твердой фазы может происходить адсорбция одного из ионов, присутствующего в растворе электролита. При этом на поверхности преимущественно адсорбируются ионы, входящие в состав твердой фазы или близкие к ним по природе. Так на поверхности частиц золя AgCl будут адсорбироваться ионы Ag⁺ или Cl^– в зависимости от того, какие из них имеются в растворе в избытке. Ионы, определяющие заряд коллоидной частицы (гранулы) называются потенциалобразующими. К заряженной поверхности частиц будут притягиваться ионы противоположного знака, т.е. противоионы, образуя двойной электрический слой.

Двойной электрический слой на поверхности коллоидных частиц включает так называемый адсорбционный слой и диффузный слой. Адсорбционный слой образован частью противоионов, которые прочно связаны с ядром мицеллы электростатическими силами (притягивание разноименных зарядов) и адсорбционными силами. Остальные противоионы, благодаря тепловому движению и взаимному отталкиванию, уходят на некоторое расстояние от межфазной границы, образуя диффузный слой ионов, который удерживается у поверхности только электростатическими силами (см. рис.10.1).

Рис. 10.1. Строение мицеллы и двойного электрического слоя.

Каждая точка электрического поля двойного слоя, образованного потенциалопределяющими ионами и противоионами, характеризуется определенным значением электрического потенциала. Причем в адсорбционном слое, т.е. на малых расстояниях от поверхности, падение потенциала происходит круто, а далее в диффузном слое более полого.

Наличие заряда у частиц можно обнаружить, помещая коллоидный раствор в постоянное электрическое поле. При этом ядро мицеллы вместе с прочно адсорбированными на нем противоионами движется к одному из электродов, а остальные противоионы перемещаются к другому электроду. Знак заряда частиц легко определить по тому, к какому из электродов они направляются.

Электрофорез – движение заряженных коллоидных частиц в электрическом поле.

Скорость электрофореза зависит от потенциала на границе скольжения, разделяющей две перемещающиеся друг относительно друга части мицеллы.

Потенциал двойного слоя, отвечающий границе скольжения при движении дисперсной фазы и дисперсионной среды относительно друг друга, называется электрокинетическим или x-потенциалом (дзета-потенциалом). Место границы скольжения определяется действием адсорбционных и электрических сил, а также свойствами раствора, окружающего частицы, в частности, вязкостью прилегающих слоев жидкости. Граница скольжения может совпадать с границей между адсорбционными и диффузным слоями или находиться несколько дальше от поверхности, где-то в диффузном слое.

Дзета-потенциал является важной характеристикой коллоидных систем. Во многих случаях отмечается закономерность: чем больше величина x-потенциала, тем выше устойчивость золя. При значениях x-потенциала ниже 0,03 В (критический потенциал) наступает коагуляция золя.

Электрофорез находит широкое применение в медико-биологических исследованиях. В клинической практике электрофоретические методы применяются для диагностики многих заболеваний, для разделения аминокислот, нуклеиновых кислот, антибиотиков, ферментов, антител, для определения чистоты белковых препаратов и т.д.

Цель работы.

1. Определить знак заряда коллоидных частиц золя гидроксида железа (III).

2. Вычислить величину электрокинетического потенциала (дзета-потенциала).

Реактивы.

· Золь гидроксида железа (III) (см. работу 9).

Оборудование и посуда.

· Прибор для наблюдения электрофореза (U-образная трубка).

· Медные электроды.

· Выпрямитель.

· Регулятор напряжения.

· Вольтметр.

Выполнение работы.

1. В прибор для наблюдения электрофореза, вымытый хромовой смесью и дистиллированной водой, а затем высушенный, наливают свежеприготовленный золь гидроксида железа (См. работу 9).

2. Прибор устанавливают в штатив. В оба колена прибора помещают медные электроды. Электроды соединяют с клеммами выпрямителя тока. В присутствии преподавателя или лаборанта включают выпрямитель в сеть, устанавливают напряжение 30 В, отмечают время начала опыта.

3. Через некоторое время (как правило, около 1 часа) наблюдается существенное ослабление окраски либо обесцвечивание золя в одном колене прибора, что обусловлено движением заряженных частиц золя к соответствующему электроду. Делают вывод о знаке заряда коллоидных частиц золя гидроксида железа.

4. Замечают время продвижения окрашенной границы и измеряют расстояние S в см, на которое она сместилась. Измеряют с помощью полоски бумаги расстояние l между электродами в см (вдоль трубки). Результаты наблюдений заносят в таблицу.

Время t, сек	Пройденный путь S, см	Напряжение V, В

Обработка результатов.

1. Определяют среднюю величину градиента потенциала Н:

,

где V – напряжение, В, l – расстояние между электродами.

2. Вычисляют электрофоретическую скорость U:

,

где S – путь, пройденный окрашенной границей за время t.

3. По уравнению Смолуховского вычисляют величину электрокинетического потенциала (дзета-потенциала):

(В),

где h - вязкость дисперсионной среды, т.е. воды, h = 0,01 П (пуаз),

D – диэлектрическая постоянная воды, D = 81,

300 – переводной множитель для вычисления дзета-потенциала в вольтах.

Контрольные вопросы.

1. В чем состоит сущность определения знака заряда коллоидной частицы методом капиллярного анализа?

2. Что называется электрофорезом?

3. Какой заряд имеют гранулы золя Fe(OH)₃?

4. Для одного золя дзета-потенциал равен 0,02 В, для другого – 0,06 В. Какой золь более устойчив и почему?

ЗАДАЧИ

для подготовки к семинарским занятиям и контрольным работам

Тема: Способы выражения концентрации растворов

1. Массовая доля сахара в сиропе для варенья должна составлять 70%. Какие массы сахара и воды следует взять для приготовления 1 кг сиропа?

2. Рассчитайте, какая масса поваренной соли и какой объем воды требуются для приготовления 10 л раствора, массовая доля соли в котором составляет 8%, а его плотность 1,06 г/мл.

3. В рецептах маринадов для овощей рекомендуется готовить заправку из расчета 200 г уксусной эссенции (80%-й водный раствор уксусной кислоты) на 9 л воды. Какова массовая доля уксусной кислоты в таком растворе?

4. Используемый в медицинских целях раствор пероксида водорода («перекись») представляет собой 3%-ный раствор. Промышленностью выпускается 30%-ный раствор – пергидроль. В каком отношении надо взять пергидроль и воду, чтобы получить раствор, используемый в медицине?

5. В медицинских целях обычно используется 3%-ная йодная настойка. Рассчитайте, какой объем этилового спирта С₂Н₅ОН необходим для приготовления такой настойки из 15 г иода. Плотность спирта 0,8 г/мл.

6. К 160 г 20%-ного раствора щелочи добавили еще 40 г твердой щелочи. Чему равна массовая доля растворенного вещества в полученном растворе?

7. Какой объем воды надо выпарить из 500 мл 4%-ного раствора соли (ρ=1,04 г/мл), чтобы получить раствор с массовой долей соли 0,16?

8. Для нейтрализации щелочи, попавшей на кожу, после промывания водой используется 2%-ный раствор борной кислоты. Какая масса насыщенного раствора этой кислоты с концентрацией 4,7% нужна для приготовления 500 г 2%-ного раствора.

9. Какова будет массовая доля азотной кислоты в растворе, если к 40 мл 96%-ного (плотность 1,5 г/мл) прилить 30 мл 48%-ного раствора HNO₃ (плотность 1,3 г/мл)?

10. Смешали 2,3 кг 12%-ного раствора нитрата калия и 2,3 л раствора с концентрацией этой соли, равной 2,24 моль/л (плотность 1,133 г/мл). Вычислите массовую долю соли в полученном растворе.

11. Вычислите массу хлорида натрия, необходимую для приготовления 250 мл 0,1 М раствора NaCl.

12. Найдите массу медного купороса, необходимую для приготовления 0,3М раствора. Чему равна нормальность этого раствора (молярная концентрация эквивалента)?

13. В медицинской практике часто пользуются 0,9%-ным изотоническим (физиологическим) раствором NaCl. Вычислите а) молярную, моляльную концентрацию и титр раствора; б) массу соли, введенную в организм при вливании 500 мл этого раствора.

14. В медицинской практике при кожных заболеваниях пользуются 10%-ным раствором СаСl₂. Вычислите: а) молярную, моляльную концентрацию и титр раствора; б) массу соли, введенную в организм при вливании 20 мл этого раствора.

15. Найдите процентную концентрацию 0,25М раствора фосфорной кислоты, плотность которого 1,01 г/мл.

16. Плотность 40%-ного раствора серной кислоты равна 1,300 г/мл. Рассчитайте молярность и нормальность (молярную концентрация эквивалента) этого раствора.

17. Определите моляльную концентрацию хлорида кальция в 5%-ном растворе. Определите мольные доли веществ в этом растворе.

18. Определите мольную долю растворенного вещества, а также молярность, нормальность, моляльность и титр следующих растворов: а) 70%-ной серной кислоты, б) 20%-ного гидроксида натрия. Необходимые значения плотности растворов найдите в приложении.

19. Определите мольную долю растворенного вещества, а также молярность, нормальность, моляльность и титр следующих растворов: а) 20%-ной фосфорной кислоты, б) 25%-ного едкого кали. Необходимые значения плотности растворов найдите в приложении.

20. Определите моляльность раствора, полученного при растворении 5 г толуола в 225 г бензола. Определите мольную долю толуола в этом растворе и молярную концентрацию, если плотность раствора 0,876 г/мл.

21. Какая масса серной кислоты содержится в растворе, который полностью нейтрализован 60 мл 0,5 н раствора гидроксида калия?

22. Какой объем 0,1 н раствора гидроксида натрия требуется для полной нейтрализации 50 мл 40%-ного раствора серной кислоты (плотность 1,300 г/мл)?

Тема: Химическая термодинамика и химическое равновесие

1. При сгорании 21,5 г ацетона выделяется 660,72 кДж. Составьте термохимическое уравнение этой реакции.

2. В калориметрической бомбе в избытке хлора сожгли 0,0123 г алюминия. В результате выделилось 320,8 Дж теплоты. Вычислите энтальпию образования хлорида алюминия.

3. Определите энтальпию реакции COCl₂ + ½ O₂ = CO₂ + Cl₂ по следующим данным:

COCl₂ = CO + Cl₂, ΔH^o = 112,5 кДж

CO₂ = CO + ½ O₂, ΔH^o = 282,8 кДж

4. Подберите коэффициенты в уравнениях реакций. Используя табличные данные энтальпий образования участников, рассчитайте тепловые эффекты следующих реакций:

SiCl_4(г) + H₂O_(г) → SiO_2(кр) + HCl_(г)

H₂O_(г) + Br_2(г) → HBr_(г) + O_2(г)

NH_3(г) + NO_2(г) → N_2(г) + H₂O_(г)

Al_(кр) + CuO_(кр) → Cu_(кр) + Al₂O_{3 (кр)}

Запишите термохимические уравнения реакций.

5. Одной из стадий количественного определения антиангинального препарата нитроглицерина является реакция:

.

Вычислите тепловой эффект реакции. Экзо- или эндотермической она является?

6. Энтальпия сгорания мочевины с образованием углекислого газа и жидкой воды равна –635 кДж/моль. Рассчитайте энтальпию образования мочевины из простых веществ, если известны энтальпии образования углекислого газа и жидкой воды ΔH^o _f (CO₂) = –393,51 кДж/моль, ΔH^o _f (H₂O) = –285,8 кДж/моль.

7. Энтальпии сгорания α-глюкозы, β-фруктозы и сахарозы при 25°С равны соответственно –2802, –2810 и –5644 кДж/моль. Рассчитайте теплоту гидролиза сахарозы.

8. В организме человека в результате метаболизма образуется глицерин, который далее превращается в СО_2(г) и Н₂О_(ж). Пользуясь справочными данными энтальпий образования, определите, какое количество теплоты выделяется при окислении 1 г глицерина.

9. Рассчитайте энтальпию реакции получения мочевины в организме из аммиака и оксида углерода (IV) 2NH_3(г) + СО_2(г) = СO(NH₂)_2(т) + Н₂О_(г).

10. Вычислите стандартные энтропии реакций радикального хлорирования метана до хлорметана и этана до хлорэтана. Какая из реакций характеризуется более существенным приращением стандартной энтропии?

11. Какая из реакций гидрирования: а) пропена; б)1,2–бутадиена будет характеризоваться максимальным значением энтропии.

12. Оцените роль энтальпийного и энтропийного фактора для реакции диспропорционирования нитрита натрия:

.

Возможно ли самопроизвольное протекание этой реакции при стандартных условиях?

13. Оцените роль энтальпийного и энтропийного факторов для реакции ферментативного гидролиза мочевины.

Возможно ли самопроизвольное протекание этой реакции при стандартных условиях?

14. Для реакции гидратации яичного альбумина при 25ºС ΔH^o=–6,58 кДж/моль, ΔS^o=–9,5 Дж/моль∙К. Найдите константу равновесия для этой реакции.

15. Вычислить константу равновесия и начальные концентрации веществ для реакции , если равновесные концентрации веществ участников реакции равны: 2, 1, 3,2 моль/л соответственно.

Тема: Коллигативные свойства растворов

1. Найдите температуры замерзания и кипения следующих водных растворов:

а) 5%-ный раствор глюкозы;

б) 10%-ный раствор мочевины:

в) 10%-ный раствор сахара.

Криоскопическая и эбуллиоскопическая константы воды соответственно равны 1,86 К∙кг/моль и 0,512 К∙кг/моль.

2. При какой температуре закипит 2%-ный спиртовой раствор салициловой кислоты, применяемый как антисептическое средство? Эбулископическая константа этанола 1,11 К×кг/моль. Температура кипения этанола 78ºС.

3. Гормон адреналин состоит (по массе) из 59% углерода, 26,2 % кислорода, 7,1% водорода и 7,6% азота. Температура кипения раствора, содержащего 6,4 г адреналина в 360 г, на 0.49 К выше температуры кипения чистого СCl₄. Какова молярная масса и молекулярная формула адреналина (Эбулископическая константа для СCl₄ равна 5,02 К×кг/моль)?

4. Для определения молекулярной массы белого фосфора его навеску 0,7590 г растворили в 30 г бензола, температура кристаллизации полученного раствора равна 4,5 ⁰С. Найдите, сколько атомов входит в молекулу белого фосфора. Температура кристаллизации чистого бензола равна 5,5⁰С, К=4,9 К×кг/моль.

5. Определите температуру замерзания раствора хлорида натрия массовой долей 5 %, если кажущаяся степень диссоциации NaCl в этом растворе равна 84,5 %. Криоскопическая постоянная воды 1,86 К×кг/моль.

6. Найдите, при какой температуре закипит и замерзнет 5%-ный раствор перманганата калия, считая степень его диссоциации в этом растворе равной 83%.

7. Вычислите изотонический коэффициент в 0,15 М растворе NaCl, который изотоничен 5%-му раствору глюкозы (плотность раствора глюкозы считать равной 1г/мл).

8. Определите молярную концентрацию раствора сахарозы, который изотоничен крови.

9. Чему равна осмоляльная концентрация крови лягушки, если температура замерзания крови равна –0,41°С?

10. Определить осмотическое давление крови лягушки, если осмотическая концентрация ее крови при 7°С равна 220 мОсмоль/л.

11. Определить процентную концентрацию раствора NaCl, который изотоничен крови лягушки, если осмотическая концентрация ее крови равна 220 мОсмоль/л.

12. Какое явление (лизиса или плазмолиза) эритроцитов при 20°С будет наблюдаться в 30%-ном растворе тиосульфата натрия (ρ=1,274 г/мл), если осмотическое давление крови составляет 730–780 кПа? Степень диссоциации Na₂S₂O₃ считать равной 0,9.

Тема: Протолитические равновесия. рН растворов. Буферные системы

Необходимые для решения задач значения констант диссоциации кислот и оснований приведены в приложении.

1. В таблице приведены значения рН некоторых жидкостей. Найдите концентрацию ионов водорода и гидроксид-ионов.

Раствор	рН
Прохладительные напитки	2,0 – 4,0
Лимонный сок	2,2–2,4
Уксус столовый	2,4–3,4
Томатный сок	4,0–4,4
Черный кофе	5,0–5,1
Молоко	6,3–6,6
Чистая вода	7,0
Плазма крови	7,35–7,45
Желчь	7,6–8,6
Сок поджелудочной железы	7,8–8,0
Раствор мыла	8–10

2. В нормальном желудочном соке содержание соляной кислоты колеблется в пределах от 0,07 до 0,15%. Рассчитать пределы изменения рН. Плотность желудочного сока принять равной 1 г/мл.

3. К 49 мл воды добавлено 5 мл 0,1 н NaOH. Как изменилось значение рН?

4. К 49 мл воды добавлено 3 мл 0,1 н HCl. Как изменилось значение рН?

5. Три кислоты имеют следующие значения рК_а: масляная кислота – 4,82, барбитуровая кислота – 5,0, молочная кислота – 3,85. Какая из них является самой слабой и какая самой сильной? Найдите значения констант ионизации кислот.

6. Найдите значение рН раствора молочной кислоты с концентрацией 0,15 моль/л. Чему равна степень диссоциации молочной кислоты в этом растворе?

7. Вычислите рН раствора, полученного при растворении таблетки аскорбиновой кислоты массой 0,5 г в таком количестве воды, чтобы объем раствора достигал 0,4 л (К_а = 8,0∙10^–5 моль/л, молекулярная формула аскорбиновой кислоты С₆Н₈О₆).

8. Найдите значение рН нашатырного спирта (10%-ного водного раствора аммиака). Плотность раствора принять равной 0,96 г/мл.

9. Найдите значения рН буферных смесей, содержащих эквимолярные количества (а) Н₃ВО₃ и Н₂ВО₃^– ;(б) НСО₃^– и СО₃^2–; (в) H₃PO₄ и H₂PO₄^–.

10. Рассчитайте рН буферного раствора, полученного растворением 0,1 моль муравьиной кислоты и 0,1 моль формиата натрия в 1 литре воды. Рассчитайте массы реагентов для получения такого раствора.

11. рН раствора, полученного растворением 1 моль пропионовой кислоты и 1 моль пропионата натрия в 1 л воды, составляет 4,85. Каково будет значение рН при использовании по 0,1 моль каждого из реагентов?

12. Рассчитайте рН водных растворов, содержащих:

а) 0,58 моль/л уксусной кислоты и 0,18 моль/л ацетата натрия;

б) 0,8 моль/л молочной кислоты и 0,4 моль/л лактат-иона;

в) 0,42 моль/л фтороводородной кислоты и 1,38 моль/л фторида натрия;

г) 0,3 моль/л NH₄OH и 1,48 моль/л NH₄⁺.

13. Сколько граммов твердого Na₂HPO₄ необходимо добавить к 1 л 0,01 M раствора NaH₂PO₄, чтобы получить раствор с рН равным 8,21?

14. Каково соотношение концентраций H₂CO₃ и гидрокарбонат-анионов, а также анионов H₂PO₄^– и HPO₄^2– в плазме крови при физиологически нормальном значении рН?

Тема: Химическая кинетика

1. Для лечения некоторых опухолей применяют изотоп иод-131. Период полураспада составляет 8,1 сут. Какое время должно пройти, чтобы количество радиоактивного иода в организме больного уменьшилось в 100 раз.

2. Период полураспада радиоактивного изотопа ⁹⁰Sr, который попадет в атмосферу при ядерных испытаниях, составляет 28,1 лет. Предположив, что организм новорожденного поглотил 1,00 мг этого изотопа и что он не выводится из организма, рассчитайте, сколько радиоактивного стронция останется в организме через: а) 18 лет, б) через 70 лет.

3. Константа скорости разложения анальгина при 20 °С составляет 1,5∙10^–9 с^–1. Определите срок хранения таблеток (время разложения 10% вещества) при 20°С.

4. Температурный коэффициент скорости некоторой ферментативной реакции равен 7. Во сколько раз увеличится скорость этой реакции при изменении температуры от 37°С до 42°С?

5. Реакция при температуре 40°С протекает за 180 с при температурном коэффициенте равном 3. За сколько времени завершится эта реакции при 60°C?

6. Энергия активации реакции, приводящей к скисанию молока, равна 75 кДж/моль. При температуре 21ºС молоко скисает за 8 часов. Как долго можно хранить молоко в холодильнике при 5ºС? Время реакции можно считать обратно пропорциональным константе скорости.

7. Раскручивание двойной спирали ДНК – реакция первого порядка с энергией активации 420 кДж/моль. При 37ºС константа скорости равна 4,90∙10^–4 мин^–1. Найдите константу скорости при 40ºС.

8. Для реакции гидролиза сахарозы при температуре 298,2 К константа скорости равна 0,765 л∙моль^–1∙мин^–1, а при температуре 328,2 К – 35,5 л∙моль^–1∙мин^–1. Найдите энергию активации этой реакции и константу скорости при температуре 343 К.

9. Константа скорости гидролиза новокаина при 313 К равна 0,66 мин^–1. Энергия активации равна 55,2 кДж/моль. Какая массовая доля новокаина разложится за 10 дней хранения при 193 К?

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

В тестовых заданиях из четырех вариантов ответа выберите один верный.

Вариант 1

1. Атомы кислорода и фтора:

1. находятся в одной группе

2. имеют одинаковое число электронов

3. имеют одинаковое число электронных слоев

4. имеют одинаковое число электронов на внешнем электронном слое

К микроэлементам относится

1. цинк

2. фосфор

3. кальций

4. сера

Электрический ток проводит

1. раствор парафина

2. водный раствор глицерина

3. водный раствор глюкозы

4. водный раствор NaCl