Опыт №8. Определение знака заряда коллоидных частиц методом капиллярного и капельного анализа

Опустите полоски фильтровальной бумаги в коллоидные растворы из
опытов 2, 4, 5, не касаясь стенок стакана.

Определение знака заряда коллоидных частиц капиллярным методом основано на том, что бумага, шелк, стекло, песок и другие материалы при погружении в воду заряжаются отрицательно. Если коллоидные частицы заряжены отрицательно, они будут отталкиваться от стенок капилляров фильтровальной бумаги и вместе с водой поднимутся вверх. Если же знак заряда коллоидных частиц положительный, то они притянутся к бумаге и осядут на ней.

Видоизмените опыт, нанеся на фильтровальную бумагу каплю окрашенного золя. Определите знак заряда коллоидных частиц, исходя из того, что при положительном заряде, капля золя на бумаге расслаивается.

Определите знаки зарядов коллоидных частиц для каждого из трех золей.

Опыт №9. Определение заряда коллоидных частиц методом электрофореза

Поместите в U-образную трубку исследуемый окрашенный золь, например, золь берлинской лазури. В оба колена трубки введите электроды. Подсоедините электроды к источнику постоянного тока. Установите разность потенциалов около 100 В. Через 5 – 10 минут наблюдайте зону просветления у одного из электродов, заряженного одноименно с коллоидными частицами. Определите заряд коллоидных частиц.

Примеры решения задач

Пример 1

Золь сульфата бария был получен смешением равных объемов 0,004н. раствора серной кислоты и 0,01н. раствора хлорида бария. Изобразите схему строения мицеллы золя.

Решение

H₂SO₄+BaCl₂=BaSO₄¯+2 HCl

В соответствии с условием задачи BaCl₂ находится в избытке. Агрегат образует нерастворимая соль – сульфат бария. На поверхности агрегата адсорбируются те ионы из раствора, которые находятся в избытке и родственны составу агрегата. Это ионы Ва²⁺, они являются потенциалопределяющими, к ним притягиваются электростатическими силами противоионы адсорбционного слоя. Это ионы Cl^-. Положительный заряд коллоидной частицы нейтрализуют хлорид-ионы диффузного слоя.

Схема строения мицеллы:

{[BaSO₄]_m, nBa²⁺,2(n-x)Cl^-}^2x+2xCl^-

7.4 Требования к уровню подготовки студентов

¾ Знать понятия: золь, гель, лиофильные и лиофобные коллоиды, коагуляция, порог коагуляции, пептизация.

¾ Иметь представление о методах получения лиофобных золей.

¾ Уметь изображать схемы строения мицелл лиофобных золей в зависимости от условий получения золей.

7.5 Задания для самоконтроля

7.5.1 Изобразите схему строения мицеллы гидрозоля сульфида
сурьмы (III), если в растворе существует избыток ионов HS^- и Н⁺.

7.5.2 При смешивании равных объемов 0,05н. раствора сульфида натрия и 0,002н. раствора нитрата меди (II) был получен золь сульфида меди (II). Составьте схему мицеллы этого золя.

7.5.3 Какие ионы в мицеллах золя являются потенциалопределяющими, если золь получен смешиванием равных объемов 0,001 н. раствора NaCl и 0,005 н. раствора AgNO₃? Составьте формулу мицеллы золя.

7.5.4 Какие ионы в мицеллах золя являются потенциалопределяющими, если золь получен смешиванием равных объемов 0,0005 н. раствора CuSO₄ и
0,001 н. раствора KOH? Составьте формулу мицеллы золя.

7.5.5 Какие ионы в мицеллах золя являются противоионами, если золь получен смешиванием равных объемов 0,0006 н. раствора FeCl₂ и 0,002 н. раствора NaOH? Составьте формулу мицеллы золя.

Лабораторная работа №8

Исследование коагулирующего действия ионов в зависимости от величины их заряда

Цель: определение порога коагуляции золя гидроксида железа различными электролитами, проверка справедливости правила Шульце-Гарди.

Оборудование и реактивы: конические колбы на 100 мл (3 шт.), пипетка, бюретки (3 шт.), стакан на 250 мл, 2%-ный раствор FeCl₃, дистиллированная вода, растворы КС1 (2 моль/л), K₂S0₄ (0,05 моль/ л), K₃[Fe(CN)₆] (0,005 моль/л).

Теоретические пояснения

Процесс слипания коллоидных частиц (потеря золем агрегативной устойчивости) называется коагуляцией. Процессу коагуляции золя способствуют вибрация, нагревание, замораживание, пропускание электрического тока, длительное стояние (старение золя), прибавление электролита.

Коагуляцию вызывают ионы электролита, несущие заряд, противоположный по знаку заряду коллоидной частицы. В соответствии с правилом Шульце–Гарди, коагулирующее действие электролита сильно возрастает с ростом заряда иона-коагулятора.

Минимальная концентрация электролита (может выражаться в моль/л, ммоль/л, кмоль/м³), вызывающая явную коагуляцию золя, называется порогом коагуляции. Порог коагуляции С_К, выраженный в моль/л, может быть рассчитан по формуле:

, (8.1)

где С(1/zX) – молярная концентрация эквивалента электролита Х, моль/л;

V_ЭЛ.. и V_З – объемы электролита и золя соответственно, л.

В соответствии с теорией ДЛФО[1],порог коагуляции золя электролитом С_К обратно пропорционален заряду иона-коагулянта Z в шестой степени:

С_К= K/Z⁶, (8.2)

где К – постоянная для данного золя величина.

Если принять порог коагуляции трехзарядного иона за единицу, то для соотношения порогов коагуляции ионов с различными зарядами можно записать приближенно:

С_K(z=1):C_K(z=2):C_K(z=3)»730:11:1

В реальных системах могут наблюдаться отклонения от приведенных цифр, но порядки величин сохраняется.

При сливании коллоидных растворов с противоположными зарядами частиц, может происходить взаимная коагуляция.

Различают медленную и быструю коагуляцию. При медленной коагуляции не каждое столкновение между частицами приводит к их слипанию. Этот вид коагуляции на первых стадиях может не проявляться визуально. При быстрой коагуляции эффективным является каждое столкновение между частицами.

Методика проведения опыта

Необходимый для исследований золь Fe(OH)₃ готовят следующим образом: в 250 мл кипящей дистиллированной воды постепенно вливают 10 мл 2% -ного раствора FeCl₃. Образовавшийся золь красно-коричневого цвета охлаждают до комнатной температуры.

Запишите химическое уравнение полного гидролиза FeCl₃. Составьте формулу мицеллы образовавшегося золя Fe(OH)₃.

В три сухие конические колбы на 100 мл пипеткой вливают по 35 мл гидрозоля Fe(OH)₃. Берут 3 бюретки с ценой деления 0,1 мл и заполняют их растворами электролитов-коагулянтов: первую раствором КС1 (2 моль/л), вторую — K₂SО₄ (0,05 моль/л) и третью — K₃[Fe(CN)₆] (0,005 моль/л).

После этого в каждую колбу с золем добавляют из бюретки по каплям растворы исследуемых электролитов до появления первых признаков коагуляции. Начало коагуляции, то есть изменение числа частиц, можно точно наблюдать только при помощи ультрамикроскопа. Невооруженным глазом удается заметить только начало явной коагуляции — появление мути.

Количество электролита, которое потребовалось, чтобы вызвать коагуляцию золя, определяют с точностью до одной капли (объем капли приблизительно 0,05мл). Результаты записывают в таблицу 8.1.

Таблица 8.1 – Коагуляция золя Fe(OH)₃ различными электролитами

Электролит-коагулянт	Концентрация электролита, моль/л	Объем электролита, необходимый для коагуляции, мл	Порог коагуляции, ммоль/л
КС1	2,0
K2SО4	0,05
K3[Fe(CN)6]	0,005

Порог коагуляции С_К в ммоль/л рассчитывают по формуле:

Отчет должен содержать название работы и описание цели ее выполнения, краткие теоретические положения, описание методики выполнения работы, таблицу с экспериментальными результатами, расчет порогов коагуляции разными электролитами, вывод.

Примеры решения задач

Пример 1

Пороги коагуляции золя электролитами оказались равными (моль/л): C_к(NaNO₃)=0,25; C_к(Fe(NO₃)₃)=0,0005; C_к(Mg(NO₃)₂)=0,02. Определите ионы-коагуляторы для этих электролитов. Как заряжены частицы золя?

Решение

Все применяемые в качестве коагулянтов электролиты содержат нитрат-анион. Если бы коагулирующей способностью обладали анионы коагулянта, то пороги коагуляции для всех электролитов были бы одинаковыми. Однако, в ряду Na⁺, Mg²⁺, Fe³⁺ значения порогов коагуляции резко уменьшаются. То есть, с ростом заряда катиона коагулянта порог коагуляции падает. Как известно, коагулирующей активностью обладают ионы, противоположно заряженные по отношению к коллоидным частицам, поэтому можно заключить, что коллоидные частицы изучаемого золя имеют отрицательный заряд, а ионами-коагуляторами являются катионы электролита.

Пример 2

Чтобы вызвать коагуляцию Fe(OH)₂ к 5 мл золя было прибавлено: 1) 0,5 мл 1н. раствора NaCl, 2) 6 мл 0,05н. раствора Na₂SO₄, 3) 2 мл 0,001н. раствора Na₃PO₄. Определить знак заряда коллоидной частицы и пороги коагуляции для каждого электролита.

Решение

В соответствии с формулой (8.1) рассчитаем пороги коагуляции для электролитов:

,

,

Катион в трех электролитах одинаковый. С ростом заряда аниона порог коагуляции электролита уменьшается, то есть коагулирующая сила возрастает. Следовательно, коагуляцию вызывает анион.

Так как коагуляцию золя вызывают ионы, имеющие заряд, противоположный по знаку заряду коллоидной частицы, то она заряжена положительно.