Опыт 3. Получение и коагуляция коллоидного раствора (золя) кремниевой кислоты

Коллоидный раствор возникает, если в гетерогенной системе имеются условия для образования особой частицы, называемой "мицелла". Центром мицеллы является ядро, представляющее собой ассоциат молекул нерастворимых веществ. В данном случае (см. схему 4.1) это молекулы метакремниевой (H₂SiO₃) и ортокремниевой (H₄SiO₄) кислот, образующихся в реакции, проходящей в водном растворе:

На поверхности ядра адсорбируются находящиеся в растворе в избытке частицы, которые в наибольшей степени подобны тем атомным группам, которые имеются в составе молекул, образующих ядро. В рассматриваемой реакционной системе это протоны в составе молекул HCl (см. схему 4.1). В результате этой адсорбции происходит компенсация избыточной поверхностной энергии G_пов на границе раздела фаз в системе кремниевая кислота – водный раствор HCl. Ядро вместе с адсорбционным слоем протонов образует положительно заряженный агрегат. На поверхности агрегата адсорбируется часть противоионов (в рассматриваемом случае это анионы Cl^-). При этом образуется гранула, имеющая тот же заряд, что и агрегат. Гранулы как раз и являются коллоидными частицами, которые в совокупности образуют дисперсную систему.

Оставшиеся противоионы, не вошедшие в адсорбционный слой, гидратируются водой и распределяются по всему раствору, образуя диффузный слой. Гранула вместе с диффузным слоем образуется мицеллу, которая в целом электронейтральна.

Химическая формула мицеллы, образующейся в системе, изучаемой в данном опыте, имеет следующий вид (схема 4.1):

Схема 4.1

В определенных условиях (нагревание, перемешивание, добавление других электролитов и др.) адсорбционные слои ионов на ядре частично или полностью разрушаются. В этом случае компенсация избыточной поверхностной энергии G_пов на границе раздела фаз происходит путем агрегации – слипания частиц дисперсной фазы (в проводимом опыте – частиц кремниевой кислоты). Этот процесс, приводящий к укрупнению частиц фазы без выпадения их в осадок, называется гелеобразованием (неполная коагуляция). При этом не происходит полного разрушения дисперсной системы.

Гелеобразование – процесс обратимый, и при соответствующих воздействиях на дисперсную гелеобразную систему гель можно опять превратить в коллоидный раствор (золь).

Если же укрупнение столь значительно, что под действием силы тяжести укрупненные частицы выпадают в осадок (т.е. осуществляется процесс седиментации), то происходит полное разрушение коллоидного раствора. В этом случае имеет место полная коагуляция с образованием осадка (коагулята).

Цель работы: получить представление об образовании коллоидного раствора кремниевой кислоты в воде при взаимодействии силиката натрия с избытком соляной кислоты и об условиях превращения этого золя в гель.

Используемые вещества: 37 %-ный раствор HCl; профильтрованный через стеклянный фильтр раствор силикатов натрия Na₂SiO₃ и Na₄SiO₄ (силикатного клея).

Посуда и принадлежности: пробирка на 20 см³, градуированная пипетка.

Методика проведения опыта.К 6 см³ 37 %-ного раствора соляной кислоты медленно прилейте при интенсивном перемешивании стеклянной палочкой 1см³ раствора силикатного клея. Нагрейте раствор до кипения, а затем охладите. В наблюдениях отметьте, что происходило на всех стадиях опыта (при сливании, кипении, охлаждении).

В выводах:

– назовите и охарактеризуйте наблюдаемые Вами физико-химические явления, объясните их причину,

– отметьте, почему и как происходит в данном опыте образование золя и гелеобразование;

– объясните, почему в присутствии большого избытка воды в отсутствие HCl нерастворимые кремниевые кислоты образуют коллоидные растворы. Изобразите формулу мицеллы, образующейся в этом случае, с учетом частиц, возникающих при диссоциации кремниевой кислоты:

H₂SiO₃ H⁺ + HSiO₃^-

Объясните, почему в ряде случаев нерастворимые или малорастворимые вещества плохо образуют осадок и их трудно отделить от растворов, например, Al(OH)₃, Zn(OH)₂, Ca(OH)₂ и др.