Лабораторная работа 10

Коллоидные растворы

Цель работы: изучить основные понятия коллоидной химии «дисперсность, коллоидный раствор, дисперсная фаза, дисперсионная среда, коллоидная частица, мицелла, коагуляция, седиментация, пептизация»; получение коллоидных растворов; научиться составлять схемы мицелл.

Задание: получить коллоидные растворы гидроксида железа (III) методоми конденсации и диспергирования осадка Fe(OH)₃. Выполнить требования к результатам опытов, оформить отчет, решить задачу.

Теоретическое введение

Системы, в которых одно вещество распределено в мелкораздробленном состоянии в среде другого, называются дисперсными. Раздробленное (распределенное вещество) называется дисперсной фазой, а среда, в которой распределена дисперсная фаза – дисперсионной средой.Дисперсные системы с размером частиц дисперсной фазы от 1 до 100 нм называются коллоидными растворамиили золями.

Дисперсная фаза в коллоидном растворе (или золе) представлена коллоидными частицами, в состав которых входят ядро, зарядообразующие ионы и противоионы. Зарядообразующие ионы могут быть положительно или отрицательно заряженными, поэтому и коллоидные частицы имеют либо положительный, либо отрицательный заряд. Заряженные коллоидные частицы притягивают к себе молекулы Н₂О из дисперсионной среды; так создается гидратная оболочка, окружающая коллоидную частицу.

Примерный состав коллоидных частиц золей Sb₂S₃ и Fe(OH)₃ можно выразить следующими формулами:

[(mSb₂S₃)·nHS⁻·(n-x)H⁺·yH₂O]^{x- ;}

[(mFe(OH)₃·nFe³⁺·3(n-x)Cl⁻·yH₂O]^3x+.

Противоионы Н⁺ или Cl^-, которые входят в состав коллоидных частиц, называют связанными. Свободные противоионы остаются в дисперсионной среде.

Коллоидную частицу и эквивалентную ей часть дисперсионной среды (гидратированных свободных противоионов) называют мицеллой. Мицеллу считают структурной единицей коллоидного раствора. Формулы

{[(mSb₂S₃)·nHS^-·(n-x)H⁺·yH₂O]^x−+ xH⁺·zH₂O},

{[(mFe(OH)₃·nFe³⁺·3(n-x)Cl⁻·yH₂O]^3x+ + 3xCl⁻·zH₂O}⁰

выражают примерный состав мицелл золей сульфида сурьмы и гидроксида
железа.

Коллоидная дисперсность вещества является промежуточной между группой дисперсности, характерной для взвеси и молекулярной, характерной для истинных растворов. Поэтому коллоидные растворы получают либо из истинных растворов путем укрупнения частиц молекулярной дисперсности до определенного предела (максимум до 100 нм), либо из взвеси путем дробления грубодисперсных частиц также до определенного предела (минимум до 1 нм). В этой связи различают конденсационные методы (укрупнение частиц) и метод диспергирования(дробление частиц).

Конденсация частиц молекулярной дисперсности может происходить в процессе гидролиза солей некоторых поливалентных металлов, например, FeCl₃. Гидролиз иона Fe³⁺ протекает по ступеням:

Fe³⁺ + H₂O = FeOH²⁺ + H⁺

FeOH²⁺ + H₂O = Fe(OH)₂⁺ + H⁺

Fe(OH)₂⁺ + H₂O = Fe(OH)₃ + H⁺.

Гидроксид железа Fe(OH)₃ не выпадает в осадок, т.к. степень гидролиза FeCl₃ по третьей ступени мала.

Зарядообразующими ионами в процессе образования золя могут быть Fe³⁺, FeOH²⁺ , Fe(OH)₂⁺ , а противоионами − Cl⁻ .

Примером получения золей методом диспергирования может служить получение коллоидного раствора Fe(OH)₃ путем химического дробления осадка гидроксида железа (III), называемого пептизацией. Пептизатором может быть электролит с одноименным ионом, входящим в состав осадка, например, FeCl₃.

Добавление пептизатора к небольшому количеству осадка в водной среде приводит к тому, что ионы Fe³⁺ проникают в глубь осадка и разрыхляют его, постепенно дробя до коллоидной дисперсности. Дробление называют химическим потому, что ионы непросто проникают в осадок, а, взаимодействуя с его частицами, образуют дисперсную фазу положительного заряда. Ионы Fe³⁺ являются зарядообразующими в составе коллоидных частиц получающегося золя, а ионы Cl⁻ противоионами.

Коллоидные растворы обладают специфическими оптическими, кинетическими и электрическими свойствами (специфика связана с размерами и зарядом коллоидных частиц) и характеризуются высокой кинетической и агрегативной устойчивостью.

Устойчивость коллоидного раствора можно нарушить. Потеря агрегативной устойчивости золя приводит к укрупнению частиц дисперсной фазы, их слипанию. Этот процесс называют коагуляцией. Коагуляция вызывает нарушение кинетической устойчивости системы, которая приводит к образованию осадка (коагулята). Этот процесс называют седиментацией.

Примерный состав коагулята золей сульфида сурьмы и гидроксида железа выражают формулами:

[(mSb₂S₃)·nHS⁻·nH⁺]⁰;

[(mFe(OH)₃·nFe³⁺·3nCl⁻]⁰.

Выполнение работы

Опыт 1. Получение золя гидроксида железа (III) методом конденсации

Пробирку заполнить водой (примерно до половины ее объема) и поставить в горячую водяную баню. Через 5–7 минут внести в пробирку 2–3 капли концентрированного раствора FeCl₃. Наблюдать образование краснооранжевого золя Fe(OH)₃. Раствор сохранить для опыта 3.

Требование к результатам опыта

Указать состав ядра коллоидной частицы полученного золя, состав коллоидной частицы, состав мицеллы.

Опыт 2. Получение золя гидроксида железа (III) методом диспергирования осадка Fe(OH)₃

В стакан объемом 50 мл налить 25 мл воды и добавить 10 капель 20 %-го раствора хлорида железа FeCl₃. Перемешать содержимое стакана и после этого добавить по каплям раствор гидроксида аммония NH₄OH до полного осаждения гидроксида Fe(OH)₃.

После того как осадок уплотнится на дне стакана, осторожно слить с него избыток раствора. Осадок промыть 2–3 раза, добавляя к нему небольшие порции воды и сливая эту воду после того, как между ними и осадком четко обозначится граница раздела.

К осадку гидроксида железа (III) прилить 25 мл H₂O и 3 капли 20 %-го раствора FeCl₃. Смесь хорошо перемешать. Для ускорения процесса пептизации нагреть раствор на водяной бане. Прекратить нагревание, когда раствор приобретет устойчивую краснооранжевую окраску.

Требование к результатам опыта

Составить схему строения мицеллы золя гидроксида железа (III) в растворе хлорида железа FeCl₃.

Опыт 3. Коагуляция золя гидроксида железа электролитами

Разлить в три пробирки золь гидроксида железа, полученный в опыте 1. По каплям прибавить в первую пробирку NaCl , во вторую – Na₂SO₄ , в третью – Na₂HPO₄. Считать число капель до изменения вида раствора (появления мути и осадка).

Требования к результатам опыта

1. Написать формулу мицеллы золя гидроксида железа.

2. Объяснить влияние заряда коагулирующего иона на время, проходящее до начала коагуляции.

Примеры решения задач

Пример 10.1. Золь иодида серебра получен при добавлении к раствору AgNO₃ избытка KI. Определить заряд частиц полученного золя и написать формулу его мицеллы.

Решение. При смешивании растворов AgNO₃ и KI протекает реакция

AgNO₃ + KI (изб.) = AgI + KNO₃.

Ядро коллоидной частицы золя иодида серебра состоит из агрегата молекул (mAgI) и зарядообразующих ионов I^‾, которые находятся в растворе в избытке и обеспечивают коллоидным частицам отрицательный заряд. Противоионами являются гидратированные ионы калия. Формула мицеллы иодида серебра имеет вид {[(mAgI)·nI^‾·(n-x)К⁺·yH₂O]^x− + xК⁺∙zH₂O}⁰.

Пример 10.2.Золь кремневой кислоты был получен при взаимодействии растворов K₂SiO₃ и HCl. Написать формулу мицеллы золя и определить, какой из электролитов был взят в избытке, если противоионы в электрическом поле движутся к катоду.

Решение. Образование золя кремневой кислоты происходит по реакции

K₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃ + 2KCl.

Чтобы двигаться к катоду (отрицательному электроду) противоионы должны иметь положительный заряд, а коллоидные частицы золя должны быть заряжены отрицательно. На электронейтральном агрегате частиц (mH₂SiO₃) адсорбируются ионы элемента, входящего в состав ядра. Таковыми являются ионы HSiO₃^‾, которые образуются в результате гидролиза соли K₂SiO₃:

K₂SiO₃ + H₂O KHSiO₃ + KOH или в ионной форме

SiO₃²⁻ + H₂O HSiO₃^‾ + OH^‾.

Ионы HSiO₃^‾, адсорбируясь на поверхности частиц золя кремниевой кислоты, сообщают им отрицательный заряд. Противоионами являются гидратированные ионы водорода H⁺. Формула мицеллы золя кремневой кислоты

{[(mH₂SiO₃) ·nHSiO₃^‾·(n-x)H⁺∙yH₂O]^x− + xH⁺∙zH₂O}.

Так как коллоидные частицы золя кремневой кислоты заряжены отрицательно за счет ионов HSiO₃^‾, то, следовательно, в избытке был взят K₂SiO₃.

Пример 10.3. Какого из веществ, K₂SO₄ или KCl, потребуется меньше, чтобы вызвать коагуляцию коллоидного раствора гидроксида железа (II), полученного по реакции FeCl₂ + 2NaOH = Fe(OH)₂ + 2NaCl?

Решение. Из формулы коллоидной частицы золя гидроксида железа (II) [(mFe(OH)₂·nFe²⁺ 2(n-x)Cl^‾∙yH₂O]^2x+ видно, что частицы золя имеют положительный заряд. Коагуляцию золя вызывает тот из ионов прибавленного электролита, заряд которого противоположен заряду коллоидной частицы. В данной задаче – это ионы SO₄²⁻ и Cl‾. Коагулирующая способность иона определяется его зарядом – чем больше заряд иона, тем больше его коагулирующая способность. Заряд иона SO₄²⁻ больше заряда иона Cl‾, поэтому, чтобы вызвать коагуляцию коллоидного раствора гидроксида железа (II), раствора K₂SO₄ потребуется меньше, чем раствора KCl.

Пример 10.4. Составить схему строения мицеллы золя гидроксида меди (II) в растворе хлорида меди.

Решение. В состав мицеллы гидроксида меди входят: агрегат молекул (mCu(OH)₂), адсорбированный слой, состоящий из зарядообразующих ионов меди Cu²⁺ и гидратированных противоионов хлора, и диффузный слой гидратированных противоионов хлора. Схема строения мицеллы гидроксида меди

{[(mCu(OH)₂·nCu²⁺ 2(n-x)Cl‾∙yH₂O]^2x+ + 2xCl‾∙zH₂O}.