Порядок выполнения работы. В коническую колбу на 250 мл наливают 25 мл дистиллированной воды
В коническую колбу на 250 мл наливают 25 мл дистиллированной воды, добавляют 0,2 мл концентрированного раствора хлорида железа (III) и 2 мл насыщенного раствора гексацианоферрата (II) калия. Затем приливают еще 150 мл дистиллированной воды.
Золь оставляют для дальнейшей работы и коагуляции.
В отчете описать вид образовавшегося коллоидного раствора, привести уравнение химической реакции и формулу мицеллы.
Определение знака заряда частиц
На листок фильтровальной бумаги нанесите каплю окрашенного золя. После всасывания капли положительно заряженного золя на бумаги образуется окрашенное в центре и бесцветное по краям пятно; золь с отрицательно заряженными частицами образует равномерно окрашенное пятно.
Коагуляции золя берлинской лазури различными электролитами
Цель работы
1. Определение порога коагуляции золя берлинской лазури различными электролитами.
2. Проверка справедливости правила Шульце-Гарди для данной системы.
Реактивы
1. Золь берлинской лазури, полученный в предыдущей части работы.
2. Хлорид калия, 1 н раствор.
3. Хлорид бария, 0,06 н раствор.
4. Хлорид алюминия, 0,015 н раствор.
Порядок выполнения работы
Для определения порога коагуляции готовят растворы электролитов с убывающей концентрацией. Концентрацию электролита в пробирке рассчитывают в соответствии с нормальностью раствора и заданным объемом электролита по формуле
| Сэ = Сэ0(Vэ/(Vэ + Vв), | (2.1) |
где Сэ – концентрация рабочего раствора электролита, моль/л;
Сэ0 – концентрация исходного раствора электролита, моль/л;
Vэ – объем раствора электролита в пробирке, мл;
Vв – объем воды в пробирке, мл.
Результаты расчета заносят в таблицу.
В каждую из пробирок добавляют по 5 мл золя. Содержимое пробирок перемешивают, встряхивают, записывают время начала опыта и оставляют на 30 минут для протекания процесса явной коагуляции.
Одновременно готовят контрольный раствор. Для этого сливают 5 мл исходного золя с 5 мл дистиллированной воды.
Сравнивая контрольный и исследуемый растворы, определяют наличие или отсутствие коагуляции. Наличие коагуляции отмечают знаком "+", отсутствие коагуляции – знаком "–". Расчет порога коагуляции проводят по формуле
| γ = СэVэ/(Vэ+Vз), | (2.2) |
где γ – порог коагуляции, моль/л;
Сэ – нормальность раствора электролита, моль/л;
Vэ – минимальный объем электролита, достаточный для коагуляции золя, мл;
Vз – объем золя, мл.
На основании результатов эксперимента сделать выводы о влиянии концентрации и природы электролита на развитие процесса коагуляции.
Таблица 2.1
Условия и результаты эксперимента
| № п. п. | Условия эксперимента | Результаты эксперимента | ||||||||||
| Объем, мл | KCl | BaCl2 | AlCl3 | |||||||||
| вода | эл-т | золь | Сэ | +/– | γ | Сэ | +/– | γ | Сэ | +/– | γ | |
Вопросы для контроля
1. Что понимают под агрегативной и седиментационной устойчивостью коллоидных систем?
2. Какое явление называется коагуляцией? Назовите причины коагуляции.
3. Сформулируйте правила электролитической коагуляции.
4. Какие ионы – положительные или отрицательные обладают коагулирующим действием по отношению к золю: а) с отрицательно заряженными частицами; б) с положительно заряженными частицами.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
ИЗУЧЕНИЕ ЗОЛЕЙ
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Образование ДЭС путем ионной адсорбции. Рассмотрим образование ДЭС на поверхности кристалла AgI, полученного при взаимодействии водных растворов нитрата серебра и иодида калия:
AgN03 + KI → AgI + KN03,
причем одно из реагирующих веществ (например, KI) взято в избытке.
Образующиеся в результате реакции мелкие кристаллы AgI находятся в растворе, содержащем ионы К+, 
, I–. Начинается процесс адсорбции ионов, в котором кристаллы AgI являются адсорбентом.
Согласно правилу адсорбции (правилу Панета-Фаянса), на кристалле адсорбируются ионы, которые:
1) способны достраивать его кристаллическую решетку, т. е. ионы, из которых построена данная решетка или изоморфные им;
2) и находятся в растворе в избытке.
В рассматриваемом случае в соответствии с правилом Панета-Фаянса кристалл AgI будет адсорбировать ионы I–. Адсорбция ионов I– происходит за счет химических сил, приводящих к прочному присоединению их к кристаллу. Поверхность кристалла заряжается отрицательно. Ионы I–, сообщившие поверхности этот заряд, называются потенциалобразующими ионами.
Оставшиеся в растворе ионы противоположного знака (противоионы) электростатически притягиваются к поверхности. Слой противоионов, компенсирующих заряд твердой поверхности, имеет сложное строение. Принято считать, что он состоит из двух частей.
Первая часть – это противоионы, которые непосредственно примыкают к заряженной поверхности твердой частицы и удерживаются на ней не только электростатическими, но и адсорбционными силами. Эти ионы образуют вместе с потенциалобразующими ионами адсорбционную часть двойного электрического слоя (слой Гельмгольца). Противоионы адсорбционного слоя удерживаются поверхностью настолько прочно, что передвигаются вместе с твердой частицей, не отрываясь от нее, и образуют с ней единое кинетическое целое – коллоидную частицу.
Вторая часть – остальные противоионы, которые совершают тепловое движение около заряженной поверхности и удерживаются вблизи нее только электростатическими силами. Эти ионы образуют диффузионную часть двойного электрического слоя.
Кристаллик иодида серебра, находящийся в растворе, содержащем избыток иодида калия, в соответствии с нашими представлениями о двойном электрическом слое, возникающем вокруг кристаллика, можно схематично изобразить с помощью рисунка (рис. 3.1) и записать следующим образом его строение:
Рис. 3.1. Мицелла золя иодида серебра, стабилизированного
иодидом калия
Кристаллик нерастворимого вещества, окруженный двойным электрическим слоем, называется мицеллой. Мицелла электронейтральна.
Кристаллик вместе с прочно удерживаемыми на его поверхности ионами адсорбционного слоя называется коллоидной частицей. Коллоидная частица заряжена; в нашем примере она отрицательна, ее заряд составляет «–х».
Строение двойного электрического слоя и изменение потенциала электрического поля на границе фаз. Потенциалобразующие ионы, адсорбируемые поверхностью, создают вокруг кристалла электрическое поле, которое постепенно ослабляется, так как заряд поверхности постепенно экранируется (компенсируется) противоионами. Интенсивность электрического поля в данной точке пространства характеризует значение электрического потенциала в этой точке φ.
На рис. 3.2 представлена структура ДЭС на плоской поверхности и график, описывающий изменение потенциала электрического поля, создаваемого двойным ионным слоем, по мере удаления от заряженной поверхности кристалла (например, вдоль линии АВ). Потенциал поверхности на границе обозначен φ0. Ясно, что абсолютная величина потенциала поверхности |φ0| тем больше, чем больше потенциалобразующих ионов на единице поверхности.
Рис. 3.2. Падение потенциала в двойном электрическом слое
Потенциал поверхности φ0 называют термодинамическим потенциалом, его величина характеризует полный скачок потенциала между заряженной потенциалобразующими ионами поверхностью и раствором. Противоионы, находящиеся в адсорбционном слое, частично компенсировали заряд поверхности, поэтому потенциал электрического поля на границе адсорбционного и диффузного слоя понизился. Падение (уменьшение) потенциала в адсорбционном слое в рамках теории Штерна считают линейным:
| φ = φ0 – аr, | (3.1) |
где а – постоянная величина; r – расстояние от поверхности кристалла.
Ионная атмосфера, т. е. противоионы диффузного слоя постепенно полностью компенсируют заряд поверхности и на некотором расстоянии потенциал поля, созданного потенциалобразующими ионами становится равным нулю.
При движении мицелла разрывается на коллоидную частицу и диффузные противоионы. Разрыв происходит по поверхности скольжения, которая расположена или на границе адсорбционного и диффузионного слоев или несколько смещена в сторону диффузного слоя («d» на рис. 3.2).
Потенциал на поверхности скольжения называется электрокинетическим, или ζ-потенциалом (дзета-потенциалом). Его можно определить экспериментально, измеряя скорость движения коллоидных частиц в электрическом поле или скорость движения дисперсионной среды в пористых телах, так как именно от величины электрокинетического потенциала зависит скорость относительного перемещения фаз.
Согласно теории Штерна, падение потенциала в диффузионном слое не линейно, а подчиняется экспоненциальному закону:
| φ = φ0е –ær, | (3.2) |
где r – расстояние от поверхности; æ – параметр Дебая, который связан с толщиной ионной атмосферы δ соотношением æ = 1/δ.
Толщина адсорбционного слоя определяется размерами ионов, которые его составляют, обычно она незначительна и не превышает 1–2 Å.
Толщина диффузного слоя δ зависит от концентрации ионов в дисперсионной среде и может составлять 1–100 000 Å, т. е. ионная атмосфера может простираться в глубь дисперсионной среды в несколько тысяч раз больше, чем адсорбционный слой.
Влияние электролитов на двойной электрический слой.Добавление электролитов в дисперсионную среду, в которой находятся мицеллы
{[mAgI]·nI¯·(n–х)K+}x–·хK+, изменит двойной электрический слой, образовавшийся на поверхности кристаллов AgI.
Различают электролиты индифферентные (безразличные) и неиндифферентные («родные») по отношению к данному кристаллу.
Влияние индифферентных электролитов.Индифферентными называются электролиты, ионы которых не способны к хемосорбции данной поверхностьюи в соответствии с правилом Панета-Фаянса не могут быть потенциалобразующими. Индифферентные электролиты не меняют потенциал поверхности φ0.
По отношению к кристаллу [mAgI] такими электролитами являются NaNO3, Ca(N03)2, A1(NO3)3. Их добавление не может изменить число ионов I¯ на поверхности кристалла AgI и, следовательно, не изменит φ0, но толщина ионной атмосферы δ, после добавления этих электролитов изменится, так как увеличение концентрации противоионов (в нашем случае катионов) приводит к тому, что отрицательный заряд поверхности полностью скомпенсируется на меньшем расстоянии от поверхности, чем раньше. Итак, добавление индифферентного электролита приводит к сжатию двойного электрического слоя, причем сжатие двойного слоя вызывают те ионы электролита, знак которых тот же, что и у противоионов диффузного слоя. Большую роль играет величина заряда ионов. Трехзарядный ион А13+ сильнее экранирует отрицательный заряд поверхности, чем двухзарядный Са2+ или однозарядный Na+. Чем больше заряд противоиона добавленного электролита, тем сильнее сжимается двойной электрический слой.
Если добавить к рассматриваемому золю иодида серебра
{[mAgI]·nI¯·(n–х)K+}x–·хK+, индифферентный электролит, имеющий противоионы, заряд которых равен трем и выше (например, А1С13 или Fe(CH3COO)3), в большом количестве, то можно наблюдать интересное явление – перезарядку коллоидных частиц. Отрицательно заряженные коллоидные частицы станут положительно заряженными.
Рис. 3.3. Изменение знака потенциала при увеличении концентрации электролита, способного вызвать перезарядку частиц
Знак ζ-потенциала тоже изменится: из отрицательного он станет положительным (рис. 3.3).
Способность к обменной адсорбции возрастает с увеличением заряда иона. Многозарядные ионы вытесняют однозарядные противоионы и из диффузного, и из адсорбционного слоев. После замены однозарядных противоионов K+ на ионы А13+ последние, уже в адсорбционном слое полностью нейтрализуют заряд частицы; затем происходит специфическая сверхэквивалентная адсорбция ионов А13+ на поверхности кристалла, приводящая к появлению на ней избыточного положительного заряда. Положительный заряд компенсируется отрицательными ионами из раствора (например, С1–) и на поверхности кристалла возникает новый ДЭС с положительным зарядом частицы и отрицательным слоем противоионов.
В новом ДЭС (после перезарядки) φ0 не изменился, но в адсорбционном слое находятся ионы А13+ в сверхэквивалентном количестве, поэтому потенциал на границе адсорбционного и диффузного слоя поменял знак (в нашем случае стал положительным), ζ-потенциал тоже поменял знак.