Получение, устойчивость и коагуляция коллоидных растворов

Занятие 2. Определение порогов коагуляции золя гидроксида железа. План-конспект теоретической самоподготовки. 2.1. Устойчивость и коагуляция дисперсных систем. Устойчивость дисперсной системы характеризуется неизменностью во времени ее основных параметров – степени дисперсности и равномерности распределения частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде. Различают два вида устойчивости (1920г. Н.П.Песков). Седиментационная устойчивость (sedimentatio (лат.) - осаждение) – устойчивость к осаждению дисперсной фазы в осадок, если плотность частиц больше плотности дисперсионной среды или всплытию, если плотность их меньше. Объясняется этот вид устойчивости: а) наличием броуновского движения и диффузией, благодаря чему частицы противостоят действию сил тяжести; б) центробежных сил, способных вызвать выделение мицелл из золя. Седиментационно (кинетически) устойчивыми называют системы, в которых скорость осаждения взвешенных частиц под влиянием силы тяжести настолько мала, что ею можно пренебречь. Агрегативная устойчивость – способность системы сохранять степень дисперсности образующих ее мицелл. Объясняется этот вид устойчивости: а) наличием у коллоидных частиц одноименных зарядов, что мешает им соединяться в агрегаты; б) способностью образовываться вокруг коллоидных частиц сольватационных оболочек из молекул растворителя. Факторы, способствующие атрегативной устойчивости. 1.Термодинамические а) электростатический фактор обусловлен существованием на поверхности частиц дисперсной фазы двойного электрического слоя. Если значение электрокинетического потенциала 70-80 мВ и более, то сталкивающиеся частицы не могут преодолеть электростатический барьер и, столкнувшись, расходятся. Агрегация не происходит; б) адсорбционно-сольватный фактор обусловлен наличием сольватных оболочек дисперсионной среды на частицах дисперсной фазы, удерживаемых силами адгезии; в) энтропийный фактор обусловлен диффузией и броуновским движением, в результате которых частицы дисперсной фазы стремятся равномерно распределиться по объему системы. 2. Кинетические факторы а) структурно-механический фактор обусловлен свойством сольватных оболочек обладать упругостью и повышенной вязкостью, что создает дополнительное отталкивание – расклинивающее давление (1935г. Б.В.Дерягин). б) гидродинамический фактор обусловлен вязкостью дисперсионной среды, которая способствует замедленному движению частиц. Агрегация может происходить в виде коагуляции флокуляции. Флокуляция – образование рыхлых хлопьевидных агрегатов под влиянием флокулянтов (пектины, крахмал, кремниевая кислота и др.). Коагуляция – слипание (агрегация) частиц дисперсной фазы в результате уменьшения связи частиц с окружающей их дисперсионной средой. Факторы, вызывающие коагуляцию: -механическое воздействие (встряхивание, интенсивное перемешивание) -добавление электролитов, неэлектролитов - сильное охлаждение или нагревание -пропускание электрического тока -длительный диализ -действие лучистой энергии -химические изменения («старение»), протекающие в золе в процессе хранения. Стадии коагуляции различают по виду и скорости: скрытая коагуляция, когда внешние изменения в золе не наблюдаются невооруженным глазом. Величина электрокинетического потенциала при этом находится в пределах 70 ÷ 25 мВ. явная коагуляция, когда процесс агрегации приводит к видимым изменениям цвета, помутнению, выпадению рыхлого осадка (коагулята). Величина электрокинетического потенциала при этом 25 ÷ 0 мВ. медленная коагуляция, когда не каждое столкновение мицелл заканчивается агрегированием. Для него требуется время. При этом электрокинетический потенциал 70 ÷ 0мВ. быстрая коагуляция, когда каждое столкновение частиц приводит к их агрегации (объединению). Быстрая коагуляция наблюдается при электрокинетическом потенциале равном 0 мВ. Процесс обратный коагуляции называется пептизацией (происходящей из рыхлых осадков). 2.2 Строение двойного электрического слоя. На поверхности раздела твердой и жидкой фаз существует двойной электрический слой (ДЭС). Его существование влияет на многие явления, происходящие в дисперсных системах – электрокинетические, устойчивость и коагуляцию и др. ДЭС состоит из ионов одного знака, относительно прочно связанных с твердой фазой (потенциалопределяющие ионы) и эквивалентного количества противоположно заряженных ионов, находящихся в жидкой дисперсионной среде (противоионы). Теории строения ДЭС Г.Гельмгольца-Перрена – ДЭС подобен плоскому конденсатору, одна из обкладок которого твердая поверхность, другая расположена в жидкости параллельно поверхности на расстоянии равном размеру молекулы. Возникающий потенциал, связанный с числом зарядов и характеризующий свойства ДЭС называется электртермодинамическим (φ – фи) потенциалом. S а) расположение зарядов + φ б) кривая падения потенциала + S – расстояние от поверхности + твердой фазы, соответствует + толщине ДЭС. а) S б) Такое строение ДЭС возможно только при отсутствии теплового движения ионов. 2. Ш.Гуи – Д.Чепмена – учитывая тепловое движение ионов, ученные предположили, что слой противоионов имеет диффузионное строение, а кривая падения потенциала выражается плавной кривой, т.к. тепловое движение отодвигает противоионы на большее расстояние от поверхности (чем по теории Гельмгольца) и ДЭС будут расширяться. S +  + + + + S а) б) 3. О.Штерна – А.Фрумкина – ДЭС образуется на границе твердое тело – жидкость под влиянием двух взаимно противоположных сил: электростатических и диффузионных. В результате этих противоионы в жидкости образуют около твердой поверхности два слоя: 1) адсорбционный (неподвижный) относительно прочно связанный с твердой поверхностью («слой Гельмгольца»); 2) диффузный (подвижный) слой, расположенный в дисперсионной среде («слой Гуи»). Толщина первого слоя постоянна, второго зависит от свойств и состава системы, температуры. S 3 +  + + + + +  1 2 1 – адсорбционный слой (Гельмгольца) 2 – диффузный слой (Гуи) 3 – поверхность скольжения Границу между противоинами адсорбционного (неподвижного) и диффузного (подвижного) слоев жидкости – называют поверхностью скольжения. В слое Гельмгольца потенциал снижается линейно, в слое Гуи – по экспоненте. Потенциал диффузного слоя называется электрокинетическим (ζ – дзета потенциал). По величине электрокинетический потенциал (ζ) представляет собой часть электро-термодинамического потенциала. Чем меньше величина электрокинетического потенциала, тем менее устойчива коллоидная система. На величину  - потенциала оказывают влияние: электролиты, разбавление, температура. При ζ = 0 мВ наступает быстрая коагуляция. 2.3. Коагуляция под действием электролитов. Коагулянт – электролит–коагулятор (ЭК), вызывающий нарушение агрегативной устойчивости золя. Порог коагуляции (γ – моль/л или ммоль/л) – наименьшая концентрация электролита, вызывающая явную коагуляцию коллоидного раствора. Порог коагуляции может быть рассчитан по формуле или более точно (с учетом разбавления) , где Сэк и Vэк – концентрация и объем раствора электролита - коагулятора Vзоля – объем коллоидного раствора (золя) Коагулирующая способность (Р – л/моль или л/ммоль) величина обратная порогу коагуляции. Физический смысл Р – это объем золя, который коагулируется 1 молем (миллимолем) электролита. Коагуляцию золя с отрицательно заряженными гранулами мицелл вызывают катионы, золя с положительно заряженными гранулами – анионы. Правило Г.Шульце-М.Гарди: коагулирующим действием обладают те ионы электролита-коагулятора, знак заряда которых противоположен знаку заряда гранул коллоидных мицелл, коагулирующее действие возрастает с увеличением заряда коагулирующего иона. Отношение порогов коагуляции одно-, двух-, трехзарядных ионов-коагуляторов обратно пропорционально шестой степени их валентности: Лиотропные ряды коагуляции – ряды ионов располагающиеся в зависимости от их коагулирующей способности: Cs+ > Rb+ > K+ > Na+ > Li+ Cl- > Br- > NO3- >I- Главная причина в отличие коагулирующей способности ионов различная степень их сольватации. Коагулирующая способность тем больше, чем больше радиус иона и меньше гидратная оболочка. 2.4.Коагуляция смесями электролитов. При действии на золь смеси электролитов, из которых каждый вызывает его коагуляцию, обнаруживаются разные явления. Аддитивное действие – каждый электролит действует соответственно своей коагулирующей способности и их действия суммируются. Аддитивность проявляется, если природа ионов, входящих в состав разных электролитов, одинакова (KCl, NaCl) Антагонистическое действие – когда наблюдается снижение коагулирующей активности одного электролита другим (NaCl и CaCl2). Обычно оно наблюдается при совместном действии ионов различной зарядности. Порог коагуляции смеси электролитов больше, чем порго коагуляции каждого электролита в отдельности. Антагонизм объясняется образованием соединений (например, комплексных) обладающих низкой коагулирующей способностью, или тем, что один из коагуляторов добавленный в недостаточном для коагуляции количестве, вызывает не снижение, а повышение электрокинетического потенциала, что делает золь более стабильным. При антагонистическом действии порог коагуляции смеси электролитов больше, чем порог коагуляции каждого в отдельности. Синергическое действие – когда коагулирующее действие ионов взаимно усиливается (например, соли Li и Cs при коагуляции золя золота). Смесь действует эффективнее, чем каждый электролит в отдельности. Синергизм – объясняется тем, что один ион-коагулятор повышает чувствительность (сенсибилизацию) дисперсной фазы к коагулирующему действию другого иона. При синергическом действии порог коагуляции смеси электролитов меньше, чем порог коагуляции каждого электролита в отдельности. 2.5. Перезарядка золей. «Неправильные ряды». Добавление к золям электролитов с многовалентными ионами, имеющими заряд противоположный по знаку заряду частиц, иногда вызывает не коагуляцию, а наоборот стабилизацию золя и перемену знака электрокинетического потенциала. Это явление называется перезарядкой золя. Механизм перезарядки золей объясняется, тем, что многозарядные катионы обладают высокой адсорбционной способностью. При малых величинах адсорбции снижается электрокинетический потенциал частиц золя и наблюдается коагуляция. При увеличении адсорбции, когда число ионов со знаком противоположным знаку заряда гранулы станет больше – золь стабилизируется и поменяет знак заряда гранулы на противоположный. При очень больших концентрациях электролита золь вновь коагулирует, уже под действием анионов того же электролита. Явление периодического чередования устойчивости золя с зонами коагуляции называется неправильные ряды коагуляции. 2.6. Привыкание коллоидных растворов. Привыкание золя к действию электролита наблюдается, если прибавлять электролит – коагулятор порциями, через промежутки времени или добавлять его очень медленно. Различают положительное и отрицательное привыкание (В.Н. Кристинская). Положительное привыкание наблюдается при добавлении к золю коагулянта порциями через промежутки времени, когда для коагуляции золя требуется добавить больше электролита коагулянта, чем при одновременном его введении. Например: 20мл золя As2S3 коагулируется 32 каплями 1н раствора BaCl2. При добавлении этого электролита порциями по 4 капли для коагуляции того хе объема золя требуется уже 56 капель (золь приобрел «коллоидный иммунитет»). Отрицательное привыкание наблюдается, когда при медленном добавлении к золю электролита его требуется меньше для коагуляции, чем при быстром введении. Возможно, причиной отрицательного привыкания является то, что при медленном добавлении электролита первые его порции воздействуют на золь дольше, чем при одновременном быстром его введении. Каждая следующая прилитая порция электролита действует уже на стабилизированный золь и для достижения коагуляции требуется уже меньше электролита. 2.7. Взаимная коагуляция золей. Взаимная коагуляция золей происходит при взаимодействии друг с другом мицелл противоположно заряженных золей. Так как коагулируют оба золя, коагуляцию называют взаимной. Наиболее полной взаимная коагуляция бывает тогда, когда число разноименных электрических зарядов на частицах обоих золей будет одинаково. Явление взаимной коагуляции используют при очистке воды от глинистой мути. В воду добавляют алюмокалиевые квасцы, которые, гидролизуясь, образуют положительно заряженный золь гидроксида алюминия. Встречаясь с отрицательно заряженными частицами глины, он заставляет их коагулировать. Коагулят выпадает в осадок, который отфильтровывают или декантируют (сливают воду). Занятие 3. Защита золей высокомолекулярными веществами. План-конспект теоретической самоподготовки. Стабилизация золя по отношению к электролитам путем добавления небольшого количества растворов высокомолекулярных веществ (ВМВ) называется коллоидной защитой, а вещество, вызывающее ее – защищающим. Защитное действие зависит от природы «защитного» и «защищаемого» вещества, степени дисперсности коллоида, присутствия примесей, pH среды. Наибольшая защитная способность проявляется тогда, когда защитное и защищаемое вещества заряжены одноименно. Например, отрицательный золь As2S3 хорошо защищает желатин в щелочной среде, т.к. он сам приобретает отрицательный заряд. Механизм защитного действия ВМВ объясняется: - их способностью адсорбироваться на поверхности коллоидных частиц, придавая золю свойства раствора ВМВ; - взаимным отталкиванием гибких макромолекул ВМВ, только частично связанных с частицами золя; - созданием сольватной оболочки вокруг коллоидной частицы, если ВМВ состоит из макромолекул, имеющих полярные группы. Для количественной характеристики защитного действия ВМВ предложено «золотое число» (Р.Зигмонди). Золотым числом называют число миллиграммов ВМВ, которое необходимо добавить к 10мл красного золя золота (0,0006%) для того, чтобы предотвратить его коагуляцию (синий цвет золя) при введении 1мл 10% раствора NaCl. Если вместо золя золота защищают другие золи, например серебра, железа, конгорубина, As2S3 и др., то подобным образом можно получить серебряные, железные, рубиновые, сернисто-мышьяковистые и др. защитные числа. Явление защиты имеет большое значение в биологии: - патологическое образование в организме почечных, желчных камней связано с недостатком защитных коллоидов – муцина, урохрома и др. - стабильность молока, содержащего большое количество фосфата кальция, обусловлена наличием защитных оболочек из белка. - как антисептики широко применяются коллоидные растворы серебра, защищенные ВМВ: колларгол, протаргол, лизаргин.

Похожие:

	Основные величины, используемые для характеристики поверхностных...		«Определение кислотности среды водных растворов» В представленном уроке учащиеся знакомятся с понятием ионного произведения воды, водородного показателя среды (рН), рассматривают...
	Эдуард Викторович особенности фазовых переходов pbHfO 3, PbZrO 3... ...		Рабочей программы учебной дисциплины (модуля) «Здания, сооружения... Изучение данной дисциплины базируется на знании общеобразовательной программы по следующим предметам: математика; физика; химия;...
	Vii. Оптические свойства коллоидных систем При падении луча света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления		Программа подготовки: Электроэнергетические системы и сети, их режимы,... Программа подготовки: Электроэнергетические системы и сети, их режимы, устойчивость, надежность и качество электрической энергии
	Реферат поглотительная способность почв почвенный поглощающий комплекс Поглотительной способностью почвы называется ее свойство обменно либо необменно поглощать различные твердые, жидкие и газообразные...		Тип работы Влияние некоторых анальгетиков на устойчивость липидных мембран к осмотическому стрессу
	Урок в 8 классе по химии Тема: Получение чистой воды Задача У: рассмотреть способы получение чистой воды; получить чистую воду экспериментальным путем		Конспект Развить устойчивость и концентрацию внимания, способность переключаться с одного вида деятельности на другой
	3-6 Компьютерные игры в зеркале общественного мнения Приложение Изучение влияния компьютерных игр на устойчивость внимания		Улучшение качества питьевой воды Познакомиться с понятием электрометаллургия, процессом электролиза расплавов и растворов солей
	Курсовая работа Исследование вязкости растворов анионного пав в зависимости от количества добавленной гидротропной соли		Лазерные методы получения и осаждения коллоидных систем на поверхность твердых тел Работа выполнена в Федеральном бюджетном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Владимирский...
	П. А. Иконников устойчивость растений Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 020200. 62 «Биология» бакалавр		"Визитная карточка" проекта Цели: формирование исследовательской компетенции при изучении среды водных растворов электролитов