Диализ способ очистки коллоидных растворов. Получение и способы очистки коллоидных систем. Получение лиофобных коллоидных систем

История развития коллоидной химии

.

Бактерицидная активность коллоидного раствора серебра

Бионаноматериалы

Наноматериалы

Основные понятия

Классификация дисперсных систем

Дисперсные системы

Формы дисперсной фазы n

Количественные характеристики ДФ

Классификация по агрегатному состоянию ДСр и ДФ

Суспензии

Эмульсии

Виды эмульсий

Диаметр частиц эмульсий

Эмульсии

Эмульсии

Эмульсии

Пена

Аэрозоль

Золи и гели

Методы получения коллоидных растворов

Получение лиофобных коллоидных систем

Методы получения коллоидных растворов

Методы получения коллоидных растворов

Методы получения коллоидных растворов

Методы получения коллоидных растворов

Методы получения коллоидных растворов

Химическая конденсация

Примеры реакций химической конденсации

Методы очистки коллоидных растворов

Диализ

Методы очистки коллоидных растворов

Диализ

Электродиализ

Диализ

Методы очистки коллоидных растворов

Методы очистки коллоидных растворов

Методы очистки коллоидных растворов

Строение мицеллы

Строение мицеллы

Строение мицеллы

Строение мицеллы

Строение мицеллы

Строение мицеллы

Строение мицеллы.

ляющие ионы

агрегат адсорбционный слой диффузный слой

коллоидная частица (гранула)

Золи, образующиеся в результате обменной реакции, могут отличаться знаком заряда частиц дисперсной фазы. Например, золь гексацианоферрата (II) меди (II) можно получить по реакции:

2CuSO4 + K4 → 2K2SO4 + Cu2(тв)

либо в условиях избытка сульфата меди(II), либо гексацианоферрата (II) калия.

Золь полученный при избытке сульфата меди(II) имеет положительно заряженные частицы. CuSO4 → Cu2+ + SO42-

стабилизатор

В соответствие с правилом Панета - Фаянса кристаллическую решетку гексациано-феррата (II) меди (II) из присутствующих в растворе ионов могут достроить только ионы меди (II). Они и сообщают поверхности агрегатов положительный заряд. Противоионами в рассматриваемом примере являются сульфат-ионы. Строение мицеллы золя гексацианоферрата (II) меди (II) записывают следующим образом:

{m]nCu2+(n-x)SO42-}2x+xSO42-

Золь, полученный при избытке гексацианоферрата (II) калия, имеет отрицательно заряженные частицы.

K4 → 4K+ + 4-

стабилизатор

Схема строения мицеллы:

{m]n4- 4(n-x)К+}4x-4xК+

В этих формулах m означает количество молекул Cu2 в агрегате, n - число потенциалопределяющих ионов, адсорбированных на поверхности агрегата, (n-x) – число противоионов в адсорбционном слое, х - их число в диффузном слое.

Г. Обучающие задачи

Задача №1. Изобразите строение мицеллы гидрозоля сульфата бария, который получается в результате реакции между растворами хлорида бария и сульфата натрия методом химической конденсации.

Решение. Записываем уравнение химической реакции между растворами хлорида бария и сульфатом натрия: BaCl2 + Na2SO4 = BaSO4(тв.) + 2NaCl

а) Пусть в избытке взят хлорид бария:

BaCl2⇄ Ba2+ + 2Cl -

стабилизатор

Труднорастворимый сульфат бария образует кристаллический агрегат, состоящий из m формульных единиц BaSO4 . на поверхности агрегата адсорбируется n ионов Ba2+. С поверхностью ядра связано 2(n-x) хлорид-ионов Cl-. Остальные (2х) противоионы распределяются в диффузном слое:

{mnBa2+2(n-x)Cl-}2x+2xCl - 1- агрегат, 2- потенциалопределяющие ионы,

противоионы

Ядро адсорбционный диффузный

Слой слой

Б) строение мицеллы золя барий сульфата, полученного при избытке натрия сульфата, записывают следующим образом:

{mnSO42-2(n-x)Na+}2x-2xNa+ 1- агрегат, 2- потенциалопределяющие ионы,

противоионы

Ядро адсорбционный диффузный

Слой слой

Задача 2. Золь иодида серебра получен смешиванием раствора нитрата серебра объемом 20мл с С(AgNO3) = 5,0·10-3 моль/л и раствора иодида калия объемом 30мл с С(KI)=6,0·10-3 моль/л. Назовите метод получения золя. Определите знак заряда коллоидных частиц. Представьте строение мицеллы гидрозоля иодида серебра.

Решение. Золь получен методом химической конденсации в результате реакции обмена: AgNO3 + KI = AgI(тв.) + KNO3 . Знак заряда коллоидных частиц зависит от того, какой электролит взят в избытке. Это определяют, рассчитав взятые количества вещества реагентов: n(X) = C(X)·V(X).

n(AgNO3) = 5,0·10-3 моль/л· 2·10-2 л = 1,0·10-4 моль;

n(KI) = 6,0·10-3 моль/л·3,0·10-3 л = 1,8·10-4 моль/л

n(KI)> n(AgNO3) KI = K+ + I-

После образования иодида сербра в избытке иодида калия в растовре останутся ионы К+, NO3-, I-. По правилу Панет-Фаянса на агрегатах AgI избирательно адсорбируются потенциалопределяющие ионы I-, обусловливающие отрицательный знак заряда коллоидных частиц.

Строение мицеллы золя иодида серебра:

{mnI-(n-x)K+}x-xK+ 1- агрегат, 2- потенциалопределяющие ионы,

противоионы

Ядро адсорбционный диффузный

Слой слой

Задача 3. при электрофорезе частицы золя хлорида серебра, полученного смешиванием равных объемов раствора нитрата серебра с концентрацией 0,005моль/л и хлорида натрия, перемещаются к катоду. В каком диапазоне находилось значение концентрации раствора хлорида натрия?

Решение. 1) Из анализа результатов электрофореза можно сделать вывод, что гранула мицеллы заряжена положительно.

2) стабилизатором является AgNO3

AgNO3→ Ag+ + NO3-

Формула мицеллы с положительным зарядом имеет вид:

{mnAg+(n-x)Cl-}x+xCl-

3) Чтобы образовалась мицелла подобного строения, хлорид натрия должен быть в недостатке. Так как объемы смешиваемых растворов одинаковы, то концентрация NaCl должна быть меньше концентрации AgNO3, т. е. меньше 0,005М

Ответ: С(NaCl)< 0,005 моль/л

Д. Задачи для самостоятельного решения.

Задача 1. Как можно получить гидрозоли сульфата кальция с различным знаком заряда коллоидных частиц, имея растворы CaCl2 и K2SO4? Напишите схемы строения мицеллы золя для каждого случая.

Задача 2. Золь гексацианоферрата (II) железа (III) получен смешиванием раствора хлорида железа (III) объемом 25мл с концентрацией FeCl3 равной 6,0·10-3моль/л и раствора гексацианоферрата (II) калия объемом 40мл с концентрацией K4 равной 2,0·10-3 моль/л. Назовите метод получения золя. Определите знак заряда коллоидных частиц. Напишите схему строения мицеллы золя гексацианоферрата(II)железа(III)калия. Какое вещество служит стабилизатором? (Ответ: стабилизатор - FeCl3)

Задача 3. Золь кремниевой кислоты получили при взаимодействии растворов K2SiО3 и HCl. Напишите формулу мицеллы золя и определите, какой из электролитов был в избытке, если противоионы в электрическом поле движутся к катоду?(Ответ: в избытке был K2SiО3)

Дисперсные системы

Дисперсные системыизучали Ф. Сельми, М.Фарадей, Т. Грем, И.Г Борщев, Во. Оствальд, Г. Фрейндлих, А.В. Думанский, Н.П. Песков и др.

1. Виды дисперсных систем: золи Т/Ж, суспензии Т/Ж, аэрозоли Т/Г или Ж/Г (Т или Ж/Г), эмульсии Ж/Ж, пены Г/Ж, порошки Т/Г.Различие суспензий и золей – размер дисперсной фазы. От аэрозолей порошки отличаются гораздо большей концентрацией твердых частиц.

2. Классификация дисперсных систем:

I) по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды известны 8 систем.

Таблица 1

По Зигмонди:солидозоли – системы с твердой дисперсионной средой; лиозоли (золи) – с жидкой дисперсионной средой; аэрозоли – с газообразной дисперсионной средой.

II) по степени дисперсности (по размеру частиц дисперсной фазы). это гетерогенные системы, неустойчивы.

а) грубодисперсные с размером частиц более 10 -7 м – суспензии, эмульсии, порошки, пены; это гетерогенные системы, неустойчивы.

б) коллоидные системы с размером частиц от 10 -7 – 10 -9 м - золи; это ультрамикрогетерогенные системы (гетерогенность обнаруживается только с помощью ультрамикроскопа), довольно устойчивы.

В этом разделе традиционно, для сравнения, рассматривают истинные растворы:

ü молекулярно-дисперсные системы, имеющие частицы порядка 10 -10 м. Это, как правило, растворы неэлектролитов (спирт, глюкоза, мочевина) и слабых электролитов (уксусная кислота);

ü ионно-дисперсные системы, имеющие частицы меньше 10 -10 м, это растворы электролитов (раствор хлорида натрия.

Растворы – гомогенные системы, они устойчивы.

III) по межфазному взаимодействию. В зависимости от интенсивности взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды различают системы:

- лиофильные – сильное взаимодействие дисперсной фазы и дисперсионной среды (дисперсная фаза хорошо смачивается, набухает или растворяется). Пример лиофильных систем – растворы мыл (натриевые и калиевые соли высших карбоновых кислот), алкалоидов (азотсодержащие органические основания природного происхождения), таннидов (или таннины – фенольные соединения растительного происхождения, содержащие большое количество групп –ОН), некоторых красителей. Образуются самопроизвольно и являются обратимыми. Термодинамически устойчивыми.

- лиофобные – слабое взаимодействие дисперсной фазы и дисперсионной среды (дисперсные частицы плохо смачиваются, не набухают и не растворяются.). Лиофобные - коллоиды малорастворимых веществ: металлов, гидроксида железа (III), в биологических системах – нерастворимые соли кальция, магния, холестерин. Лиофобные золи могут существовать длительное время только в присутствии стабилизаторов и являются необратимыми. Термодинамически неустойчивые.

Если дисперсионной системой является вода, то соответствующие системы называются гидрофильными или гидрофобными.

IV) по структуре: связаннодисперсные, свободнодисперсные рис.1.

Свободнодисперсные – частицы дисперсной фазы не связаны между собой – сус­пен­зии, эмульсии, золи, аэрозоли, лекарственные пасты (цинковая паста).

Связаннодисперсные – частицы дисперсной фазы образуют пространственную сетку и фаза не может свободно перемещаться – гели («студнеобразное» состояние, получены из золей) и студни (ВМС), пены, биологические мембраны, твердые растворы (сплавы), пористые тела.

Деление условно. Процессы структурообразования, протекающие в свободно­дисперсных системах, могут закончиться образованием связаннодисперсных систем. Золь переходит в гель. И наоборот. Наблюдается тиксотропия – обратимое изменение физико-механических свойств системы.

3. Методы получения коллоидных систем (Методическое руководство к практикуму по общей химии, стр.161-163).

А. Получение суспензий.

Суспензии, так же как и любую другую дисперсную систему, можно получить двумя группами методов: со стороны грубодисперсных систем диспергационными методами, со стороны истинных растворов - конденсационными методами.

Т. к. суспензии - это взвеси порошков в жидкости, наиболее простым и широко распространенным как в промышленности, так и в быту методом получения разбавленных суспензий является взбалтывание соответствующего порошка в подходящей жидкости с использованием различных перемешивающих устройств (мешалок, миксеров и т.д.). Для получения концентрированных суспензий (паст) соответствующие порошки растирают с небольшим количеством жидкости.

Суспензии образуются также в результате коагуляции лиозолей. Следовательно, способы осуществления коагуляции - это одновременно и методы получения суспензий.

Б. Получение эмульсий.

Система из двух несмешивающихся жидкостей будет находиться в термодинамически устойчивом состоянии, если она будет состоять из двух сплошных слоёв: верхнего (более лёгкая жидкость) и нижнего (более тяжёлая жидкость). Как только мы начнём один из сплошных слоёв дробить на капельки, чтобы получить эмульсию, будет возрастать межфазная поверхность, а, следовательно, свободная поверхностная энергия и система станет термодинамически неустойчивой. Чем больше энергии будет затрачено на образование эмульсии, тем более неустойчивой она будет. Чтобы предать эмульсии относительную устойчивость, используют специальные вещества – стабилизаторы, называемые эмульгаторами . Это ПАВ или ВМС, которые абсорбируются на границе раздела фаз и снижают поверхностную энергию Гиббса (межфазное натяжение); в результате образуется механически прочная абсорбционная пленка. Практически все эмульсии (за исключением некоторых, образующихся самопроизвольно) получают только в присутствии эмульгаторов.

Эмульсии – это, как минимум, трехкомпонентные системы, состоящие из полярной жидкости, неполярной жидкости и эмульгатора. При этом одна из жидкостей находится в виде капель. Капли требуемых размеров могут быть получены двумя различными путями: конденсационным методом, выращивая их из малых центров каплеобразования, и диспергационным, дробя крупные капли.

Наиболее распространённым как в лабораторной, так и в производственной практике являются диспергационные методы.

Методы очистки коллоидных систем.

Дополнительно смотри в методическом руководстве (стр. 163.)

а) Фильтрация (лат. filtrum - войлок),

б) Диализ (греч. dialysis - отделение). Компенсационный диализ. Электродиализ.

в) Ультрафильтрация (лат. ultra – сверх).

г) Обратный осмос.

5. Образование, строение и заряд коллоидной частицы. Формула мицеллы. Строение двойного электрического слоя. Электрокине­ти­чес­кий потенциал.

Смотри также методическое руководство (стр. 164-165.)