Особенность коллоидных растворов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

Ташкентский Государственный Педагогический Университет им. Низами

Методические рекомендации по использованию электронного методического пособия «Коллоидные растворы» в курсе физической и коллоидной химии

Составитель:

Алимова Ф.А.

Ташкент-2008

Введение

Одним из разделов физической химии, который превратился в самостоятельную науку, является коллоидная химия. Коллоидная химия изучает физико-химические свойства систем, в которых одно вещество в виде отдельных сложных агрегатов атомов и молекул распределено в другом веществе. Частицы в таких системах имеют большую суммарную поверхность, что и определяет особые свойства коллоидных систем. Коллоидные системы очень широко распространены в природе и в технике. Почвы, торф, бактерии и другие частицы биологического происхождения, различные пористые тела, волокнистые материалы, порошки, туманы и пыли - всё это объекты коллоидной химии. Такие процессы как дробление, фильтрация, адсорбция - лежат в основе многих производств в промышленности. Наука о коллоидах, созданная в последние несколько десятилетий, позволяет решать многие технические и экологические проблемы, начиная от создания материалов с небольшим сочетанием свойств и кончая предотвращением взрывов в каменноугольных шахтах.

В разработанном нами электронном методическом пособии «Коллоидные растворы» представлены анимации способов и методов получения и очистки коллоидных растворов, оптических и других их свойств. Выше перечисленные процессы увидеть и изучить воочию не представляется возможным, так как частицы коллоидных растворов можно разглядеть только при помощи электронного микроскопа, что не всегда представляется возможным. Способы очистки коллоидных растворов также являются затруднительным моментом, так как представляют собой технологические процессы производственного масштаба.

Разработанное методическое пособие, включающее в себя анимации тех или иных процессов, пояснения лектора теоретического материала, тестов по коллоидной химии, поможет глубже и доступней понять особенности коллоидных растворов.

Для успешного использования электронного методического пособия «Коллоидные растворы» на занятиях необходимо:

- наличие соответствующего технического оснащения (компьютер, проектор, экран)

- умение преподавателя максимально использовать данное пособие в обучающем процессе

- готовность учителя к работе с пособием (психологическая, техническая и др.).

В данной работе предлагаются технологические карты, разработки каждого занятия с использованием электронного методического пособия «Коллоидные растворы» при преподавании курса физической и коллоидной химии.

Технологическая карта № 1

Тема	Методы получения коллоидных растворов.
Цели, задачи	Ознакомление студентов с методами получения коллоидных растворов (опорные слова: измельчение, конденсация, пептизация, стабилизаторы).
Содержание учебного процесса	Объяснить способы получения коллоидных растворов (способ электрического распыления и ультразвука, физическая и химическая конденсация, пептизация).
Технология проведения занятия	Метод: устно Форма: лекция Средства: с применением компьютера Контроль: устный опрос Оценка: поощрительная по 5 б. системе
Ожидаемый результат	Преподаватель: пробудить интерес и «живое» участие студентов в процессе занятия, способствовать лучшему усвоению материала. Студент: овладение новыми знаниями, развитие памяти, самооценка полученных знаний.
Планы на будущее	Преподаватель: расширение диапазона лекционных занятий путём внедрения компьютерных технологий в процесс обучения, работа над собой, преподавание темы в соответствии с современными требованиями. Студент: развитие навыков самостоятельной работы с информацией, умение правильно излагать свои мысли, поиск дополнительной информации и работа с ней.

Лекция 1. Методы получения коллоидных растворов

Цели занятия:

Образовательная: ознакомление студентов с методами получения коллоидных растворов (способ электрического распыления и ультразвука, физическая и химическая конденсация, пептизация).

Развивающая: продолжить и расширить познавательную деятельность студентов, а также их представления о способах получения коллоидных растворов.

Воспитывающая: продолжить воспитывать внимательность, наблюдательность, эстетические чувства, навыки работы с техникой.

Средства наглядности: компьютер, экран, проектор.

Технология: лекция с применением ТСО (компьютерная технология).

Этапы занятия: I Организационная часть

II Основная часть

III Заключительная часть

1.1 Принцип работы коллоидной мельницы

Коллоидные растворы можно получить двумя противоположными друг другу способами. Один из этих способов - измельчение крупных частиц, а второй - путём агрегации молекул или ионов в более крупные частицы; первый способ называется методом диспергирования, второй методом конденсации.

Для получения коллоидных систем размер частичек дисперсной фазы должен быть от 1 нм до 100 нм. Для получения коллоидной системы с такими размерами частиц необходимо: первое условие чтобы вещество дисперсной фазы как можно меньше растворялось в дисперсионной среде; второе условие наличие, кроме дисперсной фазы и дисперсионной среды третьего вещества, которое, адсорбируясь на поверхности коллоидных частиц, способствует устойчивости связи между частичками дисперсной фазы и дисперсионной среды. Вещества, придающие устойчивость коллоидным растворам, называются стабилизаторами.

Для получения коллоидных растворов путём диспергирования проводят механическое измельчение твёрдого вещества в присутствии стабилизатора или электрическое и ультразвуковое распыление в присутствии жидкости.

Для измельчения твёрдого вещества применяется коллоидная мельница (рис 1). Частицы вещества, подлежащего диспергиро-ванию, в предварительно измельчённом виде смешиваются с соответствующей жидкос-тью, содержащей стабилизатор, и в виде взвеси подаются через загрузочное отверстие (с). При помощи быстро вращающихся лопастей (в) (лопасти вращаются 10000-15000 раз в минуту), взвесь приводится в быстрое вращение, в результате чего частицы вещества приобретают скорость и, ударяясь о неподвижные выступы (а), разбиваются на мелкие частицы. Готовый тонкодисперсный продукт удаляется через отверстие (d). С помощью коллоидной мельницы получают коллоидные растворы красок, серы, графита, кварца и многих других веществ.

1.2 Просмотр анимации работы коллоидной мельницы

Метод электрического распыления и ультразвука.

Для этого между двумя электродами, изготовленными в виде проволочек из металла, золь которого получают, и погружёнными в воду (дисперсионную среду) (с), пропускают электрическую дугу (в) (рис. 2). Это сопровождается распылением электродов, и в воде образуется золь металла. Для получения устойчивого золя в воду предварительно добавляют немного щёлочи. Этим методом в основном получают золи металлов. При получении коллоидного раствора методом распыления, прежде всего металл распыляется, затем его молекулы конденсируются, образуя частички коллоидного раствора, поэтому данный способ относится к конденсационным.

Если поместить в ультразвуковую установку сосуда взвесь грубодисперсного вещества, происходит его раздробление до коллоидного состояния. С помощью ультразвука получают коллоидные растворы металлов Ag, Pb, Sn, Bi.

1.3 Просмотр анимации получения коллоидных растворов методом электрического распыления металлов

Физическая конденсация.

Одним из методов физической конденсации является перевод в дисперсионную среду паров твёрдого вещества. Этим методом получают золи ртути, серы, фосфора. Российскими учёными А.И.Шальниковым и С.З. Рогинским был разработан метод, основанный на конденсации паров в вакууме на поверхности сосуда, охлаждённой жидким воздухом. Для этого в отростках (1) и (3) специально сконструированного прибора подвергаются испарению одновременно диспергируемое вещество (например, натрий) и дисперсионная среда (например, бензол) (рис. 3). Пары этих веществ конденсируются на поверхности сосуда (4), охлаждаемого жидким воздухом. По удалении из сосуда (4) жидкого воздуха, образовавшийся коллоидный раствор собирается в отростке (2).

К методам физической конденсации относится метод замены растворителя. Рассмотрим особенности данного способа получения на следующем примере. Известно, что некоторые органические кислоты хорошо растворяются в этиловом спирте, но плохо растворимы в воде. Для получения водных растворов таких кислот, их предварительно растворяют в спирте, затем полученный раствор разбавляют водой. Спирт растворяется в воде в любых соотношениях, поэтому растворённая в ней органическая кислота при добавлении воды образует коллоидный раствор. Например, путём добавления воды к спиртовому раствору серы можно получить её белый коллоидный раствор.

1.4 Просмотр анимации получения коллоидных растворов методом физи-ческой конденсации

Методы химической конденсации и пептизации.

Метод химической конденсации основан на проведении в растворе химических реакций, сопровождающихся образованием нерастворимых или труднорастворимых веществ. К ним относятся реакции окисления-восстановления, обмена, гидролиза и другие.

Метод восстановления основан на образовании восстановителя дисперсной фазы в истинном растворе при помощи какого-либо вещества. Например, раствор хлораурата можно восстановить пероксидом водорода или формалином, оксид серебра водородом. Методом восстановления получены золи Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ru, Os, Hg, Bi, Te.

Для получения золей других элементов могут применяться также и окислительные реакции. Метод окисления применяется главным образом для получения золей серы.

Метод двойного обмена основан на реакциях двустороннего обмена с образованием нерастворимых веществ. Таким образом, можно, например, получить гидрозоли хлорида серебра.

Гидролизом в основном получают коллоидные растворы гидроксидов металлов. Для этого соли металлов подвергаются гидролизу, образуя малорастворимые гидроксиды. Таким способом получают малорастворимые в воде золи кремниевой, вольфрамовой и других кислот.

Коллоидные растворы можно также получить и методом пептизации. Пептизацией называется процесс перевода продукта коагуляции золя обратно в коллоидный раствор. Для осуществления пептизации к коллоидному осадку (коагулянту) добавляют раствор электролита и перемешивают. Электролит, используемый при получении коллоидного раствора, называется пептизатором. В качестве пептизаторов применяются электролиты и некоторые поверхностно-активные вещества. Пептизация, являясь сложным процессом, зависит от природы дисперсионной среды и пептизатора, и способности последнего адсорбироваться на поверхности коллоидных частиц осадка, образования сольватированных слоёв и других. По мнению А.В. Думанского, во время пептизации между осадком и пептизатором образуется ряд промежуточных соединений типа комплексных. Если на поверхности частиц адсорбируется прибавленный стабилизатор, называется непосредственной пептизацией, если на поверхности частиц адсорбируется продукт взаимодействия пептизатора с веществом дисперсной фазы, то такая пептизация называется посредственной пептизацией. Примером непосредственной пептизации может служить диспергирование студенистого осадка гидроксида железа (III) при действии на него раствора хлорида железа (III). В этом случае ионы железа, адсорбируясь на поверхности частиц, сообщают им положительный заряд. После этого заряженные частицы в коагулянте взаимно отталкиваются и переходят из осадка в раствор.

Примером посредственной пептизации может служить получение того же золя гидроксида железа (III) при действии разбавленной соляной кислоты на осадок гидроксида железа (III). В этом случае часть молекул гидроксида железа (III) взаимодействует с соляной кислотой с образованием хлороксида железа FeOCl, выполняющего функцию пептизатора.

Технологическая карта № 2

Тема	Способы очистки коллоидных растворов. Мицелла и её строение.
Цели, задачи	Ознакомление студентов с методами очистки коллоидных растворов, строением мицеллы (опорные слова: мицелла, гранула, ядро, диализ, ультрафильтрация).
Содержание учебного процесса	Рассмотрение способов очистки коллоид-ных растворов методами диализа, ультрафильтрации, строение коллоидной частицы, его составных частей.
Технология проведения занятия	Метод: устно Форма: лекция Средства: с применением компьютера Контроль: устный опрос Оценка: поощрительная по 5 б. системе
Ожидаемый результат	Преподаватель: пробудить активность у студентов, организовать «живой» диалог с учащимися, способствовать лучшему усвоению материала. Студент: овладение новыми знаниями, развитие памяти, самооценка полученных знаний.
Планы на будущее	Преподаватель: внедрение компьютерных технологий в процесс обучения, работа над собой, преподавание темы в соответствии с современными требованиями. Студент: развитие навыков самостоятельной работы с информацией, умение правильно излагать свои мысли, поиск дополнительной информации и работа с ней.

Лекция 2. Способы очистки коллоидных растворов. Мицелла и её строение

Цели занятия:

Образовательная: разъяснить студентам способы очистки коллоидных растворов, строение мицеллы.

Развивающая: продолжить развивать и расширить представления студентов о диализе, электродиализе, ультрафильтрации, о составных частях коллоидной частицы, и их практическом значении в повседневной жизни.

Воспитывающая: продолжить воспитывать внимательность, ответственность, бережное отношение к окружающей среде, эстетические чувства.

Средства наглядности: компьютер, экран, проектор.

Технология: лекция с применением ТСО (компьютерная технология).

Этапы занятия: I Организационная часть

2.1 Способ очистки коллоидных растворов методом диализа

При получении коллоидных систем в их составе кроме дисперсной фазы в большом количестве присутствуют кислоты, основания и соли. Для обеспечения устойчивости коллоидного раствора должно содержатся некоторое количество электролита в растворе, однако лишнее количество электролита следует удалить. Удаление лишнего количества электролита из коллоидного раствора называется очисткой коллоидного раствора от электролита. При очистке коллоидных растворов используются методы диализа, ультрафильтрации, электродиализа.

Особенность диализа состоит в том, что коллоидный раствор и присутствующие в нём электролиты отделяются от чистого растворителя (воды) при помощи полупроницаемой мембраны (рис. 4). Молекулы и ионы, способные проходить через такую мембрану будут переходить в раствор, пока не установится равновесие между концентрациями молекул и ионов по обе стороны мембраны. Периодически меняя растворитель можно до определённой степени очистить золь от примесей. Для диализа обычно используют плёнки из коллодия, также перегородки, изготовленные из ацетилцеллюлозы, целлофана и других материалов. Наряду с этим используются и природные плёнки, например, стенки мочевого пузыря.

В сосуд, затянутый мембраной (В) наливают коллоидный раствор (А), после чего он погружается в сосуд, наполненный чистой водой (С). Вода в наружном сосуде перио-дически меняется, т.е. используется проточный диализатор с непрерывной сменой воды. Стенки мочевого пузыря или других мембран имеют очень мелкие отверстия (диаметр их 20-30 мкм). Сквозь эти отверстия могут проходить молекулы или ионы, но не коллоидные частицы. Электролиты, содержащиеся в золе диффундируя в воду, вымываются из коллоидного раствора через мембрану. Сменяя воду можно очистить до определённой степени коллоидный раствор.

2.2 Просмотр анимации метода диализа

Способ очистки коллоидных растворов методом электродиализа.

При электродиализе диализ ускоряется действием электрического тока. Между двумя мембранами М1 и М2 помещают коллоидный раствор, который нужно очистить от электролитов (рис. 5). В боковых частях сосуда, в которых непрерывно пропускается чистая вода (растворитель), находятся электроды.

При пропускании электрического тока, положительно заряженные ионы направляются к катоду, а отрицательно заряженные к аноду. Ионы электролита, пройдя через мембрану, собираются в той части сосуда, где установлены электроды. Очищенный золь остаётся в средней части сосуда между двумя мембранами. Этот метод используется в основном при очистке органических коллоидов. В промышленности он широко применяется для получения в чистом виде желатина, клея.

2.3 Просмотр анимации метода электродиализа

Способ очистки коллоидных растворов методом ультрафильтрации

Коллоидные растворы можно очистить путём фильтрации их через полупроницаемые мембраны. Ультрафильтр состоит из воронки Бюхнера (1), мембраны (2), колбы Бюнзена (3) и насоса (4) (рис .6).

Для ускорения ультрафильтрацию проводят под давлением. Используя определённую мембрану можно очистить фильтрацией коллоидный раствор от электролита, а также золи друг от друга. Для этого диаметры отверстия мембраны должны быть крупнее частиц одного золя, и меньше частиц другого золя.

2.4 Просмотр анимации метода ультрафильтрации

Мицелла и её строение. Теория В.А. Каргина и З.Я. Берестневой.

Коллоидная частица представляет собой ядро из малорастворимого вещества коллоидной дисперсности, на поверхности которого адсорбируются ионы электролита раствора. Ионы электролита обеспечивают устойчивость золя, поэтому данный электролит называют ионным стабилизатором. Значит, коллоидная частица представляет собой комплекс, состоящий из ядра, вместе с адсорбционным слоем противоионов. Агрегат частицы или ядро представляет собой вещество кристаллического строения, состоящий из сотен или тысячи атомов, ионов или молекул, окружённый ионами. Ядро вместе с адсорбированными ионами называется гранулой. Так гранула имеет определённый заряд. Вокруг неё собираются противоположно заряженные ионы, придающие ей в целом электронейтральность. Вся система, состоящая из гранулы и окружающих её ионов называется мицеллой и является электронейтральной. Жидкая фаза, окружающая мицеллу, называется интермицелярной жидкостью. Это можно представить в виде следующей краткой схемы:

гранула, т.е. коллоидная частица = ядро + адсорбционный слой + противоионный слой + диффузный слой

мицелла = гранула + противоионы

золь = мицеллы + интермицеллярная жидкость.

Рассмотрим в качестве примера золь As2S3 (рис 7). Для получения данного золя на мышьяковую кислоту нужно подействовать сероводородом. Протекающую реакцию можно написать следующим образом:

2H3AsО3+ 3H2S= As2S3+ 6 H2О

Избыток H2S в данной системе играет роль ионного стабилизатора. H2S частично диссоциирует на ионы:

H2S- HS-+ H+

Из этих ионов HS- ионы адсорбируются на поверхности ядра мицеллы As2S3, поэтому в этой системе:

[ As2S3 ]n- агрегат

[ As2S3 ]n, m HS- -ядро

{[ As2S3 ]n, m HS -,(m-x) Н+}-x -гранула

{[ As2S3 ]n, m HS -,(m-x) Н+}-x Н+- мицелла

Ядра мицелл имеют кристаллическое строение. Процесс образования коллоидных частиц был подробно исследован В.А. Каргиным и З.Я. Берестневой в 1953 году при помощи электронного микроскопа и создана новая теория. Согласно этой теории механизм образования коллоидной частицы происходит в два этапа: сначала образуются шарообразные частицы, находящиеся в аморфном состоянии, в дальнейшем же внутри аморфных частиц возникают мелкие кристаллы. Благодаря возникновению кристаллических структур внутри аморфных частиц создаётся напряжение и согласно минимуму внутренней энергии системы при соблюдении условий (?Н<0, ?S<0), |?Н| >|Т?S|, ?G<0) происходит самопроизвольный процесс распада на множество мелких кристаллических частиц и эти кристаллы становятся центром мицеллы. Скорость кристаллизации для различных золей различна.

Технологическая карта № 3

Тема	Оптические свойства коллоидных растворов.
Цели, задачи	Ознакомить студентов с оптическими свойствами коллоидных растворов (опорные слова: светорассеяние, опалес-ценция, эффект Тиндаля-Фарадея).
Содержание учебного процесса	Объяснить оптические свойства коллоид-ных растворов (светорассеяние и окраска коллоидных растворов, поглощение света коллоидами и др.)
Технология проведения занятия	Метод: устно Форма: лекция Средства: с применением компьютера Контроль: устный опрос Оценка: поощрительная по 5 б. системе
Ожидаемый результат	Преподаватель: пробудить интерес и «живое» участие студентов в процессе занятия, способствовать лучшему усвоению материала. Студент: овладение новыми знаниями, развитие памяти, самооценка полученных знаний.
Планы на будущее	Преподаватель: расширение диапазона лекционных занятий путём внедрения компьютерных технологий в процесс обучения, работа над собой, преподавание темы в соответствие с современными требованиями. Студент: развитие навыков самостоятельной работы с информацией, умение правильно излагать свои мысли, поиск дополнительной информации и работа с ней.

Лекция 3. Оптические свойства коллоидных растворов

Цели занятия:

Образовательная: ознакомить студентов с оптическими свойствами коллоидных растворов.

Развивающая: расширить представления студентов об оптических свойствах коллоидных растворов. Развивать их познавательную деятельность и умение выделять главное в визуальной информации.

Воспитывающая: продолжить воспитывать внимательность, наблюдательность, эстетические чувства, умение обращаться с техникой.

Средства наглядности: компьютер, экран, проектор.

Технология: лекция с применением ТСО (компьютерная технология).

Этапы занятия: I Организационная часть

3.1 Светорассеяние в коллоидных растворах. Эффект Тиндаля-Фарадея

Оптические свойства коллоидных растворов определяются светорассеянием в коллоидных растворах, окраской коллоидных растворов, поглощением света коллоидами, отражением света поверхностью частиц, а также ультрамикроскопические, электрономикроскопические и ренгеноско-пические свойства. Очень часто коллоидные системы окрашены. Окраска меняется в зависимости от степени дисперсности, химической природы частиц и их формы, так как эти факторы влияют на рассеяние и адсорбцию света. Золи металлов, имеющих высокую степень дисперсности, имеют обычно красный или тёмно-жёлтый цвет, а металлы с низкой степенью дисперсности фиолетовый или бледно-голубой цвет. Например, при большей степени дисперсности золи золота приобретают красный цвет, а при низкой степени фиолетовый и бледно-голубой. Окраска золей металлов зависит также и от длины поглощаемой световой волны. Луч прожектора, туман, дым бесцветны. Голубой цвет неба объясняется светорассеиванием солнечных лучей в слоях воздуха.

Если размеры частиц больше длины световой волны то, согласно закону геометрической оптики свет отражается от поверхности частицы. Однако если частицы по своим размерам меньше длины световой волны, тогда среди наблюдаемых оптических явлений имеет место светорассеяние. Поэтому при прохождении света через коллоидно-дисперсные и грубодисперсные системы, происходит рассеивание света частицами дисперсной фазы. Если направить пучок светового луча на дисперсную систему, путь его виден при наблюдении сбоку в виде светящегося конуса. Это явление исследовали сначала Фарадей, а затем более подробно Тиндаль. Поэтому данное явление называется эффектом Тиндаля-Фарадея.

Для наблюдения эффекта Тиндаля-Фарадея, дисперсную систему (С) вливают в четырёхгранную стеклянную ёмкость (кювет), ставят перед кюветом тёмный занавес и освещают проекционным фонарём (А) (рис. 8). При этом опыте образуется светящийся конус, причиной которого служит рассеяние света коллоидными частицами и в результате каждая частица кажется точкой, дающей свет. Процесс светорассеяния мельчайшими частицами называется опалесценцией. В истинных водных растворах, в смеси чистых жидкостей свет рассеивается в ничтожно малых количествах и поэтому эффект Тиндаля-Фарадея не наблюдается. Его можно увидеть только в специальном приборе. Иногда внешне не удаётся отличить истинный раствор от коллоидного, и для установления, является ли данный раствор коллоидом или истинным раствором пользуются эффектом Тиндаля-Фарадея. Интенсивность эффекта Тиндаля-Фарадея повышается с увеличением степени дисперсности золя, и при достижении некоторой степени дисперсности доходит до максимума и затем понижается. В грубодисперсных системах (в силу того, что размеры частиц больше длины световой волны) свет отражается от поверхности частицы под определённым углом и вследствие этого наблюдается отражение света.

В грубодисперсных системах одинаково отражаются световые волны различной длины. Если на систему падает белый свет, то и отражённый свет тоже будет белым.

Процесс рассеивания световых волн коллоидными частицами зависит от длины световой волны. Согласно закону Релея интенсивность светорассеяния в коллоидной системе, обусловленная дифракцией, пропорциональна числу частиц, квадрату объёма частиц и обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны падающего света.

Здесь J0 ? интенсивность рассеянного света, J ? интенсивность падающего света, v - численная концентрация, V ? объём частицы, n1 -показатель преломления дисперсной фазы, n2 ? показатель преломления дисперсионной среды, k - константа, зависящая от интенсивности падающего света и от разности показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды, л - длина световой волны, нм.

Значение n1 в данном уравнении зависит от природы вещества. Если n1 и n2 равны между собой, тогда в таких системах эффект Тиндаля-Фарадея не наблюдается. Чем больше разность между коэффициентами преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды, тем явно наблюдается эффект Тиндаля-Фарадея.

Уравнение Релея применимо только для таких коллоидных растворов, в которых размер частиц составляет не более 0,1 длины световой волны. Из уравнения видно, что интенсивность рассеяния света обратно пропор-циональна четвёртой степени длины волны и поэтому в процессе рассеивания образуются более короткие волны. Поэтому при боковом освещении коллоидного раствора полихроматичным (белым) светом, коллоидные растворы имеют синеватую окраску.

3.2 Просмотр анимации эффекта Тиндаля-Фарадея

Принципы работы ультрамикроскопа, электронного микроскопа, рентгенографии, электронографии.

Размеры коллоидных частиц меньше 100 нм, однако, длина видимой световой волны находится в пределах 380-760 нм. Поэтому в обычном микроскопе разглядеть частицы коллоидного раствора невозможно

В 1903 году Зигмонди создал ультрамикроскоп, воспользовавшись эффектом Тиндаля-Фарадея (рис. 9). Основное отличие ультрамикроскопа от обычного в том, что в обычном микроскопе наблюдаемый объект помещается между источником проходящего света и микроскопом, в то время как в ультрамикроскопе освещение подаётся сбоку, поэтому и виден рассеиваемый коллоидными частицами свет.

В ультрамикроскопе исходящий от источника и рассеянный видимый свет перпендикулярны друг другу и исходящий от источника свет не попадает в глаз наблюдателя, поэтому в микроскопе наблюдается темнота. Если исходящий от источника свет падает на коллоидную частицу, частица отражает этот свет и таким образом сама становится как бы источником света. В ультрамикроскопе видна не сама частица, а свет, отражаемый этой частицей. Прямыми наблюдениями с помощью ультрамикроскопа нельзя определить размер и форму частиц, но можно подсчитать число частиц в единице объёма. Однако, пользуясь некоторыми методами, можно примерно определить размер частиц по результатам данного наблюдения. Так как коллоидные системы являются полидисперсными, всегда определяют средний радиус частиц.

При помощи ультрамикроскопа можно определить количество частиц n в единице объёма. Зная плотность вещества дисперсной фазы d и массовую концентрацию коллоидного раствора С, легко вычислить объём частицы.

Если частица имеет сферическую форму, тогда её объём равен 4/3рr3 ( здесь, r - средний радиус частицы); отсюда

;

для частицы в форме куба 13=V ёки 1= для сферической частицы 4/3рr3=V или r = .

Точную форму коллоидной частицы можно увидеть только в электронном микроскопе.

В 1934 году был создан электронный микроскоп. В электронном микроскопе вместо световых лучей используется пучок быстро движущихся электронов, потому что их скоростью, длиной волны и направлением движения удобно управлять электромагнитом. В этом микроскопе пучок электронов движущихся с катода попадают в магнитное поле электро-магнитной катушки. Это поле, собрав электроны, направляет их на изучаемый объект. Электроны, в меньшем количестве, проходя через плотный слой объекта, и в большем количестве через неплотный слой объекта, достигают второго и третьего магнитных полей, в итоге на экране или фотопластинке появляется увеличенное изображение объекта.

Внутренняя структура коллоидных частиц и её изменения в различных процессах определяются методами рентгенографии и электронографии. Один из этих методов основан на применении рентгеновских лучей, а второй потока электронов. Методом рентгенографии можно получить информацию о внутренней структуре коллоидных частиц. Вследствие малого размера этих частиц при исследовании коллоидных систем с помощью рентгенографии получать диаграммы Лауэ основанного на использовании монокристаллов затруднительно и приходится чаще всего ограничиваться получением и изучением диаграмм Дебая - Шеррера. Путём исследования диаграмм Дебая - Шеррера удалось установить кристаллическую структуру частиц многих золей. Особенно хорошие результаты были получены при исследовании золей тяжёлых металлов и их соединений, так как способность рассеяния рентгеновских лучей тяжёлыми атомами весьма велика, а дисперсионная среда здесь сравнительно мало мешает анализу.

3.3 Просмотр анимации прибора ультрамикроскопа

Метод нефелометрии

Прибор, позволяющий определять концентрацию коллоидных растворов и средний размер коллоидных частиц на основе явления «опалесценции» называется нефелометром (рис. 10). Если использовать известные значения величин источника света, дисперсную фазу и дисперсионную среду, то значения некоторых величин (n1, n2, л, с) входящих в уравнение Релея, меняться не будут. В таком случае уравнение Релея примет следующий сокращённый вид:

I=K•C•V• I0

здесь

Для проведения измерения нефелометром берут две одинаковые стеклянные цилиндрические кюветы (4,5) в первую из них помещают раствор известной концентрации (стандар-тный), а во вторую испытуемый. Свет от источника (1) равномерно падает на обе кюветы. Рассеянный обеими коллоидными растворами свет попадает в оптическую часть прибора (8,9). Каждая из половинок окуляра (10) освещается за счёт света поступающего из кюветы со стандартным раствором и испыту-емым. В окуляр будут видны два различно освещённых полукруга - один темнее, другой светлее. Высоту освещённого столба жидкости в каждой кювете можно регулировать, поднимая и опуская специальные краны (2,3), добиваясь одинаковой освещённости обеих половинок окуляра. Допустим, обозначив эти высоты через h1 и h2, и учитывая что концентрация коллоидных частиц в обоих растворах должна быть одинакова, тогда для обоих растворов будет соблюдаться равенство К?=KV=Const. А так как полукруги имеют одинаковую освещённость, имеем:

I1=I2= K?• C1• I01= K?• C2• I02

здесь I01 - интенсивность света, рассеянного исследуемым коллоидным раствором, I02 - интенсивность света, рассеянного стандартным коллоидным раствором, C1 - концентрация испытуемого раствора, C2 - концентрация стандартного коллоидного раствора. Из уравнения следует:

значит, на основе C1=C2h2/h1 мы можем вычислить C1.

Технологическая карта № 4

Тема	Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов.
Цели, задачи	Углубить представления студентов о молекулярно-кинетических свойствах коллоидных растворов (броуновское движение, осмотическое давление, мембранное равновесие Доннана ) (опорные слова: диффузия, осмос, седиментация ).
Содержание учебного процесса	Дать дополнительные объяснения о броуновском движении, осмотическом давлении коллоидных растворов, теории мембранного равновесия Доннана.
Технология проведения занятия	Метод: устно Форма: лекция Средства: с применением компьютера Контроль: устный опрос Оценка: поощрительная по 5 б. системе
Ожидаемый результат	Преподаватель: способствовать доступному и лучшему усвоению материала. Студент: овладение новыми знаниями, развитие памяти, самооценка полученных знаний.
Планы на будущее	Преподаватель: расширение диапазона лекционных занятий путём внедрения компьютерных технологий в процесс обучения, работа над собой, преподавание темы в соответствие с современными требованиями. Студент: развитие навыков самостоятельной работы с информацией, умение правильно излагать свои мысли.

Лекция 4. Молекулярно- кинетические свойства коллоидных растворов

Цели занятия:

Образовательная: дать дополнительные сведения студентам о вхо-дящих в число самых главных молекулярно - кинетических свойств коллоид-ных растворов - броуновском движении, осмотическом давлении, теории мембранного равновесия Доннана.

Развивающая: продолжать развивать представления студентов о броуновском движении, осмотическом давлении коллоидных растворов, мембранном равновесии Доннана, выявлять причинно - следственные связи между ними.

Воспитывающая: продолжать воспитывать внимательность, наблюда-тельность, бережного отношения к природе.

Средства наглядности: компьютер, экран, проектор.

Технология: лекция с применением ТСО (компьютерная технология).

Этапы занятия: I Организационная часть

4.1 Броуновское движение

Согласно ранним теориям коллоидных растворов молекулярно-кинетические свойства считались присущими только молекулярным растворам. В процессе развития науки стало известно, что молекулярно- кинетические свойства свойственны и коллоидным растворам. Эти свойства в коллоидных растворах оказываются, зависят от размера их частиц и формы.

Открытие броуновского движения в дисперсных системах сыграло в этом смысле главную роль.

Если рассматривать в ультрамикроскоп коллоидный раствор, то видно, что частицы, находящиеся в жидкости совершают разнообразные беспорядочные движения. Ещё до открытия ультрамикроскопа английский ботаник Броун (1827) при наблюдении под микроскопом водной суспензии цветочной пыльцы, установил, что частицы её находятся в постоянном и беспорядочном движении (рис. 11). Впоследствии это явление получило название броуновское движение. Броун, наблюдая данное явление на различных веществах, определил, что беспорядочное движение зависит не от природы вещества, а от размера частиц. Причину броуновского движения ещё долгое время не могли определить. Во второй половине прошлого века, на основе успехов молекулярно-кинетической теории газов смогли определить причину броуновского движения. Согласно данной теории, причина броуновского движения заключается в том, что молекулы жидкости находятся в постоянном движении, они, ударяясь об частицы, заставляют их двигаться в разных направлениях. Итак, причиной броуновского движения является тепловое движение молекул в системе.

Направление движения коллоид-ной частицы постоянно меняется, и нарисовать её траекторию очень сложно. Исследования показали, что броуно-вское движение не зависит от природы вещества, а меняется с изменением температуры, вязкости, той среды, в которой они взвешены и размерами частиц. Частицы дисперсной фазы вследствие беспорядочных ударов, наносимых молекулами растворителя, тоже меняют своё направление движения. Если частица достаточно мала, то число ударов, приходящихся на неё с разных сторон обычно неодинаково, поэтому частицы двигаются в разных направлениях по очень сложной траектории. В частицах больших размеров броуновское движение не наблюдается.

В 1905 году Эйнштейном и в 1906 году Смолуховским (независимо друг от друга) была разработана кинетическая теория броуновского движения.

Эйнштейн, применив законы газов к броуновскому движению, вывел формулу определения среднего смещения частицы в промежуток времени ?t.

?х2=2D•?t

здесь D - является коэффициентом диффузии растворённого вещества, и определяется по следующей формуле (Эйнштейн, 1908 г.):

здесь N - число Авогадро, R - газовая константа, T - абсолютная температура, ? - вязкость жидкости, r - радиус шарообразной частицы. Подставив значение D в уравнение Эйнштейна:

получим уравнение Эйнштейна-Смолуховского.

В жидкой или газообразной среде частицы дисперсной фазы находятся под влиянием двух сил, направленных взаимно противоположно: силы тяжести, под действием которой частицы оседают, и диффузии, при которой частицы стремятся разойтись по всему объёму и противодействовать оседанию. В зависимости от преобладания той или иной силы наблюдается оседание частиц (под влиянием силы тяжести) или выравнивание концентрации по всему объёму (диффузия).

Процесс оседания частиц под действием силы тяжести носит название седиментации. Скорость его зависит не только от размера частиц, но и от разности плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды, вязкости среды и выражается следующим уравнением:

здесь u - скорость оседания частицы, r - радиус частицы, p и p0 - плотность дисперсной фазы и дисперсионной среды, з - вязкость среды, g - ускорение силы тяжести.

Из уравнения видно, что относительно крупные частицы оседают быстрее. Благодаря седиментации изменяется концентрация коллоидных растворов, однако наличие броуновского движения препятствует седиментации. Чем меньше размер коллоидной частицы, тем больше влияние броуновского движения. Поэтому седиментация в коллоидных частицах протекает очень медленно, однако, под действием центробежной силы можно ускорить седиментацию. С этой целью применяют созданную А.В. Думанским в 1913 году центрифугу.

Вследствие того, что частицы коллоидной системы обладают значительно большими размерами и значительно большей массой, чем молекулы и ионы растворённого вещества в истинном растворе, скорости теплового движения коллоидных частиц будут во много раз меньше скорости движения молекул, и соответственно меньше скорость диффузии. Зависимость скорости диффузии от величины частиц коллоида была впервые установлена И.Г. Боршовым и показала, что скорость диффузии обратно пропорциональна радиусу частицы.

Скорость диффузии подчиняется законам Фика. Согласно закону Фика, если принять за разность концентраций раствора dс находящихся на расстоянии dх, количество вещества dm, диффундирующего через данное поперечное сечение q и время dt (в пересчёте на моль, 1 моль содержит 6,024• 1023 частиц), то можно вычислить:

dm = D•q•dc/dx•dt

Здесь, dc/dx - градиент концентрации, D - называется коэффициентом диффузии и он равен количеству вещества, проходящего в единицу времени (1 с) через поперечное сечение (1 см2) при градиенте концентрации, равному единице. В процессе диффузии по мере изменения концентрации меняется и её градиент dc/dx. В таком случае изменение концентрации во времени определяется по второму закону Фика:

Для коэффициента диффузии Эйнштейном в 1908 году было выведено следующее уравнение

или

эдесь N - число Авогадро, R - газовая постоянная, Т - абсолютная темпера-тура, ? - вязкость дисперсионной среды, г - радиус частицы, k -константа Больцмана (К=1,3806•10-23Ж/град).

Из формулы видно, что с повышением температуры возрастает скорость диффузии, с увеличением вязкости среды скорость диффузии понижается. Если известны радиус частицы и вязкость среды, то с помощью этой формулы можно определить скорость диффузии, и наоборот, если известна скорость диффузии, определить радиус частицы. Этот метод определения радиуса частицы называется диффузионным. В настоящее время при определении радиуса частиц широко применяется диффузионный метод.

Глубокое изучение броуновского движения привело к созданию теории флуктуации. Явление флуктуации представляет собой спонтанное отклонение какого-нибудь параметра от среднего равновесного значения в достаточно малых объёмах системы. Флуктуация представляет собой явление, обратное диффузии, хотя оба они обусловлены тепловым движением.

Если диффузия является самопроизвольным процессом, то согласно второму закону термодинамики она должна быть необратимым процессом, однако флуктуация связана со статистическим характером второго закона термодинамики. Флуктуация происходит вопреки второму закону термодинамики, который имеет статистический характер и его нельзя применить к одной или маленькой группе частиц.

4.2 Просмотр анимации броуновского движения

Осмотическое давление коллоидных растворов.

Коллоидные растворы, как и истинные, обладают осмотическим давлением. Он также как и газовое давление считается коллигативным свойством раствора, т.е. зависящим от числа свободно передвигающихся частиц коллоида.

Если учесть что объём и масса коллоидной частицы больше, чем объём и масса молекул такового молекулярного вещества, тогда в единице объёма при одной и той же массовой концентрации число частиц коллоидной системы значительно меньше, чем у истинного раствора. Поэтому осмотическое давление коллоидных растворов много меньше, осмотического давления истинных растворов. Например, коллоидный раствор золя золота с массовой концентрацией 10 г/л имеет осмотическое давление 45 Па, в то время как раствор сахарозы 7250 Па при тех же условиях.

К коллоидным растворам, как и истинным можно применить газовые законы. Для коллоидных растворов уравнение Клапейрона-Менделеева можно записать следующим образом:

 или

здесь v/V - концентрация коллоидных частиц, т.е. число частиц в единице объёма, N - число Авогадро, v - число частиц, Р - осмотическое давление.

Измерив осмотическое давление и используя формулу

можно вычислить молекулярную массу коллоида.

Мембранное равновесие Доннана. Обычно при измерении осмотического давления истинных растворов в сосуд с полупроницаемыми перегородками наливают жидкость и помещают в другой сосуд с растворителем (в воду).

По одну сторону мембраны находится раствор, а по другую чистый растворитель, однако при измерении осмотического давления коллоидных растворов по одну сторону мембраны находится один или несколько растворов электролитов. Электролит может перемещаться по обе стороны мембраны. Поэтому осмотическое давление коллоидного раствора зависит не только от концентрации частиц коллоида, но и того, как распределились электролиты по обе стороны мембраны. Если электролиты распределились одинаково по обе стороны мембраны, тогда осмотическое давление будет зависеть только от концентрации частиц коллоида, и в этом случае можно не учитывать присутствие электролита.

По мнению Доннана электролиты распределяются неравномерно по обе стороны мембраны; в той стороне может быть больше или меньше чем в другой. Например, коллоидной раствор находится по одну сторону от мембраны, сквозь мембрану коллоидная частица пройти не сможет, зато электролит сможет пройти. Например, для упрощения представим себе коллоидный раствор как коллоидный электролит, диссоциирующий на коллоидный анион и катион металла:

RМ - R- + М+

По другую сторону мембраны нальём раствор электролита, например MCl. Тогда состав системы в начале процесса будет следующим:

R- М+ M+ Cl - C1 C C2 C2

Здесь C1 ? R- - начальная концентрация ионов коллоидного электролита, C2 ? Cl- - начальная концентрация ионов электролита. Ионы M+ и Cl- способные переходить из I стороны мембраны на II и со II стороны к I; однако R- ? анионы всегда остаются на I стороне.

Движение ионов M+ и Cl- постепенно уравнивается; при установившемся равновесии число пар ионов, проходящих из I стороны мембраны на II в единицу времени будет равно числу пар ионов, проходящих со II стороны мембраны на I. Примем за х число ионов M+ и Cl- проходящих со второй стороны мембраны на первую, тогда состояние системы примет следующий вид:

R- М+ Cl- M+ Cl- C1 C1 + x x C2 - x C2 - x

Для этого равновесия можно записать следующее уравнение

(С1+х)х = (С2-х)2

и сделать следующие выводы: 1) электролит неравномерно распределяется по обе стороны мембраны; 2) на той стороне, где находится коллоидный раствор, концентрация электролита будет меньше; 3) вследствие неравномерного распределения электролита по обе стороны мембраны создаётся избыточное осмотическое давление раствора (осмотическое давление Доннана) и возникает разность электрических потенциалов (мембранный потенциал):

или

это уравнение называется уравнением Доннана.

Если концентрация электролита С2 меньше концентрации коллоидного раствора С1, т.е. С2 < С1 в этом случае отношение будет близко к нулю, и электролит не переходит со II стороны на I первую. Если С2 > С1 т.е. концентрация электролита больше, чем концентрация коллоидного раствора тогда отношение будет близко Ѕ. В этом случае электролит равномерно распределяется по обе стороны. Если С2 = С1 тогда равно: = . Значит, если С2 = С1 то, со II стороны мембраны к I стороне проходит одна треть ионов электролита.

Технологическая карта № 5

Тема	Кинетическая и агрегативная устойчивость. Седиментационный анализ.
Цели, задачи	Ознакомить студентов с кинетической и агрегативной устойчивостью и сущностью седиментационного анализа.
Содержание учебного процесса	Разъяснить понятия кинетическая и агрегативная устойчивость коллоидных систем, седиментационный анализ.
Технология проведения занятия	Метод: устно Форма: лекция Средства: с применением компьютера Контроль: устный опрос Оценка: поощрительная по 5 б. системе
Ожидаемый результат	Преподаватель: пробудить «живое» участие студентов в процессе занятия, способствовать лучшему усвоению материала. Студент: овладение новыми знаниями, развитие памяти, самооценка полученных знаний.
Планы на будущее	Преподаватель: расширение диапазона лекционных занятий путём внедрения компьютерных технологий в процесс обучения, преподавание темы в соответствии с современными требованиями. Студент: развитие навыков самостоятельной работы с информацией, умение правильно излагать свои мысли, поиск дополнительной информации и работа с ней.

Лекция 5. Кинетическая и агрегативная устойчивость коллоидных систем. Седиментационный анализ

Цели занятия:

Образовательная: ознакомить студентов с понятием кинетическая и агрегативная устойчивость коллоидных растворов.

Развивающая: продолжить расширять представления учащихся о свойствах коллоидных растворов. Развивать их познавательную деятельность и умение выделять главное в визуальной информации.

Воспитывающая: продолжить воспитывать внимательность, наблюдательность, эстетические чувства, умение обращаться с техникой.

Средства наглядности: компьютер, экран, проектор.

Технология: лекция с применением ТСО (компьютерная технология).

Этапы занятия: I Организационная часть

5.1 Кинетическая и агрегативная устойчивость коллоидных систем

Отличительным признаком коллоидно-дисперсных систем от молекулярно-дисперсных является их термодинамическая неустойчивость. Всякая мицелла представляет собой агрегат более или менее простых молекул, характерный для данного золя только в данный момент и для совершенно определённых условий. Изменение условий может привести к изменению их размеров и выпадению осадка. При этом осадки сохраняют химический состав дисперсной фазы.

Н.П. Песков (1922) ввёл в науку о коллоидных системах понятия кинетической и агрегативной устойчивости. Кинетическая устойчивость - это устойчивость дисперсных систем по отношению к действию силы тяжести. Этот вид устойчивости объясняется наличием броуновского движения, благодаря чему диспергированные частицы способны противостоять действию сил тяжести или центробежных сил, вызывающих выделение мицелл из золя.

...