Особенность коллоидных растворов

Грубодисперсные системы (например, пыль или суспензия песка в воде) седиментационно неустойчивы и оседают, так как частицы их тяжелы и практически не могут осуществлять теплового движения. Наоборот, высокодисперсные системы (газы, истинные растворы) обладают высокой кинетической устойчивостью, так как им свойственны тепловое движение и способность к диффузии. Коллоидные системы (аэрозоли, лиозоли) по устойчивости занимают промежуточное положение.

При достаточно высокой степени дисперсности, как диффузионное движение, приводит к выравниванию концентраций во всём объёме. Однако в достаточно толстых слоях полного выравнивания не достигается. Здесь в результате взаимодействия между силой тяжести и силой диффузии устанавливается некоторое состояние равновесия, характеризующееся постепенным уменьшением концентрации в направлении от нижних слоёв к верхним. Это седиментационное равновесие: оно характеризуется равенством скоростей седиментации и диффузии, когда через единицу поверхности сечения в единицу времени проходит вниз столько же оседающих частиц, сколько их проходит вверх с диффузионным потоком (в силу различной концентрации).

Распределение частиц в зависимости от высоты подчиняется гипсометрическому, или барометрическому закону, выведенному П. Лапласом:

где С1 - концентрация дисперсной системы на исходном уровне, С2 - концентрация этой системы на высоте h, М - масса моля вещества, g - ускорение силы тяжести.

Факторами кинетической устойчивости коллоидов и суспензий, кроме броуновского движения, являются дисперсность, вязкость дисперсионной среды и др. При этом наиболее существенное влияние на скорость расслаивания взвеси частиц оказывает дисперсность. Коллоидные системы обычно содержат частицы различных размеров и являются, таким образом, полидисперсными системами. Если к такой полидисперсной системе приложить некоторую постоянную силу (земного притяжения, центробежную), то частицы одинаковой величины будут оседать с одинаковой скоростью, но быстрее всего крупные и медленнее - мелкие и, следовательно, частиц среднего размера в верхней части раствора при равновесии будет меньше, чем в нижней. Кроме того, чем меньше частицы, тем больший срок требуется для установления равновесия. Скорость оседания частиц оказывается пропорциональной квадрату их диаметра.

В грубодисперсных растворах скорость установления равновесия сравнительно большая и равновесие устанавливается в течение нескольких минут или часов. В тонкодисперсных растворах она мала, и для достижения равновесия требуются годы или даже десятки лет.

В тонкодисперсных системах практически никогда не наблюдается седиментационного разделения, так как в обычных условиях хранения механические сотрясения, естественные колебания температуры и связанные с ним и конвекционные токи препятствуют установлению седимента-ционного равновесия. коллоидный раствор конденсация мембранный

Агрегативная устойчивость - это способность данной системы в той или иной мере сохранять степень дисперсности образующих её мицелл. Этот вид устойчивости объясняется с одной стороны, наличием у коллоидных частиц зарядов, что мешает им соединиться в более крупные агрегаты, а с другой, агрегативную устойчивость коллоидных систем можно объяснить тем, что вокруг коллоидных частиц могут образовываться тесно связанные с каждой сольватные оболочки из молекул растворителя.

Исследования Б.В. Дерягина показали, что сольватные оболочки благодаря своей упругости и повышенной вязкости создают препятствие к слипанию частиц, производя «расклинивающее действие».

Таким образом, факторы агрегативной устойчивости отличны от факторов кинетической устойчивости. Это отличие состоит и в том, что если повышение температуры препятствует осаждению частиц, то оно способствует агрегированию их, если повышение интенсивности броуновского движения препятствует осаждению частиц, то слипание частиц происходит при столкновении в броуновском движении.

5.2 Седиментационный анализ

Наблюдение за скоростью седиментации в суспензиях, т.е. в дисперсных системах с достаточно большими частицами, обладающих практически полной кинетической неустойчивостью, позволяет сравнительно легко и удобно определять размер частиц. Применяющиеся при этом методы получили название методов седиментационного анализа. Рассмотрим, как оседает в жидкости отдельная частица такой суспензии. Оседание частицы, очевидно, происходит под действием силы тяжести ѓ, которая с учётом на потерю в весе, по закону Архимеда, составляет:

ѓ = v (с- с0) g

где v - объём частицы, с - плотность вещества частицы, с0 - плотность среды, g - ускорение свободного падения.

Оседанию противодействует сила трения ѓґ:

ѓґ=Вu

где В - коэффициент трения между частицей и средой, u - скорость седиментации частицы.

Вначале частица движется ускоренно, так как при малых скоростях сила тяжести превышает силу трения. По мере увеличения скорости движения сила трения возрастает и в некоторой момент уравновешивает силу тяжести, вследствие чего частица начинает двигаться с постоянной скоростью. При стационарном режиме оседания, очевидно, должно соблюдаться равенство:

v (с- с0) g= Вu

применительно к сферическим частицам это уравнение принимает вид

4/3 рr3(с- с0) g= 6рзru

отсюда легко найти скорость седиментации частицы

согласно полученному уравнению скорость седиментации частицы прямо пропорциональна квадрату радиуса (или диаметра) частицы, обратно пропорциональна вязкости среды и зависит от разности с - с0 так, что при с > с0 происходит оседание, а при с < с0 (например, суспензия парафина в воде) всплывание частиц - обратная седиментация.

Зная скорость оседания частицы и значение з, с и с0 можно легко найти радиус частицы

r =

Уравнение (4) справедливо для водных суспензий, имеющих частицы размером от 0,1 до 100 мкм, так как для этих частиц время нарастания скорости оседания до постоянного значения настолько мало, что не оказывает влияния на результаты седиментационного анализа.

К частицам радиусом больше 100 мкм, в обычных условиях оседающим ускоренно, и частицам радиусом меньше 0,1 мкм, содержащимся в кинетически устойчивых системах, уравнение (4) неприложимо.

Рассмотрим теперь седиментацию дисперсных систем, состоящих из множества частиц. При этом примем, что частицы в таких суспензиях оседают совершенно независимо друг от друга.

В монодисперсной системе, поскольку скорость оседания одинаковых по размеру частиц одинакова, отстаивание будет происходить равномерно. При этом граница раздела отстоявшейся концентрированной суспензии и прозрачной среды будет смещаться на некоторое расстояние. Тогда скорость оседания и выразится уравнением:

u=Н/ф

где, Н - высота слоя осветлённой жидкости, ф - время оседания.

а радиус частиц уравнением:

r =

где

k =

По данному уравнению легко вычислить радиус частиц суспензии по результатам наблюдения за её оседанием визуально. Скорость седиментации монодисперсной суспензии можно определить, наблюдая за оседанием какой-нибудь одной из её частиц в микроскоп.

При отстаивании полидисперсной суспензии в отличие от монодисперсной суспензии граница оседающего слоя оказывается размытой, так как частицы, имеющие различные радиусы, проходят за одно и то же время различные пути. Поэтому седиментационный анализ полидисперсной системы сводится к определению скорости накопления осадка.

Для установления зависимости между массой выпавшего осадка m и временем оседания ф графически, используют так называемые кривые седиментации, из которых получают необходимые данные для характеристики полидисперсности исследуемой системы.

5.3 Методы, используемые при седиментационном анализе

Остановимся теперь кратко на экспериментальных приёмах, используемых при седиментационном анализе полидисперсных систем.

Весовая модификация седимен-ационного анализа заключается в определении скорости накопления осадка на чашке весов. Для этой цели были предложены седиментационные весы самых разнообразных конструк-ций. Наиболее распространенными весами является прибор Н.А. Фигуровского, предложенный им в 1936 г (рис.12). Этот прибор представ-ляет собою закреплённый в горизонтальном положении в держателе штатива (1) гибкий стеклянный или кварцевый шпиц (2), на конец которого подвешивают на стеклянной нити тонкостенную стеклянную чашечку (3). Расстояние между уровнем жидкости и подвешенной чашечкой обозначено через (Н). При погружении чашечки в цилиндр с испытуемой суспензией на чашечке постепенно накапливается осадок и шпиц прогибается. За прогибом шпица следят при помощи отсчётного микроскопа. Отмечая во времени перемещения конца шпица по микрошкале, строят график изменения величины прогиба во времени.

Другой метод наблюдения за ходом седиментации полидисперсных систем предло-жен Вигнером в 1918 г (рис. 13). Этот метод основан на измерении гидростатического давления столба суспензии при выделении из неё дисперсной фазы в результате седиментации. Седиментация по этому методу проводится в специальном приборе - седиментомере Вигнера. При закрытом кране, соединяющем оба колена прибора, в широкую трубку (1) заливают суспензию, а в узкую трубку (2) вводят дисперсионную среду, затем кран открывают.

Вначале уровень жидкости в трубке (2) выше, чем в трубке (1), так как средняя плотность суспензии обычно больше, чем плотность среды. Однако по мере выпадения дисперсной фазы суспензии и накопления осадка на дне трубки (1), плотность суспензии будет постепенно приближаться к плотности среды и разность уровней жидкости h в обоих коленах будет уменьшаться. Зависимость h от времени седиментации можно использовать для построения кривой седиментации.

В заключение следует отметить ряд причин, ограничивающих применимость седиментационного анализа. Во-первых, основное уравнение седиментационного анализа (4) пригодно только для расчёта размера сферических частиц. Для частиц, отличающихся по форме от сферических, уравнение позволяет определить только так называемый эффективный, или эквивалентный радиус, т.е. радиус воображаемых сферических частиц, обладающих той же плотностью и оседающих с той же скоростью, что и частицы суспензии.

Во-вторых, при седиментационном анализе с использованием уравнения (4) можно получить правильные результаты только в том случае, если частицы не сольватированы. Понятно, что влияние сольватации будет сказываться в тем большей степени, чем меньше размер частиц.

Наконец, в-третьих, седиментационнный анализ можно применять только тогда, когда частицы оседают раздельно друг от друга (когда концентрация системы не слишком велика) и когда они не образуют агрегатов.

Технологическая карта № 6

Тема	Электрические свойства коллоидных систем. Образование двойного электрического слоя.
Цели, задачи	Ознакомить студентов с электрическими свойствами коллоидных систем, строением двойного электрического слоя.
Содержание учебного процесса	Объяснить электрические свойства коллоидных систем, ознакомить с теориями строения двойного электрического слоя.
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, активное 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.

Лекция 6. Электрические свойства коллоидных систем. Образование двойного электрического слоя

Цели занятия:

Образовательная: ознакомить студентов с электрическими свойствами коллоидных систем, теориями образования двойного электрического слоя.

Развивающая: продолжить расширять представления студентов об электрических свойствах коллоидных систем,

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

6.1 Понятие об электрокинетических явлениях

Наличие у частиц дисперсных систем электрического заряда было открыто ещё в 1808 г. Профессором Московского университета Ф.Ф.Рейсом. Он показал, что при наложении разности электрических потенциалов на электроды, опущенные в заполненные водой стеклянные трубки, вставленные в кусок сырой глины, жидкость в трубке с положительным полюсом мутнела, а в трубке с отрицательным полюсом вода оставалась прозрачной. Это указывало на то, что частицы глины переносятся в электрическом поле к положительному полюсу. Более поздними исследованиями было установлено, что частицы переносятся в электрическом поле с постоянной скоростью. Эта скорость тем больше, чем выше приложенная разность потенциалов и диэлектрическая проницаемость среды, и тем меньше, чем больше вязкость среды. Перенос частиц в электрическом поле получил название электрофореза, или катафореза.

Рейс заметил также, что если тонкий кварцевый песок поместить в среднюю часть U-образной трубки так, чтобы он образовал как бы пористую диафграмму, затем заполнить трубку водой и приложить электрический ток к электродам, помещённым в оба колена трубки, то уровень воды в колене с отрицательным электродом будет повышаться до тех пор, пока разность уровней в обоих коленах не достигнет определённого значения (рис. 14). Подобно электро-форезу этот процесс идёт с постоянной скоростью, и количество перенесённой жидкости прямо пропорционально приложенной разности потенциалов и диэлектрической проницаемости и обратно пропорционально вязкости среды.

Исследованиями Видемана, проведёнными в 1852 г., было установлено, что количество жидкости, прошедшей через капилляры пористой диафграммы, пропорционально силе тока и при постоянной силе тока не зависит от площади сечения или толщины диафграммы. Это явление было названо электроосмосом.

Причина обоих явлений, обнаруженных Ф.Ф. Рейссом, одна и та же - наличие разноимённых зарядов у твёрдой и жидкой фазы. При электрофорезе в результате возникновения электрического поля между электродами, благодаря малому размеру частиц глины, происходит перенос отрицательно заряженной дисперсной фазы к положительному электроду. При электроосмосе ввиду того, что частицы песка слишком тяжелы, под влиянием электрического поля по капиллярам, имеющимся в слое песка, к отрицательному электроду передвигается положительно заряженный слой жидкости. Указанные явления, поскольку в них происходит передвижение частиц или жидкости при приложении разности потенциалов или, наоборот, возникает разность потенциалов при передвижении частиц или жидкости, получили общее название электрокинетических явлений. Причина всех электрокинетических явлений заключена в противоположности знаков заряда твёрдой фазы и жидкости. С современной точки зрения заряд на коллоидных частицах лиозолей, проявляющийся при электрофорезе, обусловлен наличием на их поверхности двойного электрического слоя из ионов, возникающего либо в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита, находящегося в растворе, либо за счёт ионизации поверхностных молекул веществ. Правильность такой точки зрения подтверждают опыты, показавшие, что часто электрокинетические явления не наблюдаются или почти не наблюдаются в жидких средах с очень малой диэлектрической проницаемостью, в которых не происходит заметной диссоциации электролитов. К таким жидкостям относятся хлороформ, петролейный эфир, сероуглерод. В тоже время электрокинетические явления наблюдаются в нитробензоле, в таких слабо полярных жидкостях, как ацетон, этиловый и метиловый спирты, и в особенности - вода.

6.2 Просмотр анимации электрофореза и электроосмоса

Образование двойного электрического слоя, опыты.

В результате избирательной адсорбции одного из ионов в самом общем виде можно изобразить на примере двойного электрического слоя, возникающего на кристаллах иодида серебра, находящихся в слабом растворе иодида калия. Иодид-ионы (потенциалопределяющие ионы) достраивают кристаллическую решётку иодида серебра и тем самым придают частицам отрицательный заряд, а ионы калия (противоионы) находятся в растворе вблизи межфазной поверхности. В целом, весь комплекс называемый мицеллой остаётся электронейтральным. Образование двойного электрического слоя в результате избирательной адсорбции одного из ионов, присутствующих в дисперсионной среде, может происходить и тогда, когда достройки кристаллической решётки нет. Например, двойной электрический слой образуется на частицах парафина, диспергированного в слабом растворе щелочи, за счёт избирательной адсорбции гидроксильного иона, который в данных условиях проявляет лучшую адсорбируемость, чем ион щелочного металла. Возникновение двойного электрического слоя за счёт ионизации можно проиллюстрировать образованием двойного электрического слоя на частицах водного золя двуокиси кремния. Молекулы SiO2, находящиеся на поверхности таких частиц, взаимодействуют с дисперсионной средой, гидратируются и образуют кремниевую кислоту, способную ионизироваться:

H2SiO3 - HSiO3- + H+

HSiO3-- SiO32 - + H+

При этом силикатные ионы SiO32- остаются на поверхности частицы, обусловливая её отрицательный заряд, а ионы водорода переходят в раствор. Вполне возможно, что не все молекулы H2SiO3, находящиеся на поверхности ионизируются, или происходит одноступенчатая диссоциация на ионы.

При действии электрического поля на частицы, несущие двойной электрический слой, происходит явление, напоминающее электролиз и получившее название электрофорез. Если дисперсная фаза заряжена отрицательно, коллоидные частицы вместе с адсорбированными на них отрицательными потенциалопределяющими ионами движутся к аноду, а положительно заряженные - к катоду. Если дисперсная фаза заряжена положительно, направление движения частиц и ионов меняется на обратное. Следует отметить, что к электроду, имеющему заряд, одноимённый с заряженными частицами, движется только часть противоионов. Другая часть противоионов, находящихся весьма близко от поверхности дисперсионной фазы, под действием сравнительно значительных электрических и адсорбционных сил оказывается связанной с частицами и вынуждена двигаться вместе с ними. Конечно, электрофорез надо рассматривать не как простой перенос заряженных частиц и противоионов к соответствующим электродам, а как перенос, сопровождающийся постоянным взаимным обменом между противоионами соседних коллоидных частиц. В этом отношении электрофорез полностью сходен с электролизом, который осуществляется путём обмена ионов соседних молекул.

Аналогичное объяснение имеет и явление электроосмоса. Двойной электрический слой в этом случае образуется на внутренней поверхности капилляров пористого тела в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита, присутствующего в жидкости, заполняющей капилляр, либо вследствие ионизации молекул вещества, из которого состоят стенки капилляра, либо, наконец, в результате адсорбции на поверхности капилляра ионов ОН- или Н+, всегда присутствующих в воде. При наложении на капилляр (условно считая, что потенциалопределяющие ионы заряжены отрицательно, а противоионы-положительно) электрического поля путём введения в сосуды, которые он соединяет, электродов, слой противоионов в капилляре будет смещаться параллельно неподвижному слою потенциалопределяющих ионов к катоду, что вызовет и перемещение к катоду всей жидкости, заполняющей капилляр, под действием сил трения и молекулярного сцепления. Освободившиеся места противоионов немедленно заполняют катионы, находящиеся в объёме жидкости, заполняющей капилляр, а соответствующие этим катионам анионы направляются к аноду. Схема процесса изображена на рис. 15.



6.3 Теории строения двойного электрического слоя

Впервые теория строения двойного электрического слоя была разработана Квинке (1859), затем в работах Гельмгольца она получила дальнейшее развитие. В результате развития теории электролитической диссоциации и понятия об ионах Гуи (1910) была разработана новая теория строения двойного электрического слоя. Позже более глубокое развитие эта теория получила в работах Штерна (1924) .

При рассмотрении двойного электрического слоя примем ряд следующих общих положений, из которых исходили все выше перечисленные авторы. Двойной электрический слой состоит из ионов одного знака, относительно прочно связанных с дисперсной в случае лиозолей твёрдой фазой (потенциалопределяющие ионы), и эквивалентного количества противоположно заряженных ионов, находящихся в жидкой дисперсионной среде вблизи межфазной поверхности (противоионы). Заряд на поверхности твёрдой фазы в первом приближении рассматривается как поверхностный заряд, равномерно распределённый по всей поверхности. Между противоионами и свободными (не входящими в двойной электрический слой) ионами того же знака, находящимися в жидкости, существует динамическое равновесие. Дисперсионная среда представляется всегда как непрерывная фаза, влияние которой на двойной электрический слой определяется лишь её диэлектрической проницаемостью.

При таких предпосылках отличие между теориями строения двойного электрического слоя заключается, в основном, только в различном толковании структуры слоя противоионов.

Теория Гельмгольца-Перрена. Согласно этой теории двойной слой представляется как бы плоским конденсатором, одна обкладка которого связана непосредственно с поверхностью твёрдого тела (стенкой), а другая обкладка, несущая противоположный заряд, находится в жидкости на очень малом расстоянии от первой. Потенциал в таком двойном слое, равно как и потенциал в плоском конденсаторе, очевидно, должен падать весьма круто (по крутой), а значение поверхностного заряда у будет определяться формулой:

у =

где е - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между обкладками конденса-тора, ц0 - разность потенциалов между дисперсной фазой и раствором, д - расстояние между обкладками. Приведённая схема строения двойного электрического слоя не объясняет ряд особенностей электрокинетических явлений (рис. 16). В настоящее время она представляет для коллоидной химии только исторический интерес.

Теория Гуи-Чэпмена. Значительным шагом вперёд явилась теория двойного электрического слоя с диффузным слоем противоионов, предложенная независимо друг от друга Гуи (1910 г.) и Чэпменом (1913 г.). Эта теория в значи-тельной мере устранила недостатки теории Гельмгольца-Перрена. По теории Гуи-Чэпме-на противоионы не могут быть сосредото-ченны только у межфазной поверхности и образовывать моноионный слой, а рассеяны в жидкой фазе на некотором расстоянии от границы раздела. Такая структура (рис. 17) двойного слоя определяется, с одной стороны, электрическим полем у твёрдой фазы, стремящимся притянуть эквивалентное количество противоположно заряженных ионов возможно ближе к стенке, а с другой, тепловым движением ионов, вследствие которого противоионы стремятся рассеяться во всём объёме жидкой фазы. В непосредственной близости от межфазной границы преобладает действие электрического поля. С удалением от межфазной границы сила этого поля постепенно ослабевает и всё сильнее проявляется в результате теплового движения рассеивание противоионов двойного слоя, вследствие чего концентрация противоионов падает и становится равной концентрации тех ионов, которые находятся в глубине жидкой фазы. Таким образом, возникает равновесный диффузный слой противоинов, связанных с твёрдой фазой. Понятно, что равновесие этого диффузного слоя динамическое.

С другой стороны, находящиеся в жидкости ионы того же знака, что и адсорбированные стенкой потенциалопределяющие ионы, отталкиваются электрическими силами от твёрдой фазы и уходят в глубь раствора. Это обусловливает распределение потенциалопределяющих ионов и противоионов в диффузной части двойного электрического слоя.

Представления, развитые Гуи и Чэпменом, позволяют объяснить некоторые электрокинетические явления, такие как, почему электрокинетический потенциал отличен от нуля, но не равен общему скачку потенциала, почему различные факторы влияют на оба потенциала по-разному.

Однако и у данной теории имеются недостатки. Одна из них заключается в том, что она не объясняет так называемого явления перезарядки-перемены знака электрокинетического потенциала при введении в систему электролита с многовалентным ионом, заряд которого противоположен по знаку дисперсной фазы. Далее теория не объясняет различного действия разных по природе противоионов одной и той же валентности на двойной электрический слой. Согласно этой теории введение эквивалентного количества разных противоионов одинаковой валентности должно сжимать двойной электрический слой и понижать ж- потенциал в одинаковой степени. Однако опыт показывает, что это не так. Эффективность действия ионов одной и той же валентности на двойной электрический слой возрастает с увеличением радиуса иона. Толщина двойного электрического слоя и число противоионов в диффузном слое определяются специфической адсорбионной способностью ионов, обусловленной их поляризацией и гидратацией. Эти свойства ионов определяются их истинным радиусом или, что то же, положением соответсвующих элементов в таблице Д.И. Менделеева.

Большая поляризуемость иона, конечно, должна способствовать уменьшению толщины двойного электрического слоя, поскольку при этом возникают дополнительные адсорбционные силы между твёрдой фазой и индуцированным диполем и, кроме того, ион может ближе подойти к поверхности. Так как деформируемость иона увеличивается с его размерами и поскольку радиусы анионов вообще значительно больше радиусов катионов, поляризуемость анионов обычно больше, чем катионов. В этом кроется объяснение того, почему отрицательный заряд поверхности встречается в природе гораздо чаще, чем положительный.

Гидратация ионов, как известно, уменьшается с увеличением истинного радиуса ионов. Снижение гидратации ионов должно способствовать сжатию двойного электрического слоя, так как гидратная оболочка уменьшает электростатическое взаимодействие между противоионами и поверхностью твёрдой фазы.

Теория Гуи-Чэпмена, относительно хорошо приложимая в случае достаточно разбавленных коллоидных растворов, оказывается неприемлемой для более концентрированных. Все эти затруднения в значительной мере преодолены в теории строения двойного электрического слоя, предложенной Штерном.

Теория Штерна. В 1924 г. Штерн предложил схему строения двойного электрического слоя, в которой он объединил схемы Гельмгольца-Перрена и Гуи-Чэпмена. Разрабатывая теорию двойного электрического слоя, Штерн исходил из двух предпосылок. Во-первых, он принял, что ионы имеют конечные, вполне определённые размеры и, следовательно, центры ионов не могут находиться к поверхности твёрдой фазы ближе, чем на расстоянии ионного радиуса. Во-вторых, Штерн учёл специфическое, не электрическое, взаимодействие ионов с поверхностью твёрдой фазы. Это взаимодействие обусловлено наличием на некотором малом расстоянии от поверхности поля молекулярных (адсорбционных) сил.

Согласно Штерну, первый слой или даже несколько первых слоёв противоионов притягиваются к стенке под влиянием как электростатических, так и адсорб-ционных сил (рис. 18). В результате этого часть противоионов удержи-вается поверхностью на очень близком расстоянии, порядка 1-2 молекул, образуя плоский конденсатор толщиной д, предусмотренный теорией Гельм-гольца-Перрена. Этот слой, в котором, естественно, наблюдается резкое падение электрического потенциала, одни авторы называют гельмгольцевскими, другие - штерновскими, третьи - адсорбционным слоем. Остальные противоионы, нужные для компенсации потенциалопределяющих ионов, в результате теплового разбрасывания образуют диффузную часть двойного слоя, в которой они распределены согласно тем же законам, что и в диффузном слое Гуи-Чэпмена. Эту часть двойного слоя, в которой потенциал падает относительно постепенно, иногда называют слоем Гуи.

С введением электролитов в систему диффузный слой будет сжиматься и все большее и большее число противоионов будет попадать в адсорбционный слой. Двойной слой при этом все больше приближается к слою, предусмотренному в теории Гельмгольца-Перрена, а ж- потенциал уменьшается, постепенно приближаясь к нулю. При разбавлении системы, наоборот, диффузный слой расширяется и ж- потенциал возрастает.

На распределение ионов в двойном электрическом слое по теории Штерна сильно влияет природа противоинов. Если противоионы обладают различной валентностью, то толщина диффузного слоя и число противоионов в адсорбционном слое определяются, главным образом, валентностью ионов и, следовательно, обусловливаются электроста-тическими силами. Если противоионы имеют одинаковую валентность, толщина двойного электрического слоя и число противоинов в диффузном слое определяются специфической адсорбционной способностью ионов, обусловленной их поляризуемостью и гидратацией.

Теория Штерна соответствовала результатам экспериментальных наблюдений лучше, чем теория Гуи-Чэпмена. Благодаря уточнению роли размера ионов и введения представления об адсорбционном потенциале, она может объяснить ряд специфических особенностей действия тех или иных электролитов на двойной электрический слой и электрокинетический потенциал. Однако необходимо указать, что и эта теория не является совершенной, поскольку она исходит из ряда допущений и в ней имеется много неопределенностей, среди которых, например, допущение о независимости адсорбционного потенциала от концентрации, что едва ли вероятно.

Лабораторная работа 1 Получение гидрозолей серебра и меди методом электрического распыления.

Коллоидные растворы занимают по степени дисперсности промежуточное положение между грубодисперсными и истинными растворами, поэтому их можно получить:

а) путём раздробления, или диспергирования, крупных частиц на более мелкие (дисперсионные методы); б) путём агрегации молекул или ионов в более крупные частицы (конденсационные методы).

Способ получения золя электрическим распылением металла нельзя отнести полностью к дисперсионному, так как распыляемый металл в пламени электрической дуги, попадая в растворитель, благодаря низкой температуре последнего тут же конденсируется, образуя золь. Поэтому этот метод с одинаковым правом может быть отнесён и к конденсационному.

Описанный способ из-за высокой температуры электрической дуги не может распространяться на получение коллоидных систем в органических жидкостях, так как последние обугливаются.

Цели занятия:

Обучающая: сформировать умение получать золи металлов методом электрического распыления.

Развивающая: продолжать развивать понятие о методах получения коллоидных систем.

Воспитывающая: продолжать воспитывать навыки самостоятельной работы, наблюдательности, внимательности.

Реактивы: раствор танина в воде, 1 % (свежеприготовленный), Na2CO3, 1 %

Приборы и химическая посуда: прибор Бредига для распыления металлов, кювета с плоскопараллельными стенками размером 10х8х2 см, серебряные электроды, капельница, источник постоянного тока на 200 В, медные электроды, охлаждающая ванна со льдом.

Этапы занятия: I Организационная часть

II Основная часть

III Заключительная часть

I. Организационная часть

Дать целевую установку, разбить студентов на подгруппы, по 2-3 человека.

Вступительная беседа:

1. Перечислите методы получения коллоидных систем?

2. В чём сущность получения гидрозолей металлов методом электрического распыления?

3. Почему нельзя использовать органические растворители при получении органозолей металлов методом электрического распыления?

II. Основная часть

1. Ознакомление с раздаточным материалом.

2. Просмотр анимации получения гидрозолей методом электрического распыления металлов в воде.

3. Самостоятельное выполнение опыта студентами.

Для этой цели обычно используют прибор Бредига (см. рис. 2). В этом приборе катод и анод изготовлены в виде стержней из тех металлов (серебро, медь и др.), золи которых хотят получить.

В сосуд прибора Бредига наливают 1 %- ный раствор карбоната натрия и к нему из капельницы добавляют в качестве восстановителя несколько капель свежеприготовленного 1 % -ного раствора танина. Далее в раствор погружают электроды из соответствующего металла (серебро или медь) и в течение 2-3 мин пропускают через раствор электрический ток. Электроды должны находиться на таком расстоянии друг от друга, чтобы между ними возникала электрическая дуга.

При образовании под водой электрической дуги происходит испарение металла, из которого изготовлены электроды. Далее пары металла, охлаждённые водой, конденсируются, образуя агрегаты коллоидных размеров.

Запись наблюдений и выводов. Подведение итогов.

Лабораторная работа 2

Очистка золей методом электродиализа.

Изучение процессов получения коллоидных растворов показывает, что наряду с веществом, имеющим коллоидную степень раздробления, получаются ещё и другие вещества, имеющие молекулярно-ионную степень раздробления. При исследовании свойств коллоидных систем свойства примесей будут проявлять себя, и результат окажется неопределённым. Отсюда возникает необходимость очистки коллоидных растворов. Наиболее распространенными методами очистки коллоидных растворов от примеси кристаллоидов являются диализ и электродиализ.

Цели занятия:

Обучающая: сформировать умение очищать коллоидные растворы методом электродиализа.

Развивающая: продолжать развивать понятие о способах очистке коллоидных растворов.

Воспитывающая: продолжать воспитывать навыки самостоятельной работы, наблюдательности, внимательности.

Реактивы: неочищенный гидрозоль железа.

Приборы и химическая посуда: демонстрационный электродиализатор, миллиамперметр, магнитная мешалка, источник постоянного тока (до 300-400 В), вольтметр, промывная склянка с дистиллированной водой.

Этапы занятия: I Организационная часть

II Основная часть

III Заключительная часть

I. Организационная часть

Дать целевую установку, разбить студентов на подгруппы, по 2-3 человека.

Вступительная беседа:

1. Перечислите способы очистки коллоидных систем.

2. В чём сущность очистки гидрозолей металлов методом электродиализа?

II. Основная часть

1. Ознакомление с раздаточным материалом.

2. Просмотр анимации получения гидрозолей методом электрического распыления металлов в воде.

3. Самостоятельное выполнение опыта студентами.

Электродиализатор представляет собой разборный сосуд, разделённый двумя мембранами на три части (см. рис. 5). В среднюю камеру электроди-ализатора наливают неочищенный гидрозоль железа, а в боковые камеры -дистиллированную воду. Электродиализатор ставят на столик электромагнитной мешалки, запаянный в стекло, и подключают платиновые электроды к источнику постоянного тока. Включают магнитную мешалку и подают на платиновые электроды напряжение от источника постоянного тока, наблюдая за показаниями миллиамперметра.

В момент включения электродиализатора в цепь сила тока в ней очень мала, но постепенно она возрастает в результате перехода электролитов из средней камеры через мембраны. Таким образом, по изменению силы тока можно судить о ходе процесса электродиализа.

Запись наблюдений и выводов. Подведение итогов.

Лабораторная работа 3

Оптические свойства золей. Эффект Тиндаля-Фарадея.

В основе эффекта Тиндаля-Фарадея лежит явление рассеяния света мельчайшими частицами (см. рис. 8).

По оптическим свойствам дисперсные системы, существенно отличаются от растворов. Это различие определяется, с одной стороны, размерами частиц дисперсной фазы и, с другой стороны, длиной волн светового потока. В коллоидно-дисперсных системах частицы по своим размерам меньше длины световой волны, поэтому они не отражают света, вследствие чего эти системы прозрачны. Световая волна огибает частицу, рассеивая свет во всех направлениях.

Цели занятия:

Обучающая: закрепить знания студентов об оптических свойствах золей, в частности эффекта Тиндаля-Фарадея.

Развивающая: продолжать развивать понятие об оптических свойствах золей.

Воспитывающая: продолжать воспитывать навыки самостоятельной работы, аккуратности, внимательности.

Реактивы: золи гидроокиси железа, сульфида мышьяка, серебра, серы. Растворы сульфата меди, роданида железа, дихромата калия.

Приборы и химическая посуда: проекционный фонарь, 4 склянки с плоско- параллельными стенками.

Этапы занятия: I Организационная часть

II Основная часть

III Заключительная часть

I. Организационная часть

Дать целевую установку, разбить студентов на подгруппы, по 2-3 человека.

Вступительная беседа:

1. Чем отличаются оптические свойства коллоидных растворов от таковых истинных растворов?

2. В чём сущность эффекта Тиндаля-Фарадея?

3. Что называется «опалесценцией»?

II. Основная часть

1. Ознакомление с раздаточным материалом.

2. Просмотр анимации эффекта Тиндаля-Фарадея.

3. Самостоятельное выполнение опыта студентами.

Золи гидроокиси железа, сульфида мышьяка, серебра, серы наливают в 4 склянки с плоскопараллельными стенками и плотно закрывают резиновыми пробками. В такие же 3 сосуда наливают растворы сульфата меди, роданида железа, дихромата калия. С помощью проекционного фонаря получают узкий интенсивный пучок света. Для этой цели с него предварительно снимают линзы, а отверстие кожуха с лампой закрывают диском с просветлённым в нём узким отверстием. На предметный столик вплотную ставят поочерёдно сосуды с плоскопараллельными стенками, наполненные исследуемыми растворами. Во всех коллоидных растворах наблюдается интенсивный «конус Тиндаля-Фарадея». В истинных растворах «конус Тиндаля-Фарадея» практически отсутствует.

Лабораторная работа 4

Осмотическое давление золей.

К молекулярно- кинетическим свойствам коллоидных систем относятся те свойства, которые характерны и для истинных растворов, в частности осмотическое давление. Исследования показали, что осмотическое давление коллоидных растворов много меньше, чем таковое истинных растворов. Причина малых значений осмотического давления у коллоидных растворов состоит в том, что при одинаковой массовой концентрации в коллоидном растворе содержится во много раз меньшее число частиц коллоида, чем число молекул растворённого вещества в истинном растворе. Это в свою очередь, является результатом того, что коллоидная частица по сравнению с обычной молекулой обладает очень большой массой. Осмотическое давление золей настолько незначительно, что производить наблюдения в обычных условиях очень трудно.

Цели занятия:

Обучающая: закрепить знания студентов об молекулярно-кинетических свойствах, в частности осмотическом давлении золей.

Развивающая: продолжать развивать понятие об молекулярно-кинетических свойствах золей.

Воспитывающая: продолжать воспитывать навыки самостоятельной работы, аккуратности, наблюдательности

Реактивы: раствор конго красного 0,5 %.

Приборы и химическая посуда: прибор для измерения осмотического давления, проекционный фонарь.

Этапы занятия: I Организационная часть

II Основная часть

III Заключительная часть

I. Организационная часть

Дать целевую установку, разбить студентов на подгруппы, по 2-3 человека.

Вступительная беседа:

1. Что относится к молекулярно-кинетическим свойствам коллоидных растворов?

2. В чём причина малого осмотического давления коллоидных растворов?

3. Приведите формулу для измерения осмотического давления коллоидных растворов?

II. Основная часть

1. Ознакомление с раздаточным материалом.

2. Просмотр анимации осмотического давления золей.

3. Самостоятельное выполнение опыта студентами.

Коллодиевый мешочек привязывают крепкими нитками к резиновой пробке с двумя просверлёнными в неё отверстиями. В одно из отверстий пробки вставляют капиллярную трубку внутренним диаметром около 1 мм и длиной примерно 30 см. В другое отверстие вставляют короткую трубку диаметром 6-7 см с надетой на неё снаружи резиновой трубочкой. Через короткую трубку осмометра заполняют коллодиевый мешочек 0,5 % раствором конго красного. Капиллярная трубка при этом должна быть поднята так, чтобы её нижний конец не выступал внутрь коллодиевого мешочка. Как только весь мешочек заполнится, капиллярную трубку опускают так, чтобы её нижний конец на несколько сантиметров был погружён в раствор. Отрезок резиновой трубки зажимают с помощью металлического зажима. Коллодиевый мешочек с раствором Конго красного погружают в стакан с дистиллированной водой. При этом уровень воды в стакане должен совпадать с уровнем золя в мешочке. Проектируя капиллярную трубку на экран с помощью проекционного фонаря, фиксируют положение уровня раствора золя в начале опыта и через 30 мин. Через 30 мин раствор конго красного в капиллярной трубке поднимается приблизительно на 15 см.

Аннотация

В современных условиях развития общества жизнь требует в контексте педагогической технологии широкое использование информационной технологии. Информационные технологии являются важным средством повышения эффективности учебного процесса и облегчающим задачу преподавателя. В свою очередь важным методическим принципом применения этой технологии является их совместимость с традиционными формами обучения.

В данном пособии предлагаются разработки 6 лекционных и 4 лабораторных занятий по курсу физической и коллоидной химии (рассчитанных на 20 часов) с использованием электронного методического пособия «Коллоидные растворы».

Данное методическое пособие предназначается для профессоров- преподавателей, магистров, бакалавров педагогических и других вузов.

Литература

1. Национальная программа подготовки кадров.

2. Зиямухамедов Б., Зиямухамедова С. Новая педагогическая технология. Т.: «Абу Али ибн Сино», 2002 .- 118 с.

3. Алимова Ф.А. Коллоидные растворы. Электронное методическое пособие по курсу физической и коллоидной химии. Т.: ТГПУ им. Низами,-2008 г. 20 с.

4. Герасимов Я.И. Курс физической химии. - М.: Химия, 1966. - 656 с.

5. Киреев В.А. Курс физической химии. - М.: Химия, 1975. - 776 с.

6. Балезин С.А, Ерофеев Б.В, Подобаев Н.И. Основы физической и коллоидной химии. - М.: Просвещение, 1975. - 398 с.

7. Лукьянов А.Б. Физическая и коллоидная химия. - М.: Химия, 1988. - 288 с.

8. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. - М.: Высшая школа, 2003. - 527 с.

9. Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. - М.: Высшая школа, 1990. - 487 с.

10. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.: Химия, 1976. - 512 с.

11. Добычин Д.П. и др. Физическая и коллоидная химия. - М.: Просвещение, 1986. - 463 с.

12. Болдырев А.И. Демонстрационные опыты по физической и коллоидной химии. - М.: Высшая школа, 1976. - 256 с.

13. Балезин С.А. Практикум по физической и коллоидной химии. М.: Учпедгиз, 1980. - 271 с.

14. Архангельский С.И. Лекции по теории обучения в высшей школе. - М.: Высшая школа, 1974. - 384 с с.

15. Архангельский С.И. Учебный процесс в высшей школе, его закономерные основы и выводы. - М.: Высшая школа, 1980. - 368 с.

16. Кирюшкин Д.М., Полосин В.С. Методика обучения химии. - М.: Просвещение, 1970. - 470 с.

17. Макареня А.А., Обухов В.Л. Методология химии. - М.: Просвещение, 1985. - 160 с.

18. Дрижун И.Л. Технические средства обучения в химии: - М.: Высшая школа, 1989. - 175 с.

19. Прессман Л.П. Методика применения технических средств обучения: экран.- звуковые средства - М.: Просвещение, 1988. - 191 с.

20. Ишмухамедов Р.Ж. Инновацион технологиялар ёрдамида таълим самарадорлигини ошириш йуллари. Тошкент. 2004. - 45 с.

Размещено на Allbest.ru

...