Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Томский политехнический университет

Факультет: Химико-технологический

Направление (специальность): Химическая технология и биотехнология

Кафедра: Физической и аналитической химии

Лабораторная работа № 1

по курсу "Поверхностные явления и дисперсные системы"

Получение, очистка и исследование процесса коагуляции коллоидного раствора.

Томск 2009

Цель работы

Получение, очистка и исследование процесса коагуляции коллоидного раствора.

Теоретическая часть

1. Дисперсные системы

Большинство веществ, находящихся в окружающем нас мире находится в раздробленном состоянии, то есть состоит из дисперсных систем. Дисперсные системы по размерам занимают промежуточное положение между молекулами (атомами, ионами) и макроскопическими объектами (фазами). Частицы таких размеров широко распространены в природе и участвуют во многих технологических процессах.

Коллоидное состояние вещества - высокодисперсное (сильно раздробленное) состояние, в котором отдельные частицы представляют собой агрегаты, состоящие из множества молекул. Такие агрегаты называют мицеллами.

Всякая дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды, Дисперсная фаза - фаза дисперсной системы, раздробленная до мельчайших частиц и находящаяся в непрерывной дисперсионной среде.

1.1 Специфические особенности высокодисперсных систем

1. Гетерогенность (многофазность) - наличие межфазной поверхности или поверхностного слоя; количественно характеризуется величиной поверхностного натяжения (у) на границе раздела фаз.

2. Высокая дисперсность (раздробленность). Мерой раздробленности всякой дисперсной системы может служить:

поперечный размер частиц (а): для сферических частиц - диаметр, для кубических частиц - длина ребра куба;

дисперсность (D) - величина, обратная поперечному размеру частицы: D=l/a;

удельная поверхность (S_уд) - межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема (массы) дисперсной фазы.

3. Высокая свободная поверхностная энергия (G^s). Значительная доля всех молекул или атомов, составляющих вещество, находится на поверхности раздела фаз. Поверхностные молекулы отличаются от молекул, находящихся внутри фазы, по своему положению в несимметричном силовом поле и энергетическому состоянию. Существование избыточной поверхностной энергии обуславливает все своеобразие высокодисперсных систем.

4. Термодинамическая неустойчивость. Для высокодисперсных систем характерны самопроизвольные процессы, снижающие избыток свободной поверхностной энергии путем уменьшения поверхностного натяжения и дисперсности.

5. Невоспроизводимость. Поверхность реальной частицы твердого тела состоит из выступов, впадин, участков различной кривизны. Поэтому две системы одного и того же состава с одинаковой удельной поверхностью могут быть энергетически неравноценны.

6. Структурообразование. Любая система стремится к равновесию (термодинамической устойчивости) за счет образования ориентированных макроструктур.

1.2 Классификации дисперсных систем

В современной коллоидной химии отсутствует единая классификация дисперсных систем. Причина этого заключается в том, что любая предложенная классификация принимает в качестве критерия не все свойства дисперсной системы, а только какое-нибудь из них.

Наиболее распространенные классификации дисперсных систем:

1. По размерам частиц дисперсной фазы: грубодисперсные - размер частиц > 10^-5 м; среднедисперсные (микрогетерогенные) - размер частиц 10^-5 - 10^-6м; высокодисперсные (коллоидные) - размер частиц 10^-7 - 10^-9 м.

2. По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды: золи, суспензии, эмульсии, пены, аэрозоли, твердые коллоидные растворы и др.

3. По силе межфазного взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды: лиофильные и лиофобные.

4. По фазовой различимости дисперсных систем: суспензоиды и молекулярные коллоиды.

5. По подвижности частиц дисперсной фазы (по структуре): свободнодисперсные и связнодисперсные.

6. По форме частиц дисперсной фазы: корпускулярные, ламинарные, фибриллярные.

2. Методы получения дисперсных систем

Поскольку дисперсные системы широко используются в различных областях промышленности, следовательно, такие системы нужно получать с необходимым набором физических и химических свойств (состав, агрегатное состояние, размер, форма, структура, поверхностные свойства и др.).

При получении дисперсных систем решают две важные задачи:

1. Получение дисперсных частиц нужного размера и формы.

2. Стабилизация дисперсных систем, т.е. сохранение размеров дисперсных частиц в течение достаточно длительного времени.

Методы получения дисперсных систем делятся на: диспергационные, конденсационные и метод пептизации.

1. Методы очистки дисперсных систем

Низкомолекулярные примеси (чужеродные электролиты) способны разрушать коллоидные системы, поэтому полученные золи во многих случаях необходимо очищать. Для очистки используют: диализ, электродиализ, ультрафильтрацию.

Диализ - извлечение из золей низкомолекулярных веществ чистым растворителем с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны), через которую не проходят коллоидные частицы.

Электродиализ - диализ, ускоренный применением внешнего электрического поля.

Ультрафильтрация - фильтрование коллоидного раствора через полупроницаемую мембрану, пропускающую дисперсионную среду с низкомолекулярными примесями и задерживающую частицы дисперсной фазы. Проводят под разряжением (вакуумом) или под повышенным давлением.

Правила электролитной коагуляции

1. Все без исключения сильные электролиты при определенной концентрации могут вызвать коагуляцию коллоидного раствора.

2. Правило знака заряда: коагуляцию коллоидного раствора (золя) вызывает тот ион электролита, знак заряда которого противоположен знаку заряда коллоидной частицы. Этот ион электролита называют ионом - коагулятором.

3. Каждый электролит по отношению к конкретному коллоидному раствору обладает определенным порогом коагуляции.

Порог коагуляции - некоторая минимальная концентрация электролита, достаточная для того, чтобы вызвать коагуляцию золя:

, (1)

где:

- порог коагуляции, моль/л; - объем электролита, вызывающего коагуляцию, мл; - концентрация электролита, моль/л; - объем золя, мл.

Коагулирующая способность электролита - величина, обратно пропорциональная порогу коагуляции:

. (2)

4. Влияние заряда (валентности) иона - коагулятора (правило Шульца-Гарди). Коагулирующая способность электролита сильно возрастает с увеличением валентности иона - коагулятора.

, (3)

где: - валентность (заряд) иона - коагулятора, n = 2 ч 6

В случае концентрационной коагуляции, характерной для сильно заряженных золей (например, для золя гидроксида железа), n= 6. В случае нейтрализационной коагуляции, характерной для слабо заряженных золей (например, для золя иодида серебра), n = 2.

Ионы - коагуляторы с высшей валентностью обладают меньшим порогом коагуляции:

5. Коагулирующая сила ионов - коагуляторов одной и той же валентности возрастает с увеличением радиуса иона-коагулятора.

Экспериментальная часть

Приборы и реактивы:

электрическая плитка;

коническая колба для получения коллоидного раствора;

раствор для получения золя: 2% FeCl₃;

дистиллированная вода;

диализатор;

раствор AgNO₃ для проведения качественной реакции на хлорид-ионы;

три бюретки, заполненные растворами 4,0 моль-экв/л NaCl, 0,01 моль-экв/л Na₂SO₄, 0,001 моль-экв/л K₃ [Fe (CN) ₆]

три штатива с пробирками для исследования процесса коагуляции;

растворы электролитов для исследования процесса коагуляции: 0,1 М KF, 0,0025 М K₂S0₄, 0,001 М K₃ [Fe (CN) ₆], 1,0 М КС1, 0,01 MCdCl₂, 0,005 МА1С1₃.

Xoд работы

1. Получение золя гидроксида железа (III)

Золь гидроксида железа (III) получают гидролизом хлорида

железа (III).

FeCl₃ + 3H₂O > Fe (OH) ₃ + ЗHCl

В конической колбе нагревают до кипения 85,0 мл

дистиллированной воды. К кипящей воде, отключив электроплитку,

постепенно приливают 15,0 мл 2% -ого раствора FeCl₃. Получают золь

гидроксида железа красно-коричневого цвета.

Знак заряда коллоидных частиц в определяют методом капиллярного анализа.

Знак - положительный

Строение мицеллы полученного золя можно изобразить следующим образом:

{ [Fe (OH) ₃ • nFeO⁺] ⁿ⁺ • (n-x) Cl^-}^x+ • xCl^-

2. Очистка коллоидного раствора

Полученный коллоидный раствор гидроксида железа подвергают очистке методом диализа. В диализатор, сосуд из полупроницаемой мембраны, наливают полученный раствор гидрозоля; диализатор помещают в широкий стакан, наполовину наполненный дистиллированной водой. При многократном опускании и поднимании диализатора в воде происходит очистка гидрозоля: загрязняющие золь ионы переходят через мембрану в воду, а очищенный коллоидный раствор остается в диализаторе. В процессе диализа воду во внешнем сосуде (стакане) меняют 3-4 раза.

Полноту очистки коллоидного раствора проверяют проведением качественной реакции на хлорид-ионы, проходящие из диализатора во внешний сосуд.

Сl ^- + AgNO₃ > AgCl v +NO₃

Диализ заканчивают, когда качественная реакция на хлорид-ионы дает отрицательный результат.

3. Исследование процесса коагуляции коллоидного раствора.

Для проверки правильности предположения о заряде коллоидной частицы и правил электролитной коагуляции очищенный коллоидный раствор подвергают коагуляции путем действия на него различных электролитов.

Предварительно записывают формулу мицеллы гидрозоля и определяют знак заряда коллоидной частицы. Поскольку коллоидный раствор имеет положительно заряженные коллоидные частицы, то коагуляцию должны вызывать анионы, причем, тем быстрее, чем выше заряд аниона.

В каждую из четырех конических колб приливают по 10,0 мл полученного и очищенного раствора гидрозоля железа.

коагуляция коллоидный раствор гидроксид

Заполняют три бюретки растворами электролитов: 4,0 моль-экв/л NaCl, 0,01 моль-экв/л Na₂SO₄ и 0,001 моль-экв/л K₃ [Fe (CN) ₆], устанавливают объем электролитов в бюретке на нулевой отметке. В каждую из трех колб с золем приливают растворы

электролитов из бюреток по каплям до появления первых признаков коагуляции (появления мути, изменения цвета золя и др.). Отмечают объем электролита, пошедшего на коагуляцию. Четвертая пробирка с золем является контрольной.

4. Расчеты

Электролит-коагулятор	NaCl	Na2SO4	K3 [Fe (CN) 6]
Исходная концентрация электролита С1, моль-экв/л	4,0	0,01	0,001
Объем электролита, вызвавшего коагуляцию золя V1, мл	12,5	8,2	8,7
Объем электролита V2, пересчитанный на концентрацию 0,001 моль-экв/л, мл	50000	820	8,7
lgV2	4,70	2,91	0,94
Валентность иона-коагулятора, z	1	2	3
Порог коагуляции, г	5	0,082	0,0085

1. Вычисление порога коагуляции:

2. Пересчет объемов электролита на одинаковую концентрацию:

С₁V₁=C₂V₂

3.

5. Вывод правила значности:

г₁: г₂: г₃ = 5: 0,082: 0,0085 = 588: 10: 1

Вывод

При выполнении работы был получен, очищен гидроксид железа. Был изучен процесс его коагуляции. Графически установлена зависимость объема электролита вызвавшего коагуляцию от валентности. Определен порог коагуляции для различных электролитов (г (NaCl) =5, г (Na₂SO₄) =0,082, г (K₃ [Fe (CN) ₆]) =0,0085). Выведено правило значности: г₁: г₂: г₃ = 588: 10:

1. Отношение порогов коагуляции соотносится с правилом Шульце-Гарди.

Размещено на Allbest.ru

...