Глава 6. Лиофобные коллоидные системы

6.1. Получение и очищение коллоидных растворов

Теоретическое пояснение: в коллоидных системах частицы представляют агрегаты, скопления отдельных молекул вещества с размерами 10⁻⁹ – 10⁻⁷ м. В принципе существует два способа получения таких агрегатов молекул: дробле-ние крупных масс вещества (диспергирование) и объединение молекул вещества в коллоидные частицы (конденсация):

88

Методы диспергирования	Методы конденсации
1. Физическое диспергирование: 1.1. механическое измельчение 1.2.дробление ультразвуком 1.3. электрическое диспергирова-ние (метод Бредига) 2. Химическое диспергирование (пептизация)	1. Физическая конденсация: 1.1. конденсация из паров 1.2. замена растворителя 2. Химическая конденсация: 2.1. в реакциях окисления 2.2. в реакциях восстановления 2.3. в реакциях ионного обмена 2.4. в реакциях гидролиза

Получение коллоидных частиц возможно только в присутствии вещества, пре-пятствующего самопроизвольному укрупнению частиц и выпадению в осадок. Такие вещества называются стабилизаторами. Ими могут быть поверхностно-ак-тивные вещества, высокомолекулярные соединения, ионы электролитов. Их вво-дят специально или они образуются при приготовлении коллоидного раствора.

После приготовления коллоидные растворы необходимо очищать от избытка присутствующих в них низкомолекулярных веществ и крупных частиц, которые могут понижать устойчивость коллоидных частиц или сказываться на их свой-ствах. Для удаления крупных частиц применяют фильтрацию, а для удаления низкомолекулярных веществ − диализ, электродиализ и ультрафильтрацию.

Лабораторная работа

Получение золей

Задачи работы: получение золей различными методами, очистка золей от низкомолекулярных примесей

Оборудование и реактивы: пробирки, стакан, стеклянная палочка, целлофан, 2% и 20%-ный растворы FeCl₃, 5%-ного раствора аммиака, 0,1М раствор HCl, спиртовый раствор канифоли, 0,1%-ный раствор K₄[Fe(CN)₆], 0,1%-ный раствор KMnO₄, 1%-ного раствор Na₂S₂O₃, 0,1%-ного раствор крахмал, раствор Люголя,

Опыт 1. Приготовление золя гидроксида железа (III) методом пептизации

Выполнение работы: в пробирку налить 10 мл 20%-ного раствора FeCl₃ и при-бавить 4-5 капель 5%-ного раствора аммиака. Раствор перемешать и через нес-колько минут слить жидкость над осадком. К осадку прибавить 10-15 мл дистил-лированной воды, перемешать и дать вновь отстояться. Такое промывание осадка дистиллированной водой проделать дважды. Затем к осадку прилить 10 мл воды и добавить при постоянном встряхивании 10 капель 0,1М раствора HCl. Оставить раствор на 10 минут, время от времени встряхивая его. При этом должно произойти растворение осадка и образование красно-бурого золя.

При прибавлении к раствору хлорида железа (III) аммиака образуется оса-док: FeCl₃ + 3NH₃ + 3H₂O = Fe(OH)₃¯ + 3NH₄Cl. Избыток аммиака и возникший в реакции хлорид аммония удаляются промыванием водой. При добавлении небольшого количества раствора соляной кислоты протекает реакция: Fe(OH)₃ + HCl = FeOCl + 2H₂O. Образовавшийся оксохлорид железа (III) является пептиза-тором. Он в растворе диссоциирует на ионы: FeOCl « FeO⁺ + Cl⁻. Ионы адсор-бируются на частицах гидроксида железа (III) и придают им положительный заряд. Взаимно отталкиваясь, частицы осадка переходят в раствор: происходит

89

пептизация осадка гидроксида железа (III). Мицелла золя характеризуется следующей формулой: {mFe(OH)₃^.nFeO⁺(n−x)Cl⁻}^x+xCl⁻.

Опыт 2. Получение золя канифоли методом замены летучего растворителя

Выполнение работы: в пробирку налить 10 мл дистиллированной воды и доба-вить каплю спиртового раствора канифоли. Раствор перемешать. При этом полу-чается сильно опалесцирующий золь канифоли. Канифоль хорошо растворяется в спирте и нерастворима в воде. При быстрой замене спирта на воду, молекулы воды вытесняют из своего окружения молекул канифоли, которые объединяются в коллоидные частицы.

Опыт 3. Получение золя гидроксида железа (III) реакцией гидролиза

Выполнение работы: в пробирку налить 2 мл 2%-ного раствора хлорида железа (III) и 10 мл дистиллированной воды. Раствор перемешать и нагреть на спир-товке до кипения. При этом получается красно-бурый прозрачный золь гидрок-сида железа (III). Метод основан на гидролизе соли: FeCl₃ + 3H₂O « Fe(OH)₃¯ + 3HCl. Частицы Fe³⁺, образуемые в результате диссоциации FeCl₃ « Fe³⁺ +3Cl⁻, избирательно адсорбируются на поверхности осадка и придают им положи-тельный заряд. Вследствие этого между частицами возникают силы электроста-тического отталкивания и раствор становится устойчивым. Строение мицеллы описывают формулой: {mFe(OH)₃^.nFe³⁺3(n−x)Cl⁻}^3x+3xCl⁻.

Опыт 4. Получение золя берлинской лазури реакцией ионного обмена

Выполнение работы: в пробирку налить 10 мл 0,1%-ный раствор желтой кровяной соли (гексацианоферрата (II) калия) K₄[Fe(CN)₆] и прибавить 2-3 капли 2%-ного раствора хлорида железа (III). Получается синий золь берлинской лазури: FeCl₃ + K₄[Fe(CN)₆] = FeK[Fe(CN)₆]¯ + 3KCl. Частицы золя заряжены отрицательно вследствие адсорбции ферроцианид-ионов [Fe(CN)₆]⁴⁻, имеющихся в избытке. Строение мицеллы описывается формулой:

{mFeK[Fe(CN)₆]^.n[Fe(CN)₆]⁴⁻4(n – x)K⁺}^4x−4xK⁺.

Опыт 5. Получение золя диоксида марганца реакцией восстановления

Выполнение работы: в пробирку налить 5 мл 0,1%-ного раствора перманганата калия и прибавить 1-2 капли 1%-ного раствора тиосульфата натрия и перемешать раствор. При этом протекает реакция 8KMnO₄ + 3Na₂S₂O₃ + H₂O = 8MnO₂¯ + 3Na₂SO₄ + 3K₂SO₄ + 2KOH. Вследствие адсорбции ионов MnO₄⁻, находящихся в растворе в избытке, образуется вишнево-красный золь диоксида марганца. Строение мицеллы описывают формулой: {mMnO₂^.nMnO₄⁻(n – x)K⁺}^x− xK⁺.

Опыт 6. Диализ раствора крахмала с йодом

Выполнение работы: в пробирку налить 2 мл 0,1%-ного раствора крахмала, добавить 1 каплю 0,1%-ного раствора йода в 0,2%-ном растворе иодида калия (раствор Люголя). Аккуратно сгибать целлофановый лист в виде мешочка и вылить в него раствор крахмала с йодом. Мешочек завязать ниткой и привязать его за шейку к стеклянной палочке. Мешочек с раствором подвесить на палочке, погружая его в стакан с водопроводной водой. Уровень воды в стакане должен быть одинаковым с уровнем раствора в мешочке. Диализ провести 30-40 минут до обесцвечивания раствора в мешочке.

90

При сливании растворов крахмала и йода происходит физическая адсорбция йода на молекулы крахмала с образованием комплекса синего цвета.

Целлофан делают из целлюлозы и он является полупроницаемой мембраной. Через поры (отверстия) целлофана свободно проходят молекулы йода, а моле-кулы крахмала, из-за большого размера, задерживаются. При диализе молекулы йода свободно диффундируют через целлофан из раствора в мешочке в воду в стакане, а молекулы крахмала остаются в мешочке. В результате снижения концентрации йода в растворе адсорбционное равновесие сдвигается в сторону разрушения синего комплекса и наблюдается обесцвечивание раствора в мешочке. Таким образом, диализ позволяет отделять высокомолекулярные вещества и коллоидные частицы от низкомолекулярных.

Порядок оформления работы: в журнале записать ход работы, наблюдения, результаты и выводы.