Определение зависимости коагулирующей способности электролитов

Задачи работы: определение коагулирующей способности электролитов от заряда коагулирующего иона и выполнение правила Шульце-Гарди.

Оборудование и реактивы: золь гидроксида железа (III), 1 М раствор хлорида натрия, 0,1 М карбоната натрия, 0,002 М цитрата натрия, дистиллированная вода, 18 пробирок, штатив, пипетки.

Выполнение работы: подготовить ряд из шести пробирок. В 5 пробирок ряда, со 2-ой по 6-ю пипеткой прилить по 2 мл воды. Далее в первую и вторую пробирки ряда прилить по 2 мл раствора хлорида натрия. Раствор во второй пробирке перемешать и 2 мл его перенести в третью пробирку. Раствор в третьей пробирке перемешать и 2 мл его перенести в четвертую пробирку. Так развести во всех пробирках. Из последней (шестой) пробирки отобрать 2 мл раствора и вылить. Таким образом, в пробирках оказывается по 2 мл раствора электролита, разведенного по сравнению с исходным в следующее число раз: 1-я – 1, 2-я – 2, 3-я – 4, 4-я – 8, 5-я- 16 и 6-я – 32. Затем в каждую пробирку добавить 2 мл золя гидроксида железа (III) и растворы в пробирках перемешать. Определить последнюю, начиная с первой, пробирку, в которой еще наблюдается коагуляция золя. Записать в таблицу результаты опытов, отмечая знаком «+» наличие и знаком «−» отсутствие коагуляции. Опыт повторить аналогично для растворов карбоната и цитрата натрия. Зная исходную молярную концентрацию раствора электролита и разведение его в пробирке, где еще происходит коагуляция (n), рассчитать порог коагуляции каждого электролита по формуле:

ммоль/л, где 1000 – число миллимолей в 1 моль, 500 – фактор пересчета с 2 мл на 1000 мл золя. Число значности электролитов определить относительно хлорида натрия: .

Результаты записать в таблицу:

Электролит	Концентрация электролита, моль/л	Коагули-рующий ион	№ пробирок 1 2 3 4 5 6 разведения 1 2 4 8 16 32	Порог коагуляцииммоль/л	Число значности
NaCl	1	Cl−			1
Na2CO3	0,1	CO32−
Na3C6H5O7	0,002	C6H5O73−

94

Порядок оформления работы: дать определение коагуляции, записать ход работы и результаты, определить пороги коагуляции сравниваемых электролитов, сделать вывод о выполняемости правила Шульце-Гарди, влиянии коагулирующих ионов на порог коагуляции.

Примеры решения задач

Пример 1. Золь хлорида серебра получен при смешивании 20 мл 0,025 М раствора нитрата серебра и 40 мл 0,005 М раствора хлорида калия. Записать формулу мицеллы, объяснить её строение. Какой из электролитов: NaCl, Na₂SO₄, Na₃PO₄ обладает наибольшим порогом коагуляции, какой ион является ионом-коагулятором?

Дано: V(p-pa AgNO3) = 20 мл C(AgNO3) = 0,025 моль/л V(p-pa KCl) = 40 мл C(KCl) = 0,005 моль/л Ског (Х) − ?

Решение: запишем уравнение реакции: AgNO3 + KCl = AgCl¯ + KNO3 Для получения золя одно из реагирующих веществ должно быть взято в избытке. Поэтому вычисляем количество реагирующих веществ: v(KCl) = C(KCl).V(p-pa) = 0,005x0,04 = 0,0002 моль v(AgNO3) = C(AgNO3).V(p-pa) = 0,025x0,02 =

0,0005моль (в избытке), поэтому строение мицеллы выражается формулой:

{mAgCl^.nAg^+.(n – x)NO₃⁻}^x+.x NO₃⁻

| ядро |

|адсорб. слой | диф. слой |

| гранула |

| мицелла |

Ag⁺ − потенциалопределяющие ионы; суммарный их заряд больше суммарного заряда противоионов адсорбционного слоя и поэтому гранула имеет положитель-ный заряд. NO₃⁻ − противоионы; часть из них (n – x) находится в адсорбцион-ном, а оставшая часть (х) – в диффузном (или подвижном) слое. По правилу Шульце и Гарди ионом-коагулятором является ион добавляемого электролита, заряд которого противоположен заряду гранулы: в данном случае ионом-коагу-лятором является анион. Коагулирующая способность иона возрастает с увели-чением заряда, а порог коагуляции уменьшается. Значит:

С_ког.(NaCl) > С_ког.(Na₂SO₄) > С_ког.(Na₃PO₄).

Пример 2. Определить средний сдвиг частицы золя за 15 с при температуре 20^оС, если радиус частицы 5^.10⁻⁸ м, вязкость среды 1^.10⁻³ Па^.с.

Дано: t = 20oC, T = 293K r = 5.10−8 м h = 1.10−3 Па.с R = 8,31 Дж/моль.K t = 15 с NA = 6,02.1023моль−1 D − ?

Решение: средний сдвиг частицы при броуновском движении вычисляется по уравнению Эйнштейна-Смолуховского: , где− коэффициент диффузии.

95

м²/с,

м.

Ответ: 9,26^.10⁻⁶ м

Пример 3. Определить величину электрокинетического (дзета-)потенциала, если под напряжением 100 В граница окрашенного золя переместилась за 10 мин на 1 см. Расстояние между электродами 10 см, диэлектрическая проницаемость вакуума e_о= 8,85^.10^-12 ф/м, относительная диэлектрическая проницаемость среды e = 81, вязкость дисперсионной среды 0,001 Па^.с.

Дано: e = 81 eо= 8,85.10-12 ф/м h = 0,001 Па.с l = 10 см = 0,1 м t = 10 мин = 600 с V = 100 B s = 1 см = 0,01 м z = ?

Решение: электрокинетический потенциал вычисляется по формуле: Ответ: 23 мВ.

Пример 4. Гидрозоль сернистого мышьяка содержит 7,2 кг As₂S₃ в 1 м³. Средний радиус частиц 1^.10⁻⁹ м. Вычислите частичную концентрацию золя и его осмотическое давление при t = 0^оС, если плотность твердого As₂S₃ составляет 2,8^.10³ кг/м³. Частицы имеют сферическую форму.

Дано: t = 0оС = 273 K d = 2,8.103 кг/м3 m(As2S3) = 7,2 кг V(золя) = 1 м3 r = 1.10−9 м Pосм − ?

Решение: осмотическое давление золей рассчитывается по формуле: , гдеv − численная (или частичная) концентрация. 104 1) вычисляем массовую концентрацию: кг/м3

2) определяем массу одной частицы:

3) вычисляем численную концентрацию (число частиц в единице объема):

96

4) вычисляем осмотическое давление золя:

Ответ: 2,314 кПа

Пример 5. Коагуляция 100 мл золя Fe(OH)₃ вызывается добавлением следую-щих количеств из электролитов: 10 мл раствора KCl с C(¹/_zX) = 1 моль/л, 63 мл раствора K₂SO₄ с C(¹/_zX) = 0,01 моль/л, 37 мл раствора K₃PO₄ с C(¹/_zX) = 0,001 моль/л. Вычислить пороги коагуляции электролитов и определить знак заряда коллоидной частицы.

Решение: вычисляем пороги коагуляции электролитов:

1) , ммоль/л

2) , ммоь/л

3) , моль/л

Как видно из формул солей, они состоят из одинакового катиона (K⁺) и анионов, разных зарядов. Так как пороги коагуляции у солей отличается много-кратно, причем, при переходе от однозарядного хлорид-иона к 2-х зарядному сульфат-иону, а далее к трехзарядному фосфат-иону, то ионом коагулятором является анион. В соответствии с правилом Шульце и Гарди, гранула золя имеет положительный заряд.