Geum.ru

Рабочая программа и задание на контрольную работу c методическими указаниями для студентов II курса специальности 330200. Инженерная защита

Вид материалаРабочая программа
2. Строение коллоидных частиц.
3. Коагуляция. Порог коагуляции.
Подобный материал:
1   2   3   4   5

2. Строение коллоидных частиц.

Коллоидная частица имеет сложное строение. В центре частицы находится ядро, представляющее собой скопление большого количества молекул или атомов вещества, образующего золь. На поверхности ядра из дисперсионной среды адсорбируются ионы того или иного знака. Совокупность ядра с адсорбированными на поверхности ионами называется коллоидной частицей или гранулой. Обычно адсорбируются главным образом ионы, в составе которых находятся элементы или атомные группировки, имеющиеся в веществе ядра частицы (правило Пескова-Фаянса). Ионы, адсорбирующиеся на поверхности ядра и обуславливающие величину и знак электрического заряда частицы, называются потенциал определяющими ионами. Они образуют так называемый неподвижный слой ионов. Ионы противоположного знака (противоионы) частично адсорбируются на поверхности ядра частицы (т.е. входят в состав неподвижного слоя), а частично располагаются в жидкости вблизи гранулы (диффузный или подвижный слой ионов).

Совокупность гранулы с диффузным облаком противоионов называется мицеллой.

При написании формул мицелл необходимо учитывать, какие ионы присутствуют в растворе и какие из них могут адсорбироваться ядром частицы в соответствии с правилом Пескова-Фаянса.


Пример. Для получения золя хлорида серебра смешали 15 см3 0,025н KCl с 85см3 0,055н AgNO3. Написать формулу мицеллы полученного золя.

Решение. Определяем, какой из растворов взят в избытке:

число мг-экв KCl 15·0,025 = 0,375 мг-экв.

число мг-экв AgNO3 85·0,055 = 0,425 мг-экв.

В растворе имеется избыток AgNO3. Ядром коллоидных частиц золя AgCl будет адсорбироваться преимущественно ионы Ag+ и частично ионы NO3-. Формула мицеллы золя хлорида серебра будет:

{(mAgCl)nAg+(n-x)NO3-}x+xNO3-


Задачи

26. Золь йодида серебра получен при постепенном добавлении к 20см3 0,01н раствора KI 15см3 0,2% - ного раствора нитрата серебра. Написать формулу мицеллы образующегося золя и определить направление движения частиц его в электрическом поле. Плотность раствора нитрата серебра принять равной единице.

27. Какой объем 0,005н AgNO3 надо прибавить к 20см3 0,015н KI, чтобы получить положительный золь иодида серебра? Написать формулу мицеллы.

28. Золь гидроксида железа (III) получен при добавлении к 85см3 кипящей дистиллированной воды 15см3 2%-ного раствора хлорида железа (III). При этом соль частично подвергается гидролизу

FeCl3+3H2O↔Fe(OH)3+3HCl.

Написать возможные формулы мицелл золя Fe(OH)3 учитывая, что при образовании частиц гидроксида железа (III) в растворе присутствовали следующие ионы: Fe3+, FeO+; H+; Сl-.

29. Золь бромида серебра получен смешением 25см3 0,008н KBr и 18см3 0,0096н AgNO3. Определить знак заряда частиц и составить формулу мицелл золя.

30. Свежеосажденный осадок гидроксида алюминия обработали небольшим количеством соляной кислоты, недостаточным для полного растворения осадка. При этом образовался золь Al(OH)3. Написать формулу мицеллы золя гидроксида алюминия, учитывая, что в электрическом поле частицы золя перемещаются к катоду.

31. Какие объемы 0,029%-ного раствора NaCl и 0,001н AgNO3 надо смешать, чтобы получить незаряженные частицы золя AgCl. Плотность раствора NaCl принять равной единице.

32. Золь сульфата бария получен смешиванием равных объемов растворов нитрата бария и серной кислоты. Одинаковы ли были исходные концентрации электролитов, если в электрическом поле гранулы перемещались к аноду? Написать формулу мицеллы золя.

33. При длительном стоянии сероводородной воды в результате окисления H2S кислородом воздуха образуется сера в коллоидном состоянии. Написать формулу мицелл золя серы и определить знак заряда ее частиц. Каким методом получен золь?

34. При пропускании избытка сероводорода в подкисленный соляной кислотой раствор соли мышьяка. Написать формулы мицеллы золя и определить знак заряда его частиц.

35. Золь ферроцианата меди был получен при действии на соль меди (II) и избытком K4[Fe(CN)6]. Составить формулу мицеллы золя.

36. Золь диоксида олова образовался в результате действия небольшого количества соляной кислоты на станнат калия. Напишите формулу мицеллы золя.

37. Золь серы был получен добавлением 5см3 раствора серы в спирте к 10см3 дистиллированной воды. Каким методом получен золь? Чем объясняется, что в проходящем свете золь имеет красновато-оранжевый оттенок, а в отраженном – голубоватый?

38. Объясните, почему при взбалтывании бензола с водой наблюдается быстрое расслаивание жидкостей, а при взбалтывании этих же жидкостей в присутствии щелочного мыла (С17H35COONa) получается устойчивая эмульсия. Какую роль играют молекулы мыла. Каким методом получена эмульсия? Дайте схему капли эмульсии бензола в воде.

39. При пропускании избытка сероводорода через раствор хлорида мышьяка AsCl3 получили золь сульфида мышьяка. Напишите формулу мицеллы золя и определите знак его заряда.

40. При взаимодействии растворов K2SiO3 и HCl был получен золь кремниевой кислоты H2SiO3. Напишите формулу мицеллы золя и определите, какой из электролитов был в избытке, если противоионы в электрическом поле движутся к катоду.

41. Напишите формулу мицеллы гидрозоля алюминия, полученного при глубоком гидролизе сульфата алюминия.

42. Какой объем 0,008н AgNO3 необходимо прибавить 25см3 0,016н раствора KI, чтобы получить отрицательно заряженные частицы золя йодида серебра. Напишите формулу мицеллы.

43. Какой объем 0,0025н KI нужно прибавить к 30см3 0,002н AgNO3, чтобы частицы хлорида серебра в электрическом поле двигались к аноду. Напишите формулу мицеллы.

44. Какой объем 0,0025н KI необходимо прибавить к 35см3 0,003н раствора Pb(NO3)2, чтобы получить золь йодида свинца и при электрофорезе противоионны двигались бы к аноду. Напишите формулу мицеллы золя.

45. Золь гидроокиси железа получен при смешивании равных объемов 0,002HNaOH и 0,003н Fe2(SO4)3. Какой знак заряда имеют частицы золя. Составьте формулу мицеллы золя.

46. Определите объем 0,004н раствора хлорида бария который следует добавить к 25см3 0,006н Al2(SO4)3, чтобы получить заряженные частицы мицеллы золя BaSO4?

47. Какие объемы 0,025% раствора NaCl и 0,002н. AgNO3 нужно смешать, чтобы получить незаряженные частицы золя AgCl. Плотность раствора NaCl принять равной единице.

48. Золь бромида серебра получен смешением 30см3 0,008н KBr и 22см3 0,0096н AgNO3. Определите знак заряда частиц и напишите формулу мицеллы золя.


3. Коагуляция. Порог коагуляции.

Процесс укрупнения коллоидных частиц в результате их слипания, приводящий в конечном итоге к выпадению вещества в осадок или к образованию студней, называется коагуляцией. Коагуляцию можно вызвать повышением температуры, добавлением электролитов, прибавлением к золю другого золя с противоположным по знаку зарядом частиц (взаимная коагуляция). Для начала явной (т.е. различимой глазом) коагуляции необходимо прибавить к золю некоторое минимальное количество электролита С, называемое порогом коагуляции. Коагуляцию вызывают те из ионов прибавляемого электролита, заряд которых противоположен по знаку заряду коллоидных частиц. Величина обратная порогу коагуляции, называется коагулирующей способностью иона P

P = 1/C

Чем больше заряд коагулирующего иона, тем сильнее выражена его коагулирующая способность и тем меньше порог коагуляции (правило Шульце-Гарди).

Порог коагуляции у золей невелик и выражается в ммоль/л или мг-экв/л.

Пример 1. В три колбы налито по 100см3 золя Fe(OH)3. Чтобы вызвать явную коагуляцию золя, потребовалось добавить в первую колбу 10,5 см3/н KCl, во вторую – 62,5 см3 0,01н Na2SO4, в третью – 37,0 см3 0,001н Na3PO4. Вычислить порог коагуляции и определить знак заряда частиц золя.

Решение. Определяем, сколько мг-экв KCl содержится в 10,5 см3 1н KCl.

10,5*1=10,5 мг-экв KCl

Общий объем раствора (золь+раствор электролита)

100+10,5=110,5 см3.

Вычисляем порог коагуляции (мг-экв на 1л золя) для KCl

CKCl=(10,5/110,5)·1000=95мг-экв/л.

Аналогично рассчитываем пороги коагуляции для Na2SO4 и Na3PO4

62,5·0,01=0,625 мг-экв Na2SO4

CNa2SO4=(0,625/162,5)·1000=3,8 мг-экв/л.

37,0·0,001=0,037 мг-экв Na3PO4.

CNa3PO4=(0,037/137)·1000=0,27мг-экв/л.

Электролиты KCl, Na2SO4 и Na3PO4 содержат катионы одинакового заряда, а заряд их анионов различен. Чем заряд аниона больше, тем порог коагуляции становится меньше. Самый наименьший порог коагуляции, и следовательно, наивысшая коагулирующая способность у ионов PO3-4. На основании полученных данных можно сделать вывод, что частицы золя Fe(OH)3 заряжены положительно.

Порог коагуляции модно вычислять по формуле.

, где с – молярная концентрация эквивалента электролита, мг-экв/л. Vэл., V3 соответственно объем электролита и золя, л.

Задачи

49. Написать формулы мицелл золей: Al(OH)3 стабилизированного H2SiO3. Для какого из указанных золей лучшим коагулянтом является раствор FeCl3 или Na2SO4?

50. Написать формулы мицелл золей золота, стабилизированного KAuO2. У какого из электролитов: NaCl, BaCl2, FeCl3 – порог коагуляции будет иметь наименьшую величину?

51. Золь хлорида серебра получен смешением равных объемов 0,0095M KCl и 0,012н. AgNO3. Какой из электролитов: K3[Fe(CN)6], K4[Fe(CN)6] или MgSO4 будет обладать наименьшей коагулирующей способностью?

52. Пороги коагуляции электролитов (ммоль/л) для данного золя оказались равными:

CKNO3=50,0; CMgCl2=0,717; CAlCl3=0,093;

CKCl=51,0; CMgSO4=0,810; CAl(NO3)3=0,095.

Определить знак заряда частиц золя и коагулирующую способность каждого из электролитов.

53. Пороги коагуляции электролитов для золя AgI(ммоль/л)

CKCl=256,0; CBa(NO3)2=6,0; CAl(NO3)3=0,067;

CKNO3=260,0; CSr(NO3)2=7,0.

Определите знак заряда частиц золя и вычислите коагулирующую способность каждого из электролитов.

54. К 100см3 0,03% раствора хлорида натрия добавлено 250см3 0,001н раствора AgNO3. Для получения коагуляции к полученному золю хлорида серебра добавлены электролиты: KBr, Ba(NO3)2, K2CrO4, MgSO4, AlCl3. Какой из добавленных электролитов имеет наименьший порог коагуляции: наименьшую коагулирующую способность.

55. Золь йодида серебра получен смешением равных объемов растворов йодида калия и нитрата серебра. Пороги коагуляции C для различных электролитов и данного золя имеет следующие значения (ммоль/л):

CСа(NO3)2=315; CNaCl=300; CMgCl2=320;

CNa3PO4=0,6; CNa2SO4=20; CAlCl3=330.

У какого из электролитов: KI или AgNO3-концентрация больше? Дайте обоснованный ответ.

56. Для изучения явления коагуляции были взяты золь Fe(OH)3 и 0,01 н K2SO4. Раствор электролита разбавили водой в соответствии 1:1; 1:2; 1:4; 1:6; 1:7; 1:8; 1:15. В семь пробирок отмерили по 10см3 золя и добавили по 5см3 соответствующего разбавленного раствора K2SO4, взболтали, дали постоять. При этом наблюдали

Разбавление: 1:1 1:2 1:4 1:6 1:7 1:8 1:15

Коагуляция осадок осадок осадок осадок муть муть муть

Вычислить порог коагуляции для K2SO4 (г-экв/л).


57. Для положительного золя Al(OH)3 коагулирующими ионами являются анионы. Пороги коагуляции солей с однозарядными ионами близки между собой и составляют в среднем 10,69 ммоль/л. Соли с двухзарядными анионами имеют тоже близкие между собой пороги коагуляции 0,200 ммоль/л. Во сколько раз коагулирующая способность двухзарядных анионов больше однозарядных?

58. Коагуляция отрицательного золя трехсернистого мышьяка вызывается катионами. Пороги коагуляции для электролитов KNO3, MgCl2 и AlCl3 соответственно равны 50,0; 0,72; 0,63 ммоль/л. Как относятся между собой коагулирующие способности катионов разной валентности?

59. Золи каких веществ: гидроксида железа (III), кремневой кислоты, трехсернистого мышьяка, йодида серебра (отрицательный золь) следует смешать, чтобы произошла взаимная коагуляция.

60. Для очистки водопроводной воды от взвешенных частиц глины и песка добавляют небольшое количество сульфата алюминия. Почему в этом случае наблюдается более быстрое оседание частиц. Дайте обоснованный ответ.

61. К 5см3 золя Fe(OH)3 для начала явной коагуляции необходимо добавить один из следующих растворов: 4см3 3н KCl; 0.5см30,01н K2SO4; 3,9см3 0,0005н K4[Fe(CN)6]. Вычислить пороги коагуляции и определить, у какого из электролитов наибольшая коагулирующая способность?

62. В три колбы налито по 50см3 золя Fe(OH)3. Чтобы вызвать коагуляцию золя, потребовалось добавить в первую колбу 5,30см3 1н KCl, а другую – 31,5см3 0,01н Na2SO4, а третью – 18,7см3 0,001н Na3PO4. Найти пороги коагуляции электролитов и определить знак заряда золя.

63. Какое количество 0,01М K2Cr2O7см3 нужно добавить к 1л золя Al(OH)3, чтобы вызвать его коагуляцию? Порог коагуляции 0,63ммоль/л.

64. Золь гидроксида меди получен при смешивании 100см3 0,05н NaOH и 250 см3 0,001н Сu(NO3)2. Какой из прибавленных электролитов: KBr, Ba(NO3)2, K2CrO4, MgSO4, AlCl3 имеет наименьший порог коагуляции?

65. Для коагуляции 50см3 сульфида мышьяка можно добавить один из следующих растворов электролитов: 5см3 2н NaCl; 5см3 0,03н Na2SO4; 0,004л 0,0005н Na4[Fe(CN)6]. У какого из приведенных электролитов наименьший порог коагуляции.

66. Как изменится порог коагуляции электролита для золя бромида серебра, частицы которого заряжены положительно, если для коагуляции 100см3 золя вместо 0,0015л 0,1н K2SO4 взят раствор Fe(NO3)2?

67. В три колбы налито 100см3 золя гидроксида железа. Для вызова коагуляции потребовалось добавить в первую колбу 10см3 1н NH4Cl, во вторую – 63см3 0,01н Na2SO4, в третью – 37см3 0,001н Na3PO4. Вычислите порог коагуляции каждого электролита и определите знак заряда частицы золя.

68. Определите пороги коагуляции электролитов, если известно, что в трех колбах взято по 10см3 золя хлорида серебра. В первую колбу добавлено 2см3 1н NaNO3, во вторую – 12см3 0,01н. Ca(NO3)2, в третью 7см3 0,001н Al(NO3)3. Какой заряд несут частицы полученного золя?


4. Электрокинетические свойства коллоидных систем

Агрегативная устойчивость золей в большой степени определяется сольватацией ионов двойного электрического слоя. Рассмотрим в координационной системе часть мицеллы золя йодистого серебра, стабилизированного йодистым калием (рис.1).



На границе раздела двух фаз (ядра и дисперсионной среды) адсорбируются потенциалообразующие ионы (J-). Ионы K+ испытывают электростатическое протяжение со стороны заряженной твердой фазы, и вместе с тем – действие теплового движения, которое направлено к равномерному распределению ионов в растворе.

В результате взаимодействия этих сил создается диффузное распределение противоионов-концентрация ионов постепенно убывает по мере удаления от поверхности.

Потенциалообразующие ионы и часть противоионов, прочно связанная электростатическими силами с ядром, образуют адсорбционный слой (ДЕ), а свободные противоионы-диффузный слой. Адсорбционный и диффузный слои составляют двойной электрический слой (ВС).

Между твердой фазой и раствором возникает ионный скачок потенциала φ(АВ), который уменьшается по кривой (АС).

Если мицеллу поместить в электрическое поле, то ионы диффузного слоя начнут перемещаться к одному из электродов, а частица к другому. Мицелла как бы “Разрывается” по границе ДЕ, и между адсорбционным и диффузным слоями может быть обнаружен другой потенциал, составляющий часть полного скачка потенциала. Этот потенциал получил название электрокинетического или ξ(дзетта)-потенциала (ξ), а процесс переноса коллоидных частиц в электрическом поле-электрофореза.

При электрофоретических исследованиях используют уравнение, связывающее линейную скорость передвижения границы золь-боковая жидкость U (м/с) с величиной ξ-потенциала:

;

где ε – диэлектрическая проницаемость среды, ф/м;

ε0 – электрическая константа, 8·85·10-12 ф/м;

H – градиент внешнего поля, В/м;

η – вязкость среды, (H·c)/м2.

В определенных условиях наблюдается другое явление-электроосмос: в пористом теле, поры которого заполнены раствором электролита, на границе твердого тела и раствора создается двойной электрический слой.

Необходимыми условиями электроосмоса являются: заполнение пор проводящей жидкостью, диаметр пор и наличие ζ-потенциала на границе адсорбционного и диффузного слоев.

В этом случае под влиянием приложенной разности потенциалов наблюдается перемещение к электроду жидкости относительно твердой противоположно заряженной поверхности.

Для расчета электроосмотической скорости применяют

,

где: υ – объемная скорость, м3/с;

J – сила тока, А;

χ - удельная электропроводность, 1/(Ом·м).

Если под действием давления заставить проводящую жидкость двигаться через пористое тело, то возникает разность потенциалов, называемая потенциалом течения E.

;

где p – давление приводящее жидкость в движение, Н/м2;

χ – удельная электропроводность жидкости, заполняющей капилляры, Ом-1·м-1.

Легко показать, что электроосмом и потенциал течения зависят от одного и того же ζ-потенциала:

.

Величину ζ-потенциала можно считать характеристикой агрегативной устойчивости золя. Согласно теории сильных электролитов, радиус ионной атмосферы зависит от ионной силы раствора, которая определяется концентрацией ионов и их валентностью. При увеличении ионной чилы радиус ионной сферы уменьшается. Если эти представления отнести к мицелле гидрозоля, то увеличение концентрации электролита в золе вызовет сжатие диффузного слоя, в результате кривая падения полного потенциала пойдет круче, а величина ζ-потенциала уменьшится (рис.1).

Пример: Рассчитайте величину потенциала течения E, пользуясь экспериментальными данными методов электроосмоса и приложенного давления: υ=0,6·10-9 м3/с; J=3,6·10-4А; p=24·103Н/м2.

Решение: Для расчета величины Е используем уравнения:

и .

Подставляя значения υ и J, вычисляем:



Далее: E=2,4·103 Н/м2·1,63·10-7[м3/(с·А)].