Лабораторная работа №1. Получение и свойства дисперсных систем.

Цель работы: 1) получить различными методами дисперсные системы; 2) познакомиться с некоторыми свойствами дисперсных систем.

Задачи: 1) получить методом диспергирования микрогетерогенные системы: пену, эмульсию; 2) определить тип эмульсии: м/в или в/м; 3) определить кратность пены; 4) методом конденсации получить золь гидроксида железа, золь берлинской лазури; золь серы; золь канифоли; 5) убедиться в оптических свойствах дисперсных систем; 6) методом капилляризации определить заряд коллоидной частицы; 7) изучить коагуляцию коллоидных систем.

Все дисперсные системы могут быть получены двумя методами: методом диспергирования или методом конденсации. Метод диспергирования основан на дроблении или измельчении крупных частиц до агрегатов нужного размера. Метод конденсации основан на укрупнении (объединении) молекул и ионов до частиц более крупного размера.

Пены (г/ж) – это грубодисперсные высококонцентрированные системы, в которых дисперсной фазой являются пузырьки газа, а дисперсионной средой – жидкость в виде тонких пленок. Пены имеют сотообразную структуру: пузырьки газа полиэдрической формы отделены друг от друга тонкими прослойками жидкости. Классификация пен основывается на такой важной характеристике, как кратность пены , которая показывает, сколько объемов пены можно получить из одного объема жидкости:

,

где V_п – объем пены;

V_ж – объем жидкости, которая использована для образования пены.

Если  10, то пены называют жидкими, их используют в строительстве.

Если 10   20, то такие пены используют в прачечных.

Пены с кратностью 70   90 используют в пожаротушении.

Если  10, то пены относятся к сухим.

Установлено, что образование сколько – нибудь устойчивой пены в чистой жидкости невозможно. Пену можно получить только в присутствии специального вещества - пенообразователя.

Эмульсии (ж/ж) – это дисперсные системы, состоящие из двух несмешивающихся жидкостей, одна из которых (дисперсная фаза) распространена в другой (дисперсионной среде) в виде мельчайших капелек.

Различают эмульсии первого рода или прямые (М/В – масло в воде) – неполярные жидкости распределены в полярной жидкости. Эмульсии второго рода или обратные (В/М – вода в масле) – полярные жидкости распределены в неполярной жидкости. Тип эмульсии можно легко определить методом смешивания и методом окрашивания непрерывной среды. Для стабилизации эмульсий используют эмульгаторы. Разбавленные эмульсии по своим свойствам близки к лиофобным золям (тв/ж).

Частицы лиофобных золей имеют мицеллярное строение.

Мицелла в целом электронейтральная частица и состоит из:

а) электронейтрального ядра, представляющего собой микрокристалл или агрегат молекул низкомолекулярных соединений (например, mFe(OH)₃, где т = 20…500);

б) адсорбционного слоя, в который входят с большим суммарным количеством зарядов потенциалопределяющие ионы и с меньшим суммарным количеством зарядов – противоионы (например, пFeO⁺(n – x)Cl^-, где nFeO⁺ – потенциалопределяющие ионы, (n – x)Cl^- -противоионы);

Потенциалопределяющие ионы определяются правилом Панета – Фаянса: на поверхности твердой частицы избирательно адсорбируются (концентрируются) только те ионы, которые способны достроить ее кристаллическую решетку.

в) диффузного слоя, включающего в себя такое дополнительное количество противоионов, которое необходимо для полной нейтрализации зарядов, имеющихся в мицелле, потенциалопределяющих ионов (например, xCl^-).

Рисунок 1 Схема строения мицеллы гидрозоля Fe(OH)₃

Таким образом, вокруг ядра находится двойной электрический слой, один слой которого образован потенциалопределяющими ионами FeO⁺, а другой – противоионами Cl^¯. Одна часть противоионов Cl^¯находится в адсорбционном слое, а другая часть – в диффузном слое (рисунок 1).

Формула мицеллы золя гидроксида железа:

{(mFe(OH)₃)nFeO⁺(n – x)Cl^-)}^x+xCl^-

Та часть мицеллы, которая находится внутри фигурных скобок, называется гранулой. Гранула представляет собой компактную частицу, состоящую из ядра и ионов адсорбционного слоя.

Знак заряда частицы можно определить методом капилляризации.

Для коллоидных систем различают 2 вида устойчивости:

а) агрегативная устойчивость – способность частиц коллоидной системы оказывать сопротивление их слипанию и тем самым удерживать определенную степень дисперсности дисперсной фазы;

б) кинетическая устойчивость – способность частиц дисперсной фазы удерживаться во взвешенном состоянии под действием броуновского движения.

Агрегативная устойчивость обусловлена:

– наличием у гранул одноименных зарядов;

– наличием диффузного слоя вокруг гранул, который не позволяет им объединится при их сближении.

При изменении условий коллоидная система сначала теряет агрегативную устойчивость – происходит укрупнение частиц дисперсной фазы, затем – кинетическую устойчивость (частицы выпадают в осадок или всплывают на поверхность). Подобное изменение состояния коллоидной системы, приводящее к укрупнению частиц дисперсной фазы, называется коагуляцией.

Коагуляцию можно вызвать путем добавления электролитов в коллоидную систему.

Влияние знака и величины заряда коагулирующего иона определяется правилом Шульце-Гарди: коагулирующим действием обладает лишь тот ион, который имеет заряд, противоположный заряду гранулы, причем его коагулирующая способность выражается тем сильнее, чем выше заряд иона. Порог коагуляции – это минимальное количество электролита (ммоль-экв), которое вызывает явную коагуляцию 1 л золя.