Тема 8. Коллоидные системы

Основные вопросы по теме

1. Поверхностные явления.

2. Поверхностное натяжение.

3. Зависимость от концентрации.

4. Изотерма абсорбции Гиббса.

5. Поверхностно-активные вещества.

6. Абсорбция.

7. Теория Лангмюра.

8. Уравнения Лангмюра и Фрейндлиха.

9. Коллоидные системы; получение.

10. Оптические свойства коллоидов.

11. Мицелла золя; строение.

12. Электрокинетические свойства коллоидов.

13. Коагуляция; порог коагуляции.

14. Защитное число.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое «поверхностное натяжение» и от чего оно зависит?

2. Что такое «поверхностно-активное вещество»?

3. Что такое «адсорбция» и от чего она зависит?

4. Чем отличается адсорбция на границе газ – раствор от адсорбции на границе газ – твердое тело?

5. Как получают коллоидные системы?

6. В чем причина особенностей коллоидов?

7. Как устроены мицеллы золей?

8. Сформулируйте правило Пескова – Фаянса.

9. Что такое «коагуляция»?

10. Что такое «защитное число»?

Ионная адсорбция

Ионная адсорбция – адсорбция из растворов сильных электролитов. В этом случае растворенное вещество адсорбируется в виде ионов.

60

Особенности ионной адсорбции

1. Адсорбируются заряженные частицы (ионы), а не молекулы.

2. Адсорбция происходит только на полярных адсорбентах.

3. Адсорбция сопровождается образованием двойного электрическо-

го слоя.

4. Адсорбция является избирательной, т.е. на каждом данном адсор-бенте катионы и анионы адсорбируются неодинаково.

Влияние химической природы ионов

1. Особый интерес для коллоидной химии представляет адсорбция ионов поверхностью кристалла, в состав которого входят такие же или родственные ионы. В этом случае адсорбцию можно рассматривать как до-стройку кристаллической решетки способными адсорбироваться на ней ионами. Это позволило Пескову и Фаянсу сформулировать правило: на твердой поверхности преимущественно адсорбируются ионы, входящие в состав поверхности или имеющие родственную группировку (или изо-морфные) ионам, входящим в состав поверхности.

2. Чем больше заряд иона, тем сильнее ион притягивается противо-положно заряженной поверхностью твердого тела, тем сильнее адсорбция:

K⁺ << Ca²⁺ << Al³⁺ << Th⁴⁺

Усиление адсорбции 3. Чем больше кристаллический радиус иона при одинаковом заря-

де, тем лучше он адсорбируется. В соответствии с этим ионы можно рас-положить в ряды по возрастающей способности к адсорбции:

Li⁺ < Na⁺ < K⁺ < Rb⁺ < Cs⁺

Mg²⁺ < Ca²⁺ < Sr²⁺ < Ba²⁺

Cl^- < Br ^- < NO ₃⁻ < J^-

Адсорбционная способность возрастает

Пример

Коллоидный раствор получен в результате реакции обмена при сме-шении равных объемов растворов:

а) 0,001Н Pb(NO₃)₂ и 0,0005H HJ;

б) 0,01H Pb(NO₃)₂ и 0,02H HJ.

61

Определить, какой из двух электролитов (K₂SO₄ или CaCl₂) будет иметь меньший порог коагуляции.

Решение:

1. Пишем уравнение реакции:

Pb(NO₃)₂ +2HJ = PbJ₂↓+2HNO₃ .

При заданных концентрациях будет избыток Pb(NO₃)₂. В результа-те реакции в растворе останутся следующие ионы: Pb²⁺, H⁺, NO^-₃.

Твердые частицы PbJ₂ будут составлять ядро мицеллы золя. По-скольку неизвестно, сколько молекул PbJ₂ составят ядро, то ставят коэф-фициент m.

Таким образом, ядро – mPbJ₂.

В соответствии с правилом избирательной адсорбции ионов Песко-ва-Фаянса на поверхности ядра будут адсорбироваться ионы Pb²⁺. Сколько

– неизвестно, поэтому ставят коэффициент n.

Поэтому адсорбционный слой состоит из nPb²⁺. В результате ад-сорбции ядро приобретает положительный заряд (равный +2n). За счет электрического взаимодействия к положительно заряженному ядру будут притягиваться отрицательно заряженные ионы, т.е. NO ₃⁻ ; образуется слой противоионов. Известно (см. учебник), что полной компенсации заряда яд-ра в слое противоионов не происходит. Поэтому ставят коэффициент 2(n-x). Впереди коэффициент 2, так как для нейтрализации одного иона Pb²⁺ необ-ходимо два иона NO ₃⁻ .

Слой противоионов 2 (n-x) NO ₃⁻ .

Сумма зарядов адсорбционного слоя и слоя противоионов будет со-

ставлять заряд гранулы:

(+2)· n + (-1) · (2) · (n - x) = +2n - 2n + 2x = +2x.

Окончательная нейтрализация заряда адсорбционного слоя ионов происходит в диффузионном слое ионов. Поскольку заряд гранулы +2х, то для нейтрализации понадобится 2·х отрицательно заряженных ионов NO ₃⁻ . В итоге диффузионный слой 2x NO ₃⁻ . Составляем формулу мицеллы золя:

						+2 х
							⋅	2xNO−
mPbJ2 ⋅				nPb2+ ⋅ 2(n − x)NO−
	123		адсорбц123.слой		14243			123
		ядро				слой противоионов		диффузионный слой
							+2 х
			2	⋅ nPb2+		⋅ 2(n − x)NO−		- гранула.
	mPbJ
		123		адсорб123.слой		14243
		ядро				слой противоионов

62

• соответствии с правилом Шульце-Гарди:

1. коагулирующий ион должен иметь заряд, противоположный за-ряду гранулы;

2) чем выше заряд иона, тем выше его коагулирующая способность. Коагулировать этот золь будут отрицательно заряженные ионы. Выше заряд у ионов SO ²₄⁻ . Поэтому меньший порог коагуляции бу-

дет иметь K₂SO₄.

2. В результате реакции при заданных концентрациях, в растворе останутся ионы: H⁺, J^-, NO ₃⁻ .

Ядро – mPbJ₂.

В соответствии с правилом Пескова-Фаянса будут адсорбироваться ионы J^-. Адсорбционный слой n J^-.

Слой противоионов (n - x)H⁺.

Заряд гранулы (-1) · n + (+1)(n - x) = -x.

Диффузионный слой х · Н⁺.

Составим схему строения мицеллы золя:

{mPbJ₂nJ⁻ (n − x)H⁺ }^{− x} xH⁺ .

В соответствии с правилом Шульце-Гарди этот золь будут коагули-ровать положительно заряженные ионы. Выше заряд у иона Са²⁺. Поэтому меньше порог коагуляции будет иметь СаСl₂.

Задание 8

Коллоидный раствор получен в результате реакции обмена при смешении равных объемов растворов А и В разных концентраций. Напи-шите и объясните формулу мицеллы золя и схему ее строения. Определите, какой из двух электролитов будет иметь меньший порог коагуляции.

Расчетные данные

№	Раствор А	Раствор В	Электролиты
п/п
8.1	0,005Н AgNO3	0,001H KJ	Ba(NO3)2, K2SO4
8.2	0,002H H2S	0,0001H Bi(OH)3	Ba(NO3)2, K2SO4
8.3	0,001H H3PO4	0,002H Bi(OH)3	K2SO4, BaCl2
8.4	0,09H Ba(OH)2	0,05H H2SO4	K2SO4, BaCl2
8.5	0,005H H2SO4	0,003H Ba(OH)2	AlCl3, KCl
8.6	0,008H AgNO3	0,004H HBr	Na2SO4, AlCl3
8.7	0,004H AgNO3	0,008H HBr	Ba(NO3)2, K2SO4

63

			Продолжение
8.8	0,001H AuOH	0,003H HBr	MgCl2, K2SO4
8.9	0,005H H3AsO3	0,003H H2S	BaCl2, K2SO4
8.10	0,003H H3AsO3	0,005H H2S	BaCl2, K2SO4
8.11	0,005H Mg(OH)2	0,01H H3PO4	Na2SO4, AlCl3
8.12	0,01H Mg(OH)2	0,005H H3PO4	Na2SO4, AlCl3
8.13	0,0007H AgNO3	0,0001H KBr	Ca(NO2)3, K2SO4
8.14	0,0001H AgNO3	0,0008H KJ	AlCl3, K2SO4
8.15	0,003H FeCl3	0,001H NaOH	Al(NO3)3, NiSO4
8.16	0,005H Fe(NO3)2	0,008H KOH	K2SO4, MgCl2
8.17	0,002H Pb(NO3)2	0,001H H2S	MgCl2, CaCl2
8.18	0,001H Pb(NO3)2	0,0005H H2S	Ca(NO3)2, Na2SO4
8.19	0,002H Pb(NO3)2	0,001H KJ	Na2SO4, MgCl2
8.20	0,001H Pb(NO3)2	0,003H KJ	BaCl2, Na2SO4
8.21	0,005H CdCl2	0,001H H2S	AlCl3, K3PO4
8.22	0,01H Cd(NO3)2	0,03H H2S	Al(NO3)3, Na2SO4
8.23	0,003H AgNO3	0,002H HJ	AlCl3, K3PO4
8.24	0,01H AgNO3	0,002H HJ	MgCl2, K2SO4
8.25	0,003H AgNO3	0,01H H2S	Ca(NO3)2, Na2SO4