Пример 2. Строение коллоидной частицы. Определение заряда её поверхности

1. Золь фторида кальция получен смешиванием 32 мл раствора фторида натрия с молярной концентрацией NaF, равной 8,0·10^-3 моль/л и 25 мл раствора хлорида кальция с молярной концентрацией CaCl₂, равной 9,6·10^-3 моль/л. Напишите формулу мицеллы полученного золя, укажите все её составные части. Определите тип коллоида, знак заряда гранулы коллоидной частицы золя и направление её движения в электрическом поле.

Решение. Зная молярные концентрации растворов NaF и CaCl₂, определяем количество вещества фторида натрия ν(NaF) и хлорида кальция ν(СаСl₂), вступивших в реакцию обмена по уравнению

2NaF + CaCl₂ = ↓CaF₂ + 2NaCl:

ν(NaF) = Cμ(NaF)·V(NaF) = (8,0·10^-3 моль/л)·(32·10^-3 л) = 2,56·10^-4 моль,

ν(CaCl₂) = Cμ(CaCl₂)·V(CaCl₂) = (9,6·10^-3 моль/л)·(25·10^-3 л) = 2,4·10^-4 моль.

Cогласно уравнению реакции, вещества взаимодействуют между собой в соотношении ν(NaF):ν(CaCl₂) = 2:1, а из приведенных расчетов видно, что ν(NaF):ν(CaCl₂) =(2,56·10^-4)/(2,4·10^-4) = 1,07:1, т.е. в растворе имеется избыток хлорида кальция, который и служит в данном случае стабилизатором коллоидной мицеллы. Поскольку по условию задачи речь идет о водных растворах взаимодействующих солей, то ионы стабилизатора (Са⁺ и Cl^-) будут гидратированными, т.е. окруженными молекулами растворителя Н₂О. Вместе с тем, зародыш коллоидной частицы, формирующийся из нерастворимых молекул фторида кальция СаF₂, будучи веществом кристаллическим, воду не поглощает. Отсюда первый вывод – коллоридная частица является гидрофобной.

Из ионов стабилизатора генетически близким к составу зародыша (согласно правилу Пескова-Фаянса) является ион кальция Са²⁺. Отсюда мы делаем второй вывод – потенциалопределяющими ионами будут ионы Са²⁺·ρН₂О, и, следовательно, гранула коллоидной мицеллы будет положительно заряженной, т.е. в электрическом поле будет перемещаться к катоду.

Противоионами в этом растворе служат гидратированные хлорид-ионы стабилизатора 2Cl^-·(q+ℓ)H₂O, которые располагаются вокруг ядра двумя слоями: первый – адсорбционный, состоящий из 2Cl^-·qH₂O, второй – диффузный, его строение 2Cl^-·ℓH₂O.

Теперь можно записать мицеллярную формулу частицы золя фторида кальция:

{[(m(CaF₂)·nCa²⁺·ρН₂О)²ⁿ⁺·2(n-x)Cl^-·qH₂O]^2x+ + 2xCl^-·ℓH₂O}⁰.

потенциал- | зародыш _| адсорбц. слой диффузн. слой

определяющий | ядро | противоионов

ион | гранула |

| мицелла |

Как видим, гранула золя CaF₂ в данном случае заряжена положительно и при наложении электрического поля гранула будет двигаться к отрицательно заряженному электроду (катоду), а противоионы диффузного слоя (2хCl^-·ℓH₂O) – к положительно заряженному электроду (аноду).

Ответ: образуется гидрофобный золь, гранула заряжена положительно, перемещается под дейситвием электрического поля к катоду.

2. Золь сульфата бария получен смешением равных объемов растворов нитрата бария и серной кислоты. Напишите формулу мицеллы золя, гранула которой в электрическом поле перемещается к аноду. Ответьте на вопрос, будут ли одинаковыми исходные молярные концентрации электролитов. Укажите природу и строение мицеллы золя.

Решение. Нерастворимой дисперсной фазой в коллоидном растворе, образующемся при смешивании растворов Ba(NO₃)₂ и H₂SO₄, будет кристаллический сульфат бария, согласно реакции обмена

Ba(NO₃)₂ + H₂SO₄ = ↓BaSO₄ + 2HNO₃.

Поскольку дисперсная фаза имеет кристаллическую структуру, то образующаяся на её основе мицелла является гидрофобной. Если гранула перемещается к аноду, значит, она имеет отрицательный заряд и, следовательно, потенциалопределяющими ионами могут быть только гидратированные анионы SO₄^2-·рН₂О (правило Пескова-Фаянса). Ясно, что противоионами выступают гидратированные протоны 2Н⁺·(q+ℓ)H₂O, т.е. электролитом-стабилизатором является серная кислота, а значит, её концентрация в этой системе должна быть больше в сравнении с концентрацией раствора нитрата бария:С_μ(H₂SO₄) > С_μ(Ba(NO₃)₂.

С учетом проведенного анализа, построим формулу мицеллы гидрофобного золя сульфата бария:

{[(m(BaSO₄)· nSO₄^2-·рН₂О)^2n-·2(n-x)H⁺·qH₂O]^2x- + 2xH⁺·ℓH₂O}⁰.

Потенциал- | зародыш | адсорбц. слой диффузн. слой

определяющий | ядро | противоионов

ион | гранула |

| мицелла |

Ответ: золь сульфата бария гидрофобный, гранула заряжена отрицательно, в раствореС_μ(H₂SO₄) > С_μ(Ba(NO₃)₂.

3. Золь гидроксида железа (3), полученный при добавлении к 85 мл кипящей дистиллированной воды 15 мл раствора хлорида железа (3) с массовой долей FeCl₃, равной 2%, образуется в результате частичного гидролиза соли по уравнению:

FeCl₃ + 3H₂O = ↓Fe(OH)₃ + 3HCl.

Напишите возможные формулы мицелл золя Fe(OH)₃, учитывая, что при образовании частиц гидроксида железа (3) в растворе присутствовали следующие ионы: Fe³⁺, FeO⁺, H⁺, Cl^-, ОН^-. При этом все ионы гидратированы молекулами растворителя.

Решение. Как показывает уравнение гидролиза, приведенное в условии задачи, образованию нерастворимого гидроксида железа (3) соответствует соотношение Сμ(Fe³⁺):Сμ(ОН^-) = ν(Fe³⁺):ν(ОН^-) = 1:3.

Определим количество вещества каждого из участников процесса гидролиза. Согласно данным таблицы №3 приложения № 10, плотность 2% раствора хлорида железа (3) при нормальных условиях равна 1,015 г/см³. Зависимость массы FeCl₃ и массовой доли ω(FeCl₃) определяется из соотношения m(FeCl₃) = ω(FeCl₃)·V_р-ра(FeCl₃)·ρ_р-ра(FeCl₃). С другой стороны, количество вещества соли ν(FeCl₃) = m(FeCl₃)/M(FeCl₃), где M(FeCl₃) – молярная масса хлорида железа, она равна M(FeCl₃) = 56 + 3·35,5 = 162,5 г/моль. Отсюда получаем расчетную формулу для определения количества вещества соли, а значит, и количества вещества ионов Fe³⁺, вступивших в реакцию гидролиза:

ν(Fe³⁺) = ν(FeCl₃) = [ω(FeCl₃)·V_р-ра(FeCl₃)·ρ_р-ра(FeCl₃)]/M(FeCl₃).

Произведем соответствующие расчеты и получим:

ν(Fe³⁺) = ν(FeCl₃) = (0,02·15·1,015)/162,5 = 1,85·10^-3 моль.

Для определения концентрации Сμ и количества вещества ν гидроксид-ионов ОН^– вспомним правило ионного произведения воды. Оно гласит, что в нейтральном растворе молярные концентрации ионов Н⁺ и ОН^– равны и не превышают 1·10^-7 моль/л. При гидролизе, как показывает уравнение в условии задачи, концентрация ОН^– будет и того меньше (гидролиз приводит к подкислению раствора). Даже если мы допустим, что в нашей системе присутствует 100 мл чистой воды, то в них будет содержаться не более 1·10^-7 моль ионов ОН^–.

Следовательно, электролитом-стабилизатором при образовании мицелл гидроксида железа (3) ни при каких условиях не может выступать вода (как источник ионов ОН^– и Н⁺). Зато другие ионы - Fe³⁺, FeO⁺, Cl^– могут участвовать в стабилизации коллоидных частиц. Исходя из этих рассуждений, построим две возможные формулы мицелл золя, не забывая при этом, что гидроксид железа является веществом аморфным, а потому активно адсорбирующим молекулы растворителя. Это означает, что обе возможные мицеллы будут иметь гидрофильную природу.

Случай 1): потенциалопределяющие ионы – Fe³⁺·pH₂O; противоионы - 3Сl^-·(q+ℓ)H₂O. При этих условиях формула гидрофильной мицеллы золя Fe(OH)₃ будет иметь вид: {[(m(Fe(OH)₃·rH₂O·nFe³⁺·pH₂O)³ⁿ⁺·3(n-x)Cl^–·qH₂O]^3x+ + 3xCl^–·ℓH₂O}⁰.

Случай 2): потенциалопределяющие ионы – FeO⁺·pH₂O; противоионы - Сl^-·(q+ℓ)H₂O. Мицелла гидрофильная, её формула

{[(m(Fe(OH)₃·rH₂O·nFeО⁺·pH₂O)ⁿ⁺·(n-x)Cl^–·qH₂O]^x+ + xCl^–·ℓH₂O}⁰.

В обоих случаях гранулы имеют положительный заряд и в электрическом поле перемещаются к катоду.

Ответ: возможно образование двух гидрофильных мицелл с гранулами положительного заряда

{[(m(Fe(OH)₃·rH₂O·nFeО⁺·pH₂O)ⁿ⁺·(n-x)Cl^–·qH₂O]^x+ + xCl^–·ℓH₂O}⁰

и {[(m(Fe(OH)₃·rH₂O·nFe³⁺·pH₂O)³ⁿ⁺·3(n-x)Cl^–·qH₂O]^3x+ + 3xCl^–·ℓH₂O}⁰.

4. Золь берлинской лазури можно получить при взаимодействии неэквивалентных количеств разбавленных растворов железа (3) хлорида и калия феррицианата K₄[Fe(CN)₆]. Напишите формулы мицелл гидрофобных золей, имея в виду, что комплексные ионы подвергаются гидратации с такой же силой, как и простые.

Решение. В основе образования коллоидных растворов лежит реакция обмена, приводящая к формированию нерастворимой фазы:

4FeCl₃ + 3K₄[Fe(CN)₆] = ↓Fe₄[Fe(CN)₆]₃ + 12KCl.

Нерастворимые частицы гексацианоферрата (2) железа (3) образуют зародыш коллоида, причем гидрофобный, т.к. вещество имеет кристаллическое строение. В зависимости от того, какая из солей взята в избытке, потенциалопределяющими ионами могут выступить либо гидратированные анионы [Fe(CN)₆]^4-·рН₂О, либо гидратированные катионы Fe³⁺·pH₂O. Соответственно, противоионами будут в разных случаях либо 4К⁺·(q+ℓ)H₂O, либо 4Cl^-·(q+ℓ)H₂O.

На основании проведенного анализа составим формулы возможных мицелл:

а) С_N K₄[Fe(CN)₆] > С_NFeCl₃, тогда

{[ (m(Fe₄[Fe(CN)₆]₃·n[Fe(CN)₆]^4-·рН₂О)^4n-·4(n-x)K⁺·q(H₂O)]^4x- + 4xK⁺·ℓH₂O}⁰;

б) С_N K₄[Fe(CN)₆] < С_NFeCl₃, тогда

{[(m(Fe₄[Fe(CN)₆]₃·nFe³⁺·pH₂O)^3n+·3(n-x)Cl^-·qH₂O]^3x+ + 3xCl^-·ℓH₂O}⁰.

Хотя обе мицеллы являются гидрофобными, но заряды их гранул противоположны по знаку. Если смешать растворы в эквивалентных количествах, произойдет компенсация зарядов на этапе формирования гранул и мицеллы скоагулируют (произойдет их разрушение).

Ответ: формулы образующихся в двух различных случаях мицелл имеют вид:

а) {[(m(Fe₄[Fe(CN)₆]₃·n[Fe(CN)₆]^4-·рН₂О)^4n-·4(n-x)K⁺·q(H₂O)]^4x- + 4xK⁺·ℓH₂O}⁰;

б) {[(m(Fe₄[Fe(CN)₆]₃·nFe³⁺·pH₂O)^3n+·3(n-x)Cl^-·qH₂O]^3x+ + 3xCl^-·ℓH₂O}⁰.

5. Рассчитайте объем 0,0025 М. раствора KI, который необходимо добавить к 0,035 л 0,003 н. раствора Pb(NO₃)₂, чтобы получить гидрофобный золь иодида свинца и при электрофорезе его противоионы двигались к аноду. Постройте формулу мицеллы золя.

Решение. Как уже подчеркивалось не раз, в основе образования коллоидного раствора лежит реакция обмена, приводящая к формированию нерастворимой дисперсной фазы: 2KI + Pb(NO₃)₂ = ↓PbI₂ + 2 KNO₃.

Если противоионы мицеллы при электрофорезе перемещаются к аноду, следовательно, они заряжены отрицательно, а потенциалопределяющими ионами являются положительные ионы. Согласно правилу Пескова-Фаянса, для дисперсной фазы PbI₂ таковыми могут быть только катионы свинца Pb²⁺. Отсюда ясно, что электролитом-стабилизатором выступает раствор нитрата свинца Pb(NO₃)₂ и противоионами становятся анионы NO₃^-.

При таких условиях электролит-стабилизатор должен быть в избытке, следовательно,

С_N(Pb(NO₃)₂·V(Pb(NO₃)₂ > C_N(KI)·V(KI).

Решим полученное неравенство относительно объема раствора иодида калия, помня, что С_N(KI) = C_μ(KI) = 0,0025 моль/л.

V(KI) < [С_N(Pb(NO₃)₂·V(Pb(NO₃)₂]/C_N(KI);

V(KI) < (0,003·0,035)/0,0025 < 0,042 (л).

Это означает, что для получения золя иодида свинца необходимо использовать меньше 42 мл раствора иодида калия с концентрацией 0,0025 моль/л.

Формула гидрофобной мицеллы золя иодида свинца имеет вид:

{[(m(PbI₂)·nPb²⁺·pH₂O)²ⁿ⁺·2(n-x)NO₃^-·qH₂O]^2x+ + 2xNO₃^-·ℓH₂O}⁰.

Ответ: для получения золя иодида свинца с положительной гранулой и отрицательными противоионами нужно использовать менее 42 мл раствора KI;

мицелла золя имеет гидрофобную природу, её формула

{[(m(PbI₂)·nPb²⁺·pH₂O)²ⁿ⁺·2(n-x)NO₃^-·qH₂O]^2x+ + 2xNO₃^-·ℓH₂O}⁰.

Дата добавления: 2015-07-13