Пример 3. Коагуляция коллоидных растворов. Порог коагуляции

1. В каждую из трёх колб налили по 100 мл золя гидроксида железа (2). Для того чтобы вызвать коагуляцию золя, в первую колбу добавили 10 мл 1 н. раствора хлорида аммония, во вторую – 63 мл 0,01 н. раствора сульфата натрия, в третью – 37 мл 0,001 н. раствора ортофосфата натрия. Вычислите порог коагуляции каждого электролита-коагулянта и определите знак заряда частиц золя гидроксида железа.

Решение. Согласно правилу Шульце-Гарди коагулирующим действием обладает лишь тот ион электролита, заряд которого противоположен заряду потенциалопределяющих ионов мицеллы, причем, его коагулирующая способность выражается тем сильнее, чем выше заряд.

В нашем случае электролитами-коагулянтами являются растворы NH₄Cl, Na₂SO₄ и Na₃PO₄. Поскольку в этих электролитах заряд катиона одинаков по величине и не может повлиять на порог коагуляции, то вполне очевидным будет предположить, что ионами-коагулянтами выступают анионы Cl^-, SO₄^2- и PO₄^3-.

Рассчитаем их пороги коагуляции, используя уравнение (8) теоретической части данного раздела V_эл.С_N ν_э С_N(крит) = ———— = ————,

V + V_эл V + V_эл

где: V – объем коллоидного раствора; V_эл – объем электролита-коагулятора; ν_э – количество вещества эквивалента электролита-коагулятора; С_N – молярная концентрация эквивалента электролита-коагулятора; С_N(крит) – наименьшая концентрация электролита-коагулятора, при которой разрушается коллоидный раствор:

а) С_N(крит)NH₄Cl = (10мл·1моль/л)/(100мл + 10мл) = 0,09091 моль/л = 90,91 ммоль/л;

б) С_N(крит)Na₂SO₄ = (63мл·0,01моль/л)/(100мл + 63мл) = 0,00386 моль/л = 3,86 ммоль/л;

в) C_N(крит)Na₃PO₄ = (37мл·0,001моль/л)/(100мл + 37мл) = 0,00027 моль/л = 0,27 ммоль/л.

Наименьший порог коагуляции (или наибольшая коагулирующая способность) у трехзарядного фосфат-иона РО₄^3-, следовательно, гранулы золя гидроксида железа (2) заряжены положительно, т.е. потенциалопределяющими ионами в коллоидной мицелле являются гидратированные катионы железа Fe²⁺·pH₂O.

Ответ: С_N(крит)NH₄Cl = 90,91 ммоль/л; С_N(крит)Na₂SO₄ = 3,86 ммоль/л; C_N(крит)Na₃PO₄ = 0,27 ммоль/л. Гранулы золя гидроксида железа (2) заряжены положительно, потенциалопределяющие ионы - Fe²⁺·pH₂O.

2. Рассчитайте объем электролита-коагулянта с концентрацией 0,0002 М. нитрата железа (3), необходимый для коагуляции 25 мл золя сульфида мышьяка (3), если порог коагуляции раствора нитрата железа равен 0,007 ммоль/л.

Решение. Используя уравнение (8), преобразуем его относительно объема электролита-коагулянта V_эл и решим, подставив данные из условия задачи:

V_эл·C_N = C_N(крит)·V + C_N(крит)·V_эл; V_эл(C_N - C_N(крит)) = C_N(крит)·V и окончательно

V_эл = [C_N(крит)·V]/[C_N - C_N(крит)].

При расчете вспомним, что переход от молярной концентрации к нормальной осуществляется по уравнению C_N = Cμ/n·B где n – число катионов Fe³⁺ в формуле вещества Fe(NO₃)₃, B – заряд катиона, тогда

V_эл = [0,007 ммоль/л·25мл]/[(0,0002 моль/л·1000)/(1·3) – 0,007 ммоль,л] = 0,175/0,0597 = 3 мл..

Ответ: для коагуляции золя сульфида мышьяка необходимо 3 мл электролита-коагулянта Fe(NO₃)₃.

3. Гидрофильный золь гидроксида меди (2) получен при сливании 100 мл 0,05 н. раствора гидроксида натрия и 250 мл 0,001 н. раствора нитрата меди (2). Определите, какой из перечисленных электролитов коагулянтов – КBr, Ba(NO₃)₂, K₂CrO₄, MgSO₄, AlCl₃ – обладает наибольшей коагулирующей способностью.

Решение. Дисперсная фаза золя гидроксида меди образуется по реакции обмена

Cu(NO₃)₂ + 2NaOH = ↓Cu(OH)₂ + 2NaNO₃.

Для выявления потенциалопределяющих ионов рассчитаем количество вещества эквивалентов реагентов:

ν_эNaOH = V_NaOH·C_NNaOH = 0,1л·0,05моль/л = 0,005 моль;

ν_эCu(NO₃)₂ = V_Cu(NO3)2·C_NCu(NO₃)₂ = 0,25л·0,001моль/л = 0,00025 моль.

Поскольку гидроксид натрия присутствует в смеси в подавляющем количестве по сравнению с нитратом меди (20÷1), то потенциалопределяющими ионами в коллоидной мицелле будут гидроксид-ионы ОН^-·рН₂О. Мицелла является гидрофильной. Её строение:

{[(m(Cu(OH)₂·rH₂O·nOH^-·pH₂O)^n-·(n-x)Na⁺·qH₂O]^x- + xNa⁺·ℓH₂O}⁰.

Для такой мицеллы ионами-коагулянтами, согласно правилу Шульце-Гарди, могут быть только катионы, причем, чем выше заряд катиона, тем его коагулирующая активность больше. В представленном ряду электролитов наибольшей коагулирующей активностью будет обладать раствор хлорида алюминия, содержащий катионы алюминия Al³⁺.

Ответ: гранула мицеллы гидроксида меди заряжена отрицательно, поэтому наибольшей коагулирующей способностью обладает раствор AlCl₃, содержащий катионы - коагулянты Al^3+.

Раздел 3. Приобретение компетенций и закрепление навыков

Домашние задания А) и Б) выполняются в обязательном порядке не позднее, чем до начала Модуля № 2 в письменном виде на отдельном бумажном носителе.

А. Домашнее задание №5 для закрепления навыков решения задач

по теме «Коллоидные растворы»

(Трудоемкость – 7 баллов)

1. Найдите удельную поверхность аэрозольных частиц угля, применяемого в современных топках с пылевидным топливом, если известно, что угольная пыль предварительно просеивается через сито с отверстиями 8×10^-13м. Плотность угля равна 1,8×10³кг/м³. Примечание: - расчеты удельной поверхности произведите в м^-1 и в м²/кг; - аэрозольную систему считать монодисперсной. (Ответ: 7,5·10¹² м^-1; 4,17×10⁹м²/кг)

2. Допуская, что в коллоидном растворе серебра каждая частица представляет собой куб с длиной ребра 4×10^-6 см и плотностью 10,5×10³ кг/м³, рассчитайте: а) число коллоидных частиц, содержащихся в 0,1 кг серебра; б) общую площадь поверхности всех серебряных частиц. (Ответ: а)14,88×10¹⁶; б) 1429м²).

3. Гидрофобный золь оксалата магния получен смешиванием 25 мл раствора оксалата натрия с молярной концентрацией Na₂C₂O₄, равной 0,008 моль/л, и 18 мл раствора хлорида магния с молярной концентрацией MgCl₂, равной 0,0096 моль/л, по реакции обмена:

Na₂C₂O₄ + MgCl₂ = ↓MgС₂O₄ + 2NaCl.

Напишите формулу мицеллы полученного золя, укажите его структурные составляющие, определите знак заряда гранулы.

4. Свежеосажденный осадок гидроксида алюминия обрабатывается незначительным количеством соляной кислоты, недостаточным для полного растворения осадка. При этом образовался гидрофильный золь Al(OH)₃. Напишите формулу мицеллы золя гидроксида алюминия, если в электрическом поле его гранулы перемещаются к катоду.

5. Золь ферроцианата меди был получен при действии на избыток раствора хлорида меди (2) раствором гексацианоферрата (2) калия K₄[Fe(CN)₆]. Напишите формулу мицеллы золя, определите её тип и распишите структуру. Помните, что в водном растворе абсолютно все ионы покрыты гидратной оболочкой.

6. Порог коагуляции электролита хлорида хрома (3) для золя оксида мышьяка (3) равен 0,093 ммоль/л. Определите концентрацию электролита-коагулянта, если для коагуляции 125 мл золя потребовалось 0,8 мл раствора CrCl₃.

7. Для получения гидрофобного золя сульфида кадмия (2) смешали равные объемы растворов сульфида натрия и нитрата кадмия. Определите, в каком из этих растворов выше молярная концентрация эквивалента, если для коагуляции полученного золя понадобилось 2мл 1 н. раствора NaNO₃, или 12 мл 0,01 н. раствора CaI₂, или 7 мл 0,001 н. раствора SbCl₃.

Б. Домашнее задание № 5 для закрепления знаний теоретического материала

по теме «Коллоидные растворы»

Следует выбрать одно из предлагаемых заданий, их трудоемкость в балльной оценке указана в скобках.

1. Постройте коллоидные мицеллы гидроксида железа (III) при

условии их получения в избытке ионов железа и в избытке гидроксоионов. Укажите, какие электролиты могут быть избраны в качестве коагуляторов этих золей.

(Трудоемкость – 5 баллов)

2. Объясните, как зависит устойчивость коллоидных частиц

от величины заряда потенциалопределяющих ионов и противоионов. Докажите это на конкретных примерах.

(Трудоемкость – 3 балла)

3. Проведите сравнительно-сопоставительный анализ основных физических и химических свойств коллоидных и полимерных растворов. Приведите конкретные примеры таких систем (по 5 каждого вида). Объясните, почему они объединены в одну группу химических систем?

(Трудоемкость – 5 баллов)

ЛИТЕРАТУРА:

1. Бомешко Е.В. Курс лекций по химии: Учебное пособие для студентов инженерных направлений и специальностей. – Тирасполь. ПГУ, 2010, с. 258-276.
2. Бомешко Е.В., Попова Н.К. Практикум по общей химии: Учебное пособие для инженерных специальностей. – Тирасполь. ПГУ, 2006, с. 16-26.
3. Настоящее пособие.
4. Интернет-ресурсы.

Дата добавления: 2015-07-13