Коллоидная химия. Шпаргалка

16. Особенности ионного обмена в амфолитоидах, изоэлектрическое состояние амфолитоидов. Понятие об обменной емкости

Коллоиды, которые обладают свойством адсорбировать обменным путем как катионы, так и анионы, называют амфолитоидами. Частицы амфолитоидов обладают амфотерными свойствами: поверхность частицы амфолитоида, способна отщеплять ионы водорода и ионы гидроксила. Примерами амфолитоидов являются золи гидроксида алюминия и гидроксида железа (III).

Кислотные и основные свойства амфолитоидов выражены в различной степени: кислотные свойства могут преобладать над основными, или, наоборот, основные свойства преобладают над кислотными. Доминирование кислотных свойств амфолитоида проявляется в том, что в нейтральной среде с поверхности коллоидной частицы ионы водорода переходят в окружающий раствор в большем количестве, чем ионы гидроксила.

Поскольку при отщеплении иона водорода на поверхности частицы освобождается элементарный заряд отрицательного электричества, а отщепление каждого иона гидроксила – заряд положительного электричества, то частицы амфолитоида с преобладанием кислотных свойств заряжены в нейтральной среде отрицательно. Если в нейтральной среде основные свойства амфолитоида преобладают над кислотными, то суммарный заряд поверхности частиц является положительным.

Для амфолитоида существует обменная емкость поглощения катионов и анионов, которая зависит от рН среды. Рассмотрим процессы происходящие в амфолитоидах.

Пусть имеет место процесс поглощения ионов амфолитоидом с преобладанием кислотных свойств над основными. В нейтральной среде у коллоидной частицы емкость поглощения катионов больше емкости поглощения анионов. При постепенном подкислении среды кислотные свойства амфолитоида ослабляются, а основные свойства усиливаются, поскольку уменьшается число отщепляемых ионов водорода.

При этом уменьшается емкость поглощения катионов, но увеличивается емкость поглощения анионов. При определенной кислотности среды кислотные и основные свойства амфолитоида уравниваются, и, при условии одинаковой адсорбируемости катионов и анионов емкость поглощения катионов становится равной емкости поглощения анионов.

Наряду с описываемыми процессами происходит изменение заряда поверхности коллоидных частиц: меняются величина и знак ?-потенциала. В нейтральной среде частицы данного амфолитоида заряжены отрицательно. По мере увеличения кислотности величина отрицательного потенциала частиц уменьшается, и при определенном значении рН ?-потенциал становится равным нулю. Такое состояние называется изоэлектрическим состоянием. Значение рН, при котором система находится в изоэлектрическом состоянии, называется изоэлектрической точкой.

Если имеет место амфолитоид с преобладанием кислотных свойств, то его изоэлектрическая точка ниже 7 (т. е. коллоид переходит в изоэлектрическое состояние в кислой среде). Чем сильнее выражены кислотные свойства, тем меньше изоэлектрическая точка. У амфолитоидов с преобладанием основных свойств, наоборот, изоэлектрическая точка выше 7 (т. е. коллоид переходит в изоэлектрическое состояние в щелочной среде). Чем сильнее выражены основные свойства, тем выше изоэлектрическая точка.

Таким образом, можно сделать следующий вывод: с увеичением рН увеличивается количество адсорбируемых катионов, или емкость обмена катионов; с уменьшением рН увеличивается адсорбция анионов, или емкость обмена анионов.

Значит, для амфолитоидов характерно явление перезарядки частиц, вызываемое изменением реакции среды.

17. Методы приготовления коллоидных растворов

Основными методами для приготовления коллоидных растворов являются диспергационный и конденсационный.

Диспергационный метод заключается в дроблении массивных частиц твердой фазы до соответствующей степени дисперсности. Конденсационный метод основан на том, что частицы коллоидной дисперсности образуются из растворов или газовой фазы. Необходимо также упомянуть т. н. метод пептизации, который основан на превращении рыхлых осадков, состоящих из частиц коллоидной степени дисперсности, в коллоидный раствор.

При использовании диспергационного метода твердые частицы дробят механическим или электрическим способом. Механическое дробление в лабораторных условиях до необходимой степени дисперсности осуществляют с помощью специальных агатовых или стальных ступок. В процессе растирания раздробленные частички слипаются, поэтому, необходимо использовать дополнительно жидкое стабилизирующее вещество, которое может смачивать поверхность частицы, препятствуя их агрегации. Для измельчения вещества до 100–300 нм можно применять шаровые мельницы. В цилиндрическом сосуде находятся соответствующее твердое тело, жидкость и стабилизирующее вещество, а также металлические шары, которые при вращении цилиндра непрерывно перекатываются и измельчают твердое вещество. Для более тонкого дробления частиц используют коллоидные мельницы. Твердое вещество подвергают предварительному дроблению, затем смешивают с дисперсионной средой и стабилизирующей добавкой, после этого смесь подают через отверстие в мельницу. Жидкость со взвешенными частицами твердой фазы приобретает большую скорость благодаря быстрому вращению.

Электрический метод является одновременно диспергационным и конденсационным. Его используют для приготовления коллоидных растворов благородных металлов, для чего к двум электродам из благородного металла, погруженным в жидкость, подводят электрическое напряжение. Электроды вначале замыкают под жидкостью, затем отводят один от другого. В результате имеет место образование электрической дуги, как следствие, повышается температура, происходит испарение металла. Затем в результате перепада температур происходит образование кристаллов металла коллоидной степени дисперсности.

В конденсационном методе принято выделять способ физической конденсации, при этом твердая фаза образуется в результате конденсации из газообразной фазы, и способ химической конденсации, когда твердая фаза образуется в результате химической реакции. В обоих случаях необходимо образование мелких частиц. Один из механизмов конденсации заключается в том, что вначале происходит зарождение кристалла, линейные размеры которого затем увеличиваются. Для образования кристаллов малых размеров скорость образования кристаллических зародышей должна быть высокой, а скорость линейного роста кристаллов – малой. Примером конденсационного метода является получение коллоидного раствора иодида серебра. Приготовляют разбавленные растворы нитрата серебра и иодида калия, затем смешивают их. В результате химической реакции образуется иодид серебра, который практически нерастворим. В результате имеет место образование зародышей кристаллов иодида серебра коллоидной степени дисперсности.

Другим механизмом конденсационного метода является первоначальное возникновение аморфных частиц, которые постепенно упорядочиваются, превращаясь в кристаллы. Такой процесс имеет место при образовании оксидных пленок. Вначале образуются частицы сравнительно большой степени дисперсности, затем в них возникают внутренние механические напряжения, что приводит к образованию трещин, дроблению частицы на кристаллики коллоидной степени дисперсности.

18. Поверхность раздела между двумя конденсированными фазами. Правило Антонова. Межфазное натяжение

Величина поверхностного натяжения является постоянной величиной при постоянной температуре, она характеризует полярность жидкости, или интенсивность поля молекулярных сил.

Эта характеристика молекулярного сцепления связана с такими параметрами, как дипольный момент, поляризуемость, диэлектрическая проницаемость. Полярность растет с увеличением значений дипольного момента и диэлектрической проницаемости.

Существуют и другие компоненты молекулярных сил, проявляющиеся, например, у молекул с двойными связями.

Для границы двух несмешивающихся жидкостей всегда необходимо учитывать межмолекулярное сцепление соседней фазы.

Действие межмолекулярных сцеплений, как правило, представляется аддитивным, поэтому значение поверхностного натяжения для границы двух жидкостей определяется разностью их интенсивностей.

Само поверхностное натяжение называют в данном случае пограничным (или межфазным) поверхностным натяжением. Существование аддитивности действия молекулярных сил выражается правилом Антонова, которое гласит, что пограничное натяжение ?

равно разности поверхностных натяжений этих жидкостей (на границах с воздухом) в условиях взаимного насыщения. Математически данное правило можно записать следующим образом:

?

= ?

– ?

,

где s

– межфазное поверхностное натяжение на границе «жидкость – жидкость»;

?

, ?

– значения поверхностных натяжений этих жидкостей на границе с воздухом.

Поясним правило Антонова на примере смеси двух жидкостей – воды и бензола.

Пусть слагаемое ?

относится к насыщенному раствору бензола в воде, а слагаемое ?

– к насыщенному раствору воды в бензоле.

С уменьшением разностей полярностей увеличивается взаимная растворимость жидкостей, различие между свойствами сосуществующих постепенно исчезает, а значения ?

и ?

становятся более близкими.

Следовательно, значение межфазного поверхностного натяжения ?

уменьшается. В том случае, когда происходит полное взаимное растворение, значение межфазного поверхностного натяжения становится равным нулю.

Если представить, что данную смесь возможно разделить на два искомых вещества, то для этого необходимо совершить работу, направленную на разрыв межфазной поверхности и образование двух новых межфазных поверхностей.

Эта работа называется работой адгезии. Математически ее можно записать следующим образом:

W = ?

+ ?

– ?

.