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 CaCl 2 , 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 CaCl 2 , определяем количество вещества фторида натрия ν(NaF) и хлорида кальция ν(СаСl 2), вступивших в реакцию обмена по уравнению
2NaF + CaCl 2 = ↓CaF 2 + 2NaCl:
ν(NaF) = Cμ(NaF)·V(NaF) = (8,0·10 -3 моль/л)·(32·10 -3 л) = 2,56·10 -4 моль,
ν(CaCl 2) = Cμ(CaCl 2)·V(CaCl 2) = (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(CaCl 2) = 2:1, а из приведенных расчетов видно, что ν(NaF):ν(CaCl 2) =(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 Н 2 О. Вместе с тем, зародыш коллоидной частицы, формирующийся из нерастворимых молекул фторида кальция СаF 2 , 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 Са 2+ . Отсюда мы делаем второй вывод – потенциалопределяющими ионами будут ионы Са 2+ ·ρН 2 О , 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)H 2 O , которые располагаются вокруг ядра двумя слоями : первый – адсорбционный, состоящий из 2Cl - ·qH 2 O, второй – диффузный, его строение 2Cl - ·ℓH 2 O.
Теперь можно записать мицеллярную формулу частицы золя фторида кальция:
{[(m(CaF 2)·nCa 2+ ·ρН 2 О) 2 n+ ·2(n-x)Cl - ·qH 2 O] 2 x+ + 2xCl - ·ℓH 2 O} 0 .
потенциал- |зародыш _| адсорбц. слой диффузн. слой
определяющий | ядро | противоионов
ион | гранула |
| мицелла |
Как видим, гранула золя CaF 2 в данном случае заряжена положительно и при наложении электрического поля гранула будет двигаться к отрицательно заряженному электроду (катоду), а противоионы диффузного слоя (2хCl - ·ℓH 2 O) – 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(NO 3) 2 и H 2 SO 4 , будет кристаллический сульфат бария, согласно реакции обмена
Ba(NO 3) 2 + H 2 SO 4 = ↓BaSO 4 + 2HNO 3 .
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 SO 4 2- ·рН 2 О (правило Пескова-Фаянса). Ясно, что противоионами выступают гидратированные протоны 2Н + ·(q+ℓ)H 2 O, 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 (H 2 SO 4) > С μ (Ba(NO 3) 2 .
С учетом проведенного анализа, построим формулу мицеллы гидрофобного золя сульфата бария:
{[(m(BaSO 4)· nSO 4 2- ·рН 2 О) 2 n- ·2(n-x)H + ·qH 2 O] 2 x- + 2xH + ·ℓH 2 O} 0 .
Потенциал- | зародыш | адсорбц. слой диффузн. слой
определяющий | ядро | противоионов
ион | гранула |
| мицелла |
Ответ : золь сульфата бария гидрофобный, гранула заряжена отрицательно, в раствореС μ (H 2 SO 4) > С μ (Ba(NO 3) 2 .
3 . Золь гидроксида железа (3), полученный при добавлении к 85 мл кипящей дистиллированной воды 15 мл раствора хлорида железа (3) с массовой долей FeCl 3 , равной 2%, образуется в результате частичного гидролиза соли по уравнению:
FeCl 3 + 3H 2 O = ↓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: Fe 3+ , 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(Fe 3+):Сμ(ОН -) = ν(Fe 3+):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/см 3 . Зависимость массы FeCl 3 и массовой доли ω(FeCl 3) определяется из соотношения m(FeCl 3) = ω(FeCl 3)·V р-ра (FeCl 3)·ρ р-ра (FeCl 3). С другой стороны, количество вещества соли ν(FeCl 3) = m(FeCl 3)/M(FeCl 3), где M(FeCl 3) – молярная масса хлорида железа, она равна M(FeCl 3) = 56 + 3·35,5 = 162,5 г/моль. Отсюда получаем расчетную формулу для определения количества вещества соли, а значит, и количества вещества ионов Fe 3+ , вступивших в реакцию гидролиза:
ν(Fe 3+) = ν(FeCl 3) = [ω(FeCl 3)·V р-ра (FeCl 3)·ρ р-ра (FeCl 3)]/M(FeCl 3).
Произведем соответствующие расчеты и получим:
ν(Fe 3+) = ν(FeCl 3) = (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 - Fe 3+ , 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 – Fe 3+ ·pH 2 O; противоионы - 3Сl - ·(q+ℓ)H 2 O. При этих условиях формула гидрофильной мицеллы золя Fe(OH) 3 будет иметь вид: {[(m(Fe(OH) 3 ·rH 2 O·nFe 3+ ·pH 2 O) 3 n+ ·3(n-x)Cl – ·qH 2 O] 3 x+ + 3xCl – ·ℓH 2 O} 0 .
Случай 2) : потенциалопределяющие ионы – FeO + ·pH 2 O; противоионы - Сl - ·(q+ℓ)H 2 O. Мицелла гидрофильная, её формула
{[(m(Fe(OH) 3 ·rH 2 O·nFeО + ·pH 2 O) n+ ·(n-x)Cl – ·qH 2 O] x+ + xCl – ·ℓH 2 O} 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 ·rH 2 O·nFeО + ·pH 2 O) n+ ·(n-x)Cl – ·qH 2 O] x+ + xCl – ·ℓH 2 O} 0
и {[(m(Fe(OH) 3 ·rH 2 O·nFe 3+ ·pH 2 O) 3 n+ ·3(n-x)Cl – ·qH 2 O] 3 x+ + 3xCl – ·ℓH 2 O} 0 .
4 . Золь берлинской лазури можно получить при взаимодействии неэквивалентных количеств разбавленных растворов железа (3) хлорида и калия феррицианата K 4 . 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:
4FeCl 3 + 3K 4 = ↓Fe 4 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 4- ·рН 2 О, либо гидратированные катионы Fe 3+ ·pH 2 O. Соответственно, противоионами будут в разных случаях либо 4К + ·(q+ℓ)H 2 O, либо 4Cl - ·(q+ℓ)H 2 O.
На основании проведенного анализа составим формулы возможных мицелл:
а) С N K 4 > С N FeCl 3 , тогда
{[ (m(Fe 4 3 ·n 4- ·рН 2 О) 4 n- ·4(n-x)K + ·q(H 2 O)] 4 x- + 4xK + ·ℓH 2 O} 0 ;
б) С N K 4 < С N FeCl 3 , тогда
{[(m(Fe 4 3 ·nFe 3+ ·pH 2 O) 3 n+· 3(n-x)Cl - ·qH 2 O] 3 x+ + 3xCl - ·ℓH 2 O} 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(Fe 4 3 ·n 4- ·рН 2 О) 4 n- ·4(n-x)K + ·q(H 2 O)] 4 x- + 4xK + ·ℓH 2 O} 0 ;
б) {[(m(Fe 4 3 ·nFe 3+ ·pH 2 O) 3 n+· 3(n-x)Cl - ·qH 2 O] 3 x+ + 3xCl - ·ℓH 2 O} 0 .
5 . Рассчитайте объем 0,0025 М. раствора KI, который необходимо добавить к 0,035 л 0,003 н. раствора Pb(NO 3) 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(NO 3) 2 = ↓PbI 2 + 2 KNO 3 .
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 PbI 2 таковыми могут быть только катионы свинца Pb 2+ . Отсюда ясно, что электролитом-стабилизатором выступает раствор нитрата свинца Pb(NO 3) 2 и противоионами становятся анионы NO 3 - .
При таких условиях электролит-стабилизатор должен быть в избытке, следовательно,
С N (Pb(NO 3) 2 ·V(Pb(NO 3) 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(NO 3) 2 ·V(Pb(NO 3) 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:
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(PbI 2)·nPb 2+ ·pH 2 O) 2 n+ ·2(n-x)NO 3 - ·qH 2 O] 2 x+ + 2xNO 3 - ·ℓH 2 O} 0 .
Всякий золь состоит из мицелл (частиц дисперсной фазы), и интермицелярной жидкости (дисперсионной среды, в состав которой входят растворитель и растворенные в нем электролиты и неэлектролиты).
Мицеллы имеют сложное строение. Согласно современным представлениям мицелла состоит из электронейтрального агрегата и ионногенной оболочки. Электролит, ионы которого образуют ионогенную оболочку агрегата, называется стабилизатором. При получении золя химическим методом таковым обычно является электролит взятый в избытке. Он сообщает устойчивость коллоидным растворам за счет сил отталкивания одноименно заряженных частиц (гранул).
Масса коллоидной частицы сосредоточена главным образом в агрегате, который состоит из сотен и тысяч атомов и молекул. Например, средняя молярная масса мицеллы гидрозоля гидроксида железа (III) равна 56500 г/моль, а гидрозоля кремниевой кислоты – 49000 г/моль. Следовательно, в первом случае в частицу входит 530 атомов Fe, во втором – 630 атомов Si.
Предположим, что золь иодида серебра образуется в ходе химической реакции:
AgNO 3 + KI ® AgI¯ + KNO 3 .
Основу коллоидных частиц (рис.32) составят микрокристаллы труднорастворимого AgI, включающие в себя m структурных единиц AgI (точнее m пар ионов Ag + и I –). Эти микрокристаллы называют агрегатом.
Если реакция протекает в присутствии избытка раствора KI, то на поверхности агрегата возникает отрицательно заряженный слой в результате избирательной адсорбции содержащихся в нем в избытке n I – –ионов (согласно правилу Панетта – Фаянса, структуру кристаллической решетки могут достраивать только те ионы, которые входят в ее состав или родственные веществу этой решетки). Иодид-ионы в данном случае являются потенциалопределяющими ионами. Агрегат вместе с потенциалопределяющимиионами является частицей твердой фазы, и называется ядром.
Под действием электростатических сил к ядру притягивается n ионов противоположного знака – противоионов, компенсирующих заряд ядра. В данном случае эту роль выполняют находящиеся в избытке ионы К + . Часть противоионов (n–x) прочно удерживаются около ядра и образуют вместе с потенциалопределяющими ионами адсорбционный слой. Агрегат и адсорбционный слой вместе составляют гранулу, имеющую заряд вследствие неполной компенсации заряда потенциалопределяющих ионов противоионами, в нашем случае – отрицательный.
Остальные х противоионов К + , слабее связанных с ядром (только электростатически), под влиянием теплового движения располагаются в жидкой среде диффузно (т.е. размыто), поэтому и называются диффузным слоем . Гранула вместе с диффузным слоем противоионов составляет мицеллу. Мицелла электронейтральна. Схему мицеллы можно изобразить следующим образом:
В том случае, если в избытке взят раствор AgNO 3 , схема мицеллы будет иметь следующий вид:
{×nAg + × (n–x)NO } х + ×х NO
Из приведенных формул видно, что первая мицелла имеет отрицательно заряженную гранулу, вследствие избирательной адсорбции на агрегате ионов I – , а гранула второй мицеллы заряжена положительно за счет ионов Аg + , то есть заряд гранулы определяется зарядом потенциалопределяющих ионов.
При пользовании схемами строения мицелл следует помнить, что мицелла золя не является чем-то постоянным. Числа m, n и х могут изменятся в широких пределах в зависимости от условий получения и очистки золя, а также под воздействием различных внешних факторов. Например, при введении в золь индифферентного (специфически не взаимодействующего с поверхностью) электролита будет происходить сжатие диффузной части (уменьшение радиуса мицеллы). При этом противоионы диффузного слоя начнут переходить в адсорбционный слой, т.е количество противоионов адсорбционного слоя
(n–х) будет возрастат, а количество противоионов диффузногоо слоя (х) – уменьшаться. Заряд гранулы падает и в случае полного перехода ионов в адсорбционный слой частица лишается заряда, (гранула станет нейтральной). Схема мицеллы примет вид:
{×nI – × nK + } 0 или {×nAg + × nNO } 0
Не имея заряда, коллоидные частицы при сталкивании начнут слипаться, что приведет к укрупнению частиц и выпадению их в осадок под действием силы тяжести. Коллоидная система при этом перейдет в грубодисперсную, а затем произойдет разделение фаз. Таким образом, наличие заряда у частицы дисперсной фазы, как и наличие диффузного слоя, от которого зависит величина заряда частицы, являются основными условиями того, что система не разрушится.
Из этого следует, что для получения устойчивых коллоидных систем обязательно наличие стабилизатора.
Методы получения коллоидных растворов
Коллоидные растворы или золи могут быть получены двумя группами принципиально различных методов: диспергирования и конденсации.
Методами диспергирования называются методы получения коллоидных растворов, основанные на раздроблении крупных частиц на более мелкие. Различают физические и химические методы диспергирования.
К физическим методам диспергирования относятся механическое дробление с помощью шаровых или коллоидных мельниц, дробление ультразвуком, распылением в электрической дуге.
Химическим методом диспергирования является метод пептизации. Суть его заключается в следующем: к свежеполученному рыхлому осадку добавляют пептизатор (стабилизатор), которым могут быть растворы электролитов, растворы ПАВ или растворители. Например, свежеосажденный осадок Fе(ОН) 3 можно обработать раствором FeCI 3, содержащим ион-пептизатор Fe 3+ . Ионы Fe 3+ , адсорбируясь на кристаллах Fe(OH) 3 , достраивают кристаллическую решетку и образуют слой потенциалопределяющих ионов. Частицы осадка, приобретая заряд, переходят во взвешенное состояние. Схема мицеллы золя будет иметь вид:
{× nFe 3+ × (3n–x)Cl – } х+ × хСl –
Другим способом получения золя методом пептизации является обработка осадка электролитом, частично растворяющим этот осадок. Например, осадок Fe(OH) 3 можно обработать небольшим количеством раствора НС1. При этом протекает реакция:
Fe(OH) 3 + НС1 ® FeOCl + 2Н 2 О
Образующаяся в результате реакции соль диссоциирует по схеме:
FeOCl ® FeO + + Сl – . Ионы этой соли служат пептизатором. Схема мицеллы в данном случае приобретает следующий вид:
{× nFeO + ×(n–x)Cl – } X+ × хСl –
При этом способе пептизации важно, чтобы количество добавляемого электролита было очень мало, иначе растворится весь осадок.
Методы конденсации – это методы, связанные с агрегацией молекул в более крупные коллоидные частицы. С их помощью можно получить дисперсные системы из гомогенных растворов. Появление новой фазы происходит при пересыщении среды. Пересыщение (т.е. создание концентраций, превышающих равновесные) можно вызвать с помощью физического процесса или химической реакции.
К физическим методам конденсации относятся:
1. Метод замены растворителя. Основан на медленном добавлении раствора какого-либо вещества к жидкости, которая хорошо смешивается с растворителем, но в которой растворенное вещество настолько мало растворимо, что выделяется в виде высокодисперсной фазы. Например, при вливании спиртовых растворов серы, холестерина или канифоли в воду образуются гидрозоли соответствующих веществ ввиду их малой растворимости в воде.
2. Метод конденсации паров. Основан на пропускании паров какого-либо простого вещества в жидкость. В результате конденсации паров образуются очень устойчивые золи. Пары вещества можно получить электрическим методом. Например, путем распыления металлов под водой или под органической жидкостью в вольтовой дуге или в искровом высокочастотном разряде получают золи металлов. Стабилизаторами для образующихся при конденсации паров металла служат оксиды этих же металлов, являющиеся побочными продуктами процесса распыления. Оксиды адсорбируются на частицах металла и создают защитный слой. В природе при конденсации водяных паров в атмосфере образуются туман и облака.
В основе химических методов конденсации лежат химические реакции, приводящие к образованию нерастворимых в данной среде веществ, в частности, следующие типы реакции.
1. Реакции восстановления. Например, получение золя золота восстановлением золотохлористоводородной кислоты. В качестве восстановителя можно использовать пероксид водорода:
2HAuCl 4 + 3H 2 O 2 ® 2Au¯ + 8HCl + 3O 2
Золи железа, никеля, вольфрама, свинца и ряда других металлов можно получить электрохимическим восстановлением их солей.
2. Реакции окисления. Такая реакция, в частности, применяется для получения золя серы:
2H 2 S + O 2 ®2S¯ + 2H 2 O
При этом наряду с серой образуются политионовые кислоты, главным образом пентатионовая кислота H 2 S 5 O 6 , которая стабилизирует золь, адсорбируясь на частицах серы:
{ × nS 5 O × (2n–x)H + } х– × хH +
3. Реакции гидролиза. Этот метод широко применяется для получения золей гидроксидов металлов. Например, золь гидроксида железа получается по реакций:
FeCl 3 + 3H 2 O ® Fe(OH) 3 ¯+ 3HCl
Степень гидролиза возрастает с повышением температуры и с увеличением разведения. Возможны следующие схемы строения мицелл:
{× nFe 3+ ×(3n–x)Cl – } х+ × хСl –
{× nFeO + ×(n–x)Cl – } х+ × хСl –
4. Реакции обмена. Позволяют получать золи многих труднорастворимых соединений. Например, при смешивании разбавленных растворов, содержащих неодинаковые количества солей хлорида бария и сульфата натрия, образуется золь сульфата бария:
Na 2 SO 4 + BaCl 2 ® BaSO 4 ¯+ 2NaCl
Строение мицеллы золя зависит от того, раствор какого электролита взят в избытке:
{×nBa 2+ × (2n–x)Cl – } х+ ×хСl – (избыток раствора BaCl 2)
{ × nSO ×(2n–x)Na + } х– × хNa + (избыток раствора Na 2 SO 4).
Из всего ранее сказанного следует, что для получения устойчивых коллоидных растворов необходимо выполнить три условия:
1. Дисперсная фаза должна плохо растворяться в дисперсионной среде. Это означает, что при получении коллоидных растворов методом химической конденсации необходимо образование труднорастворимого вещества.
2. Размеры частиц труднорастворимых веществ должны быть в пределах 10 –7 –10 –9 м (1-100 нм). Для этого при использовании химических методов конденсации исходные растворы должны быть достаточно разбавленными.
3. Должен быть стабилизатор (ионы электролитов). Поэтому при получении золей методом химической конденсацией один из электролитов необходимо взять в избытке. При этом раствор электролита, взятого в недостатке, приливают небольшими порциями к раствору электролита, взятого в избытке, до появления легкой мути (или опалесценции).
Методы очистки коллоидных растворов
Дисперсные системы, полученные химическими методами, содержат примеси низкомолекулярных электролитов, снижающих устойчивость коллоидных систем. Их удаляют следующими методами.
Диализ – заключается в очистке золей от примесей низкомолекулярных веществ с помощью чистых растворителей и полупроницаемых мембран. Схема простейшего диализатора показана на рис. 33. Очищаемый золь заливают во внутренний сосуд, дном которого служит мембрана, задерживающая коллоидные частицы или макромолекулы и пропускающая молекулы растворителя и низкомолекулярных примесей. Во внешний сосуд заливают растворитель. Молекулы низкомолекулярных примесей проходят через мембрану во внешнюю среду (диализат), где их концентрация ниже или равна нулю. На рисунке направление потока молекул примесей показано стрелками. При этом частицы дисперсной фазы проникнуть через поры мембраны не могут из-за своих размеров. Очистка идет до тех пор, пока концентрации примесей в золе и диализате не станут близкими. Если обновлять растворитель, то можно практически полностью избавиться от примесей электролитов и низкомолекулярных неэлектролитов.
Недостатком метода является большая длительность процесса очистки (недели, месяцы).
Электродиализ
– это диализ, ускоренный за счет применения электрического тока. В данном методе очистку золей от низкомолекулярных электролитов проводят в приборе, называемом электродиализатором (рис. 34). Он представляет собой сосуд, разделенный двумя мембранами на три камеры. В среднюю камеру (Б) наливают коллоидный раствор. В боковые камеры (А) помещают электроды от источника постоянного тока и обеспечивают подвод и отвод растворителя (воды). Под действием электрического тока перенос положительно заряженных частиц из средней камеры в катодную камеру, а отрицательно заряженных частиц – в анодную происходит значительно быстрее. Раствор в средней камере может быть очищен от растворенных солей в течение короткого времени (минуты, часы).
Ультрафильтрация – метод очистки путем продавливания дисперсионной среды вместе с низкомолекулярными примесями через ультрафильтры (мембраны). Очищаемый коллоидный раствор продавливают под давлением через мембрану. При этом молекулы дисперсионной среды и примесей проходят через поры мембраны, а коллоидные частицы остаются на мембране. Промывая коллоидные частицы водой, добиваются быстрой очистки дисперсной фазы от примесей. Очистку можно проводить, не только создавая давления над фильтром, но и создавая разряжение (вакуум) под фильтром путем откачивания воздуха из колбы.
Ультрафильтрацию широко используют для очистки и разделения смеси белков, нуклеиновых кислот, ферментов, а также для стерилизации растворов.
Диализ можно сочетать с ультрафильтрацией. Примером этого является аппарат "искусственная почка", предназначенный для временной замены функции почек при острой почечной недостаточности. Аппарат оперативным путем подключают к системе кровообращения больного; кровь под давлением, создаваемым пульсирующим насосом (“искусственное сердце”), протекает в узком зазоре между двумя мембранами, омываемыми снаружи физиологическим раствором. Благодаря большой рабочей площади мембран (15000 см 2) из крови сравнительно быстро (3–4 часа) удаляются шлаки – продукты обмена и распада тканей (мочевина, креатин, ионы калия и др.).
Коллоидные частицы гидроксидов и оксисолей, выделяющихся при гидролизе солей-коагулянтов, в нейтральной и слабокислой средах вследствие сорбции катионов водорода и алюминия или железа имеют положительный заряд. Поэтому на кинетику процесса их коагуляции большое влияние оказывает анионный состав среды.[ ...]
Коллоидную частицу удерживает во взвешенном состоянии ее электрический заряд. В дисперсной системе все коллоидные частицы несут на себе одинаковый по знаку заряд, поэтому происходит взаимное электростатическое отталкивание частиц при сближении их друг с другом. Следовательно, заряд коллоидной частицы препятствует их объединению в более крупные агрегаты и тем самым способствует устойчивости этих систем.[ ...]
Коллоидные частицы данного вещества, как правило, сорбируют на своей поверхности ионы одного и того же заряда.. Все частицы данного коллоида поэтому несут на себе один и тот же заряд. Различают коллоиды положительные и коллоиды отрицательные.[ ...]
Заряд коллоидных частиц примесей может понижаться и в результате проникновения катионов коагулянта при сжатии диффузного слоя в адсорбционный. Иногда, например для золей кремниевой кислоты, возможна их специфическая адсорбция, сопровождающаяся образованием труднорастворимых соединений с потенциал-определяющими ионами (гидроксида алюминия или железа и кремниевой кислоты) (нейтрализационная коагуляция). Этот процесс сопровождается уменьшением термодинамического потенциала коллоидных частиц примесей.[ ...]
Коллоидные частицы довольно стабильны. Одна из причин этого состоит в следующем: благодаря малому размеру таких частиц броуновское движение молекул воды оказывает на них более сильное воздействие, чем силы гравитации. Кроме того, электростатические силы отталкивания, обусловленные поверхностным зарядом коллоидных частиц, предотвращают их коагуляцию и последующее осаждение.[ ...]
В коллоидных системах часть ионов адсорбирована коллоидными частицами, которые при этом получают тот или иной заряд; при наложении постоянного электрического поля заряженные коллоидные частицы перемещаются электрофоретически к одному из электродов и осаждаются на нем. Электрофоретические явления, наблюдаемые при наложении на дисперсные водные системы однородных и неоднородных электрических полей, могут быть использованы для очистки высококонцентрированных стоков, а также при обезвоживании осадков .[ ...]
На частицы коллоидов действуют диффузионные силы, и частицы стремятся равномерно распределяться во всем объеме жидкой фазы. Наличие у частиц электрических зарядов одного знака вызывает их взаимное отталкивание. Одновременно между коллоидными частицами имеются молекулярные силы взаимного притяжения, которые проявляются лишь при небольших расстояниях между частицами. При снижении электрического заряда частиц, т. е. при уменьшении -потенциала, силы отталкивания уменьшаются и становится возможным слипание частиц - процесс коагуляции коллоида. Силы взаимного притяжения между коллоидными частицами начинают преобладать над электрическими силами отталкивания при -потенциале системы менее 0,03 В. При -потенциале, равном нулю, коагуляция проходит с максимальной интенсивностью, состояние коллоидной системы в этом случае носит название изо-электрического состояния, а величина pH называется изоэлектрической точкой системы.[ ...]
Для коллоидных растворов характерно наличие на поверхности частиц двойного электрического слоя, образующегося в результате процессов адсорбции или диссоциации. Поверхность коллоидных частиц несет определенный заряд (для коллоидных частиц природных вод-чаще отрицательный). Этот заряд ком. ренсируется окружающими частицу противоионами, т. е. ионами противоположного знака заряда. Часть противоионов входит в адсорбционный слой, а остальная часть образует так называемый диффузный слой.[ ...]
Ядро частицы составляет агрегат из т молекул кремниевой кислоты. Часть противоионов натрия (п-х) адсорбируется на частице и удерживается электростатическими силами притяжения потенциалопределяющих ионов. Не полностью компенсированный заряд потенциалопределяющих ионов вызывает появление отрицательного заряда у частицы кремниевой кислоты. В электрическом поле коллоидная частица вместе с адсорбционным слоем перемещается к одному полюсу, а ионы диффузного слоя - к противоположному. Если бы коллоидная частица перемещалась в электрическом поле только с потенциалопределяющими ионами, то электрокинетический потенциал должен быть равен термодинамическому потенциалу фо, возникающему между поверхностью частицы и раствором. Наличие в адсорбционном слое про-тивоинов снижает величину потенциала, и электрокинетический потенциал составляет часть полного потенциала. Если граница диффузного слоя совпадает с границей адсорбционного (%=0), то электрокинетический потенциал равен нулю. Такое состояние коллоидной частицы называется изоэлектрической точкой. В изоэлек-трической точке коллоидные частицы теряют устойчивость, укрупняются и выпадают в осадок.[ ...]
Основу коллоидной частицы составляют микрокристаллы труднорастворимого Ре(ОН)з называемые агрегатами. В результате избирательной адсорбции на поверхности агрегата образуется положительно заряженный слой, состоящий из п ионов водорода (потенциалообразующие ионы, сокращенно ПОИ). Агрегат вместе с потенциалообразующими ионами образует ядро. Под действием электростатических сил притяжения у ядра формируются слой ионов противоположного знака - противоионов, компенсирующих частично заряд ядра. В рассмотренном примере их роль выполняют ионы СГ. Частицу с окружающим ее плотным слоем ионов называют гранулой.[ ...]
Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, хлопья коагулянтов - слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение, способствующее формированию крупных частиц. В процессе коагуляционной очистки сточных вод происходит соосаждение с минеральными примесями за счет адсорбции последних на поверхности оседающих частиц. Из воды удаляются соединения железа (на 78-89 %), фосфора (на 80-90 %), мышьяка, цинка, меди, фтора и других. Снижение по ХПК составляет 90-93 %, а по БПКб - 80-85 %. Степень очистки зависит от условий воздействия на коагуляцию дисперсной системы радиации, магнитного и электрического полей, введения частиц, взаимодействующих с системой и стабилизирующих ее. Воздействие излучения, как и окисление органических соединений озоном способствует разрушению поверхностно-активных веществ (ПАВ), являющихся стабилизаторами твердых и жидких частиц, загрязняющих сточные воды. Под воздействием электрического поля происходит образование агрегатов размером до 500-1000 мкм в системах Ж - Т, Ж] - Ж2 и Г - Т.[ ...]
Наличие заряда на коллоидной частице устанавливается следующим образом. В золь опускают два электрода, соединенных с полюсами источника тока достаточно высокого напряжения. При пропускании тока через раствор коллоидные частицы медленно передвигаются к одному из электродов. Это явление открыл русский ученый Рейсс в 1807 г., производя следующий опыт.[ ...]
Другие силы, за счет которых возможна адсорбция макромолекул, действуют на расстояниях, более близких, чем ван-дер-ваальсовы силы. Представление о соотношении этих сил можно получить исходя из современной теории коагуляции ДЛФО . Схематически характер изменения с расстоянием (согласно этой теории) электростатических и ван-дер-Цаальсо-вых сил, действующих между одноименно заряженными однородными коллойдными частицами, показан на рис. 11.20.[ ...]
Большинство коллоидных частиц природных вод имеют на грануле отрицательный заряд. Его нейтрализация, разрушение диффузионного слоя и гидратной оболочки достигаются введением электролита и золей с противоположным зарядом частиц. В роли электролитов используют соли алюминия и железа.[ ...]
Передвижение коллоидных частиц под влиянием электрического поля свидетельствует о том, что они несут на себе определенный электрический заряд.[ ...]
Как известно, коллоидные частицы (мицеллы) также имеют электрические заряды и поэтому движутся в электрическом поле к электроду, имеющему знак, обратный знаку частицы. Это явление затрудняет протекание процессов электродеионизации. Можно думать, что в большинстве случаев мицеллы не проходят через диафрагмы (мембраны), а накапливаются на поверхности последних.[ ...]
Наружный слой коллоидной частицы частично диссоциирован, причем у отрицательно заряженных коллоидов в окружающий раствор диссоциируют положительно заряженные ионы (катионы), а отрицательный заряд имеет ядро коллоидной частицы. Находящиеся на его поверхности ионы называются потенциалопределяющими, а отдиссоциированные ионы - компенсирующими. При взаимодействии с окружающим коллоидную частицу раствором часть компенсирующих ионов образует так называемый диффузный слой. Электростатические силы, удерживающие ионы диффузного слоя, убывают по мере удаления их от частицы, и они легко обмениваются на ионы, находящиеся в растворе. Коллоидная частица вместе с диффузным слоем называется мицеллой.[ ...]
Возникновение отрицательного заряда у этих минералов связано главным образом с изоморфными замещениями в кремнекислородных тетраэдрах и алюмогидроксильных октаэдрах, из которых построена их кристаллическая решетка. Так, в кремнекислородных тетраэдрических слоях часть ионов кремния (четырехвалентных) внутри тетраэдров может быть изоморфно замещена ионами алюминия (трехвалентными), в результате чего возникают отрицательные заряды. Схематически это можно представить так: соединение состава (Si02)„ нейтрально, но при замещении атома кремния на атом алюминия появляется один отрицательный заряд, при замещении двух атомов кремния на атомы алюминия - два отрицательных заряда и т. д.[ ...]
Для флокуляции частиц с большим электрическим зарядом одноименно заряженными полимерами необходимо уменьшить электростатические силы отталкивания, что производится обычно путем добавления низкомолекулярных электролитов. Низкомолекулярные электролиты, сжимая слой противоионов у поверхности коллоидных частиц и нейтрализуя заряд на их поверхности, облегчают подход макромолекул и их адсорбцию. Одновременно происходит изменение структуры макромолекул. Экранирование заряженных звеньев полимера и уменьшение сил внутримолекулярного отталкивания приводит к сжатию макромолекул. Сжатые макромолекулы, занимая меньший объем, плотнее укладываются на поверхности частиц, в результате чего общее количество адсорбированного полимера возрастает.[ ...]
Для прилипания частиц к поверхности зерен необходимы в общем те же условия, что и для слипания (коагуляции) частиц между собой. Прилипание облегчается, если зерна загрузки и коллоидные частицы имеют различный по знаку заряд и электростатическое отталкивание отсутствует (рис. 111.10).[ ...]
Основу глинистых частиц образуют гидроалюмосиликаты, которые по химической природе являются алюмокремниевыми кислотами или их солями и диссоциируют с образованием сложного аниона и иона водорода или щелочного металла. Возникновение отрицательного заряда у коллоидных частиц глин обусловлено именно данным процессом. Так как алюмокремниевые кислоты имеют малую степень диссоциации, то при снижении pH устойчивость коллоидных частиц глин уменьшается. И наоборот, при повышении щелочности воды устойчивость коллоидных частиц возрастает. Это объясняется тем, что ионы Н+, образующиеся при диссоциации алюмокремниевых кислот, замещаются катионами металлов, а степень диссоциации образующихся солей выше, чем соответствующих кислот. В очень жестких водах коллоидные частицы глины могут иметь положительный заряд.[ ...]
Сложная структура частицы суспензоида формируется вокруг ядра, состоящего из множества молекул не растворимого в дисперсионной среде вещества. Ядро избирательно адсорбирует на своей поверхности ионы, называемые потенциалообразующими, и приобретает заряд. Присутствующие в среде ионы с противоположным знаком заряда (противоионы) вследствие электрического притяжения группируются вокруг ядра, образуя коллоидную частицу. Часть противо-ионов электростатическими силами прочно связана с ядром и образует вместе с адсорбированными на ядре ионами адсорбционный слой. Ядро и адсорбционный слой ионов составляют частицу, несущую определенный заряд. Другая часть противоионов под влиянием диффузионных сил слабее связана с ядром и образует вокруг частицы ионную атмосферу (диффузионный слой), компенсирующий заряд частицы. Частица в совокупности с диффузионным слоем составляет мицеллу.[ ...]
В некоторых случаях заряд коллоидных частиц образуется не за счет адсорбции ионов из раствора, а в результате диссоциации поверхностного слоя самого ядра, например при образовании коллоидной кремнекислоты. Молекулы БЮа, реагируя с водой, дают кремневую кислоту Н25Ю3 - слабый электролит с малой степенью диссоциации. Отрицательный заряд частицы ее обусловлен диссоциацией молекул Н25Ю3.[ ...]
Наличие одинакового заряда на всех частицах коллоидной системы препятствует их взаимному, сближению, ибо по законам электростатики одинаково заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Коагуляция таких заряженных электрически коллоидных частиц затруднена. Она протекает только после снятия или нейтрализации заряда. Нейтрализация заряда нередко осуществляется за счет сорбции из окружающей среды противоположно заряженных ионов.[ ...]
Отстаивание крупных частиц осуществляется в непрерывнодействующих отстойниках большой емкости. От мелких частиц освобождаются фильтрацией. Для осаждения коллоидных частиц (мельчайших глинистых частиц и белковых веществ) их подвергают коагуляции путем добавки в воду коагулянтов - сульфатов или двойных солей алюминия (алюминиевые квасцы). Ион-коагулянт должен иметь заряд, противоположный заряду коллоидной частицы, чтобы он мог адсорбироваться на поверхности заряженной частицы; это приводит к коагуляции (слипанию) отдельных частиц и образованию осадка.[ ...]
Чтобы вызвать коагуляцию коллоидных частиц, необходимо снизить величину их дзета-потенциала до критического значения добавлением ионов, имеющих положительный заряд. Таким образом, при коагуляции происходит дестабилизация коллоидных частиц вследствие нейтрализации их электрического заряда. Эффект коагуляции зависит от валентности иона коагулянта, несущего заряд, противоположный знаку заряда частицы. Чем выше валентность, тем более эффективно коагулирующее действие.[ ...]
Устойчивость и коагуляция коллоидных систем. Будучи термодинамически неустойчивыми, коллоидные системы под воздействием различных факторов могут разрушаться. Процесс соединения коллоидных частиц друг с другом, сопровождающийся образованием крупных агрегатов и разрушением коллоидной системы, называется коагуляцией. Она может происходить при введении в систему электролитов, золей с противоположным знаком заряда. Коагуляцию можно вызвать и изменением температуры, механическим воздействием, ионизирующим облучением.[ ...]
Иначе обстоит дело в случае коллоидных растворов. Коллоидные частицы - это сгустки большого числа молекул вещества. Ядро коллоидной частицы имеет кристаллическое строение. Наружный слой молекул этого ядра частично диссоциирован, причем ионы одного знака электрического заряда (например, положительного) находятся в окружающем ядро растворе, а ионы противоположного знака заряда прочно удерживаются поверхностью ядра (рис. 8).[ ...]
Двойной электрический слой. Частица суспензоида (мицелла) имеет сложное строение. В основе ее лежит нерастворимое в данной дисперсионной среде ядро. Поверхность ядра за счет свободной межфазной энергии адсорбирует из окружающей среды ионы в соответствии с правилом Фаянса. Эти ионы называются потенциалобразующими, так как сообщают частице определенный заряд. При адсорбции ионов снижается межфазная свободная энергия, что приводит систему в устойчивое состояние. Например, для золя гидроокиси железа потенциалобразующим ионом будет хлор-окись железа, образующаяся по уравнению Ре(ОН)3+НС1 ±: з= ;Ре0С1+2Н20. Хлорокись диссоциирует по уравнению РеОС1з= =г РеО++С1-. Катионы РеО+ избирательно адсорбируются на поверхности коллоидного ядра, заряжая его положительно. Если адсорбировалось п ионов РеО+, то в растворе находится п ионов С1 . Катион РеО+ сообщает коллоидной частице положительный заряд, а ее противоионами являются ионы хлора, находящиеся в растворе. Противоионы испытывают на себе две силы: электростатическую, притягивающую их к ядру коллоидной частицы, и диффузионную, стремящуюся рассеять их по раствору. В результате совместного действия указанных сил состояние отдельных анионов хлора неодинаково. Часть из них прочно связана с ядром коллоидной частицы, образуя на нем плотный адсорбционный слой (п-х). Другая часть образует диффузный слой х - ионную атмосферу частицы.[ ...]
В активном состоянии мицеллы (коллоидные частицы) находятся в постоянном движении в окружающей их жидкости и называются золем. Но если золь лишить электрического заряда, то он выпадает в осадок (гель). Этот процесс называют коагуляцией. Но чаще всего при некотором воздействии на гель его можно снова перевести в золь; последний процесс именуется пептизацией.[ ...]
Это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т.е. частиц размером 1-100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов. В процессах очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ-коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.[ ...]
Одним из методов снижения -потенциала коллоидной системы является увеличение концентрации в воде электролитов. Способность электролита вызывать коагуляцию коллоидной системы возрастает с увеличением валентности коагулирующего иона, обладающего зарядом, который противоположен заряду коллоидных частиц. Соотношение коагулирующей способности одно-, двух- и трехвалентных ионов приблизительно 1: 30:1000.[ ...]
Химическое осаждение основано на выравнивании зарядов коллоидных частиц сточных вод. Соединение частиц в более крупные агрегаты обычно тормозится одноименными электрическими зарядами. Однако если прибавить противоположно заряженные ионы или коллоиды, то наступает выравнивание зарядов, достигается «изоэлектрическая точка» и происходит осаждение веществ. Это приводит к полному осветлению сточной воды.[ ...]
При значительной разнице в величине (плотности) заряда разнородных, но одноименно заряженных коллоидных частиц, между ними, как это показал Б. В. Дерягин, может возникнуть не электростатическое отталкивание, а электростатическое притяжение. Возможность возникновения электростатического притяжения и флокуляции одноименно заряженных коллоидных частиц и макромолекул рассмотрена С. С. Хамраевым и А. И. Юсуповым на примере анионных полиакриламидных полимеров и отрицательно заряженных частиц кварца и микроклина.[ ...]
У амфотерных гидроксидов, например у гидроксида алюминия, знак заряда коллоидного раствора зависит от pH. В кислой и нейтральной среде золь гидроксида алюминия имеет положительный заряд. В слабощелочной среде (при pH 8,2) знак заряда коллоидного раствора гидроксида алюминия становится отрицательным, так как роль по-тенциалобразующих ионов уже выполняют алюминат-ионы или гидроксид-ионы. Противоионами будут в таких коллоидных частицах катионы металлов. При низких значениях pH коллоидные частицы гидроксидов металлов адсорбируют большее число катионов (потенциалопределяющих ионов) и поэтому являются более устойчивыми, что объясняется меньшей полнотой гидролиза коагулянта.[ ...]
Гидроокиси алюминия и железа образуют в воде золи с положительным заряДом на грануле. Эти коллоидные частицы усиливают общее коагулирующее действие введенных солей.[ ...]
Поскольку гидроксиды и сульфиды тяжелых металлов образуют устойчивые коллоидные системы для интенсификации процесса их осаждения в сточные воды необходимо вводить коагулянты и флокулянты. Коллоидные частицы сульфидов имеют отрицательный заряд, поэтому для коагуляции сульфидов используют электролиты с многозарядными катионами - обычно сульфаты алюминия или трехвалентного железа. При коагуляции гидроксидов требуется электролит с многозарядными анионами, так как коллоидные частицы заряжены положительно. Хорошими коагулянтами гидроксидов являются сульфат-ионы. Помимо электролитной коагуляции на практике часто используют взаимную коагуляцию коллоидных растворов с противоположным зарядом частиц.[ ...]
При наложении электрического поля происходит поляризация двойного слоя, коллоидные частицы приобретают дипольное строение и начинают двигаться к электроду, имеющему заряд, противоположный по знаку заряду частицы.[ ...]
Измерение дзета-потенциала макромолекул катионных ВМФ отдельно и в смеси с коллоидными растворами показало, что заряд смеси близок к заряду макромолекул . Это свидетельствует об образовании на поверхности коллоидных частиц довольно толстых оболочек полимера. С ростом концентрации ВМФ отрицательный заряд частиц кварца постепенно уменьшался, а затем наступала перезарядка частиц .[ ...]
Вторая стадия процесса коагуляции заключается в том, что отрицательно заряженные коллоидные примеси воды начинают адсорбироваться коагулирующими частицами коагулянта. Снижение или потеря заряда коллоидных частиц примесей может происходить и под действием катиона коагулянта. Если концентрации положительно заряженных золей коагулянта и коллоидных примесей примерно одинаковы, наблюдается взаимная коагуляция. Так как она происходит только в очень узкой зоне концентраций, то ее можно рассматривать как частный случай процесса коагуляции.[ ...]
Эти флокулянты имеют меньший заряд и сохраняют развернутую структуру макромолекулы. Свойства сополимеров с акрил ¡мидом и метакриламидом рассмотрены в п. 1.5.[ ...]
Коагуляция в пределах концентрации электролита от С] до с2 называется медленной коагуляцией. При концентрации электролита с2 заряд коллоидных частиц станет равным нулю. Скорость коагуляции при этом будет максимальной, и дальнейшее прибавление электролита не окажет на нее никакого влияния.[ ...]
Процесс коагулирования можно ускорить добавлением к воде веществ, носящих название флокулянтов. Фло-кулянтами являются вещества, образующие с водой коллоидные дисперсные системы. Роль флокулянта сводится, очевидно, к нейтрализации заряда на коллоидной частице коагулянта и к нарушению «защитных» свойств, некоторых коллоидов (флокулянт можно назвать «коагулянтом коагулянта»).[ ...]
Силы, вызывающие адсорбцию макромолекул флокулянта на дисперсной фазе (взвешенных веществ), имеют различную природу. Они зависят от химического состава ВМС и дисперсных частиц, наличия Ионогенных групп в макромолекуле, а также структуры и электрического заряда коллоидных частиц. Так, линейные полимеры или полимеры со слегка изогнутой цепью являются лучшими флокулянтами, чем глобулообразные макромолекулы. Флокулирующее воздействие ВМС зависит не столько от жесткости макро-молекулярного клубка, сколько от его размеров в растворе, которые определяются как природой полимера, так и его макромолекулярной массой. Молекулярная масса в основном влияет на флокулирующую способность неионных и одноименно заряженных полиэлектролитов; ее увеличение способствует снижению оптимальной флокулирующей дозы реагента. В нейтрализации заряда поверхности дисперсных частиц молекулярная масса полимеров играет меньшую роль.[ ...]
На рис. 22 изображена кривая процесса коагулирования мелкодисперсной глинистой взвеси сернокислым алюминием. При малой концентрации коагулянта мутность воды не изменяется (зона I), но при увеличении его концентрации мутность резко снижается до определенной величины (зона II). При концентрации коагулянта около 20 мг)л произойдет полная взаимная нейтрализация зарядов у коллоидных частиц. Увеличение дозы коагулянта выше 100 мг/л приводит к перезарядке коллоидных частиц и мутность воды может увеличиваться до первоначальной (зона III).[ ...]
Каолинит по сравнению с монтмориллонитом содержит больше алюминия и меньше кремнекислоты. Алюминий, образующий самостоятельный алю-могидроксильный октаэдрический слой, при определенных условиях может проявлять основные свойства. Гидроксильные ионы, связанные с алюминием в октаэдрическом слое и расположенные на внешней поверхности микрокристаллических частиц, при кислой реакции, то есть при избытке в растворе ионов Н’, могут отщепляться, и на отдельных участках коллоидной частицы возникают положительные заряды [...03812020НА12(0Н)2...]+- - ОН-.[ ...]
Содержание взвешенных веществ. Концентрация взвешенных веществ в воде, поступающей на электродиализный аппарат, не должна превышать 1,5-2,0 мг/л, иначе требуется осветление воды одним из известных методов (коагуляция с фильтрованием, медленные фильтры, патронные фильтры и др.). Даже при обработке профильтрованной воды в электродиализных дилюатных камерах осаждаются коллоидные частицы. Отрицательно заряженные коллоидные и взвешенные частицы мигрируют к поверхности анионитовой мембраны вследствие электрофореза, теряют здесь свой заряд и образуют гелеобразный слой («лакируют» мембрану), ухудшая работу установки.
Мицелла – это структурная коллоидная единица. Необходимыми условиями образования мицеллы являются:
а) образование в результате реакции труднорастворимого вещества, m молекул которого образуют агрегат коллоидной частицы.
Например: ;
б) наличие стабилизатора – электролита, предоставляющего ионы, адсорбируемые поверхностью труднорастворимого соединения. Согласно правилу Панетта–Фаянса , лучше всего адсорбируется тот ион, который входит в состав кристаллической решетки адсорбента . Абсорбируемые ионы, достраивающие кристаллическую решетку труднорастроримого соединения, называют потенциал определяющими ионами коллоидной частицы , поскольку заряд частицы совпадает по знаку с зарядом этих ионов. Адсорбция потенциалопределяющих ионов происходит самопроизвольно, сопровождаясь уменьшением свободной энергии поверхности ядра (∆G s).
Стабилизатором, как правило, является исходное вещество, взятое в избытке. Если в рассматриваемой реакции в избытке берется соль , то она будет стабилизатором. И тогда адсорбируемым ионом будет ион .
Рис. 4. Схема строения коллоидной
мицеллы: 1 – адсорбционный слой; 2 – слой потивоионов; 3 – диффузный слой
При избытке соли , стабилизатор предоставляет иодид-ионы, избирательно адсорбируемые поверхностью :
Агрегат с потенциал определяющими ионами образуют ядро мицеллы .
Другие ионы стабилизатора (противоионы ) образуют около твердой поверхности два слоя:адсорбционный (неподвижный), прочно связанный с ядром, и диффузионный (подвижный), расположенный на определенном расстоянии от ядра в дисперсионной среде. Ядро совместно с адсорбционным слоем противоионов называется коллоидной частицей (гранулой) .
Строение мицеллы удобно представлять в виде формулы. Для золя формула мицеллы пишется так, если стабилизатором будет
если стабилизатором будет AgNO 3:
Если стабилизатор , то формула мицеллы запишется так:
Количества потенциалопределяющих ионов и противоионов должны соответствовать их стехиометрии в молекуле стабилизатора. Поскольку поверхностная энергия на ядре коллоидной частицы больше поверхностной энергии на слое потенциалопределяющих ионов, то противоионов адсорбируется на x меньше. Ядро вместе с адсорбционным слоем (слоем потенциалопределяющих ионов и частью противоионов) составляет гранулу. Коллоидная частица (гранула), окруженная противоионами электролита, называется мицеллой. Мицелла – нейтральная частица, а коллоидная частица, как правило имеет заряд, знак и величина которого определяются электрокинетическим потенциалом x, возникающим на границе между адсорбционным и диффузным слоем.
При использовании реакции обмена состав мицелл зависит от того, что к чему приливать!
Напишите формулу мицеллы золя сульфата бария, полученного при взаимодействии раствора хлорида бария с небольшим избытком раствора сульфата натрия?
Решение:
В основе получения золя лежит реакция:
BaCl 2 + Na 2 SО 4 изб. = 2 NaCl + Ba SО 4 ¯
Условием получения золя является избыток Na 2 SО 4 , который является стабилизатором золя.
В растворе будут присутствовать ионы натрия и сульфат-ионы, образующиеся при диссоциации сульфата натрия
Na 2 SO 4 = 2Na + + SO²⁻
На поверхности агрегатов будут адсорбироваться сульфат-ионы.
Образуетсяя ядро коллоидной частицы:
[(BaSO 4) m ∙nSO²⁻
Несущее отрицательный заряд ядро притягивает из раствора ионы противоположного знака, называемые противоионами. В нашем случае в роли противоионов выступают катионы натрия.
формула мицеллы полученного золя:
{[(BaSO 4) m ·nSO²⁻]2(n-x)Na + } 2x- 2xNa +
К какому электроду будут перемещаться частицы золя полученного при взаимодействии нитрата серебра с избытком хлорида натрия?
Решение . При смешивании растворов AgNO3 и NaCl изб. протекает реакция
AgNO3+ NaСl (изб.) = AgСl + NaNO3.
Ядро коллоидной частицы золя хлорида серебра состоит из агрегата молекул (mAgСl) и зарядообразующих ионов Cl ⁻, которые находятся в растворе в избытке и обеспечивают коллоидным частицам отрицательный заряд. Противоионами являются гидратированные ионы натрия.
Формула мицеллы хлорида серебра имеет вид:
[m (AgCl) n Cl – (n– x )Na + ] x – x Na +
Коллоидная частица имеет отрицательный заряд, значит будет перемещаться к положительно заряженному электроду - катоду.
Напишите формулы мицелл коллоидных растворов для следующих веществ:
а) кремниевый кислоты: агрегат m [Н2SiO3], ионный стабилизатор K2SiO3 ® 2K+ + SiO32–
б) гидрозоля золота: агрегат m [Аu], ионный стабилизатор NaAuO2 ® Na + + AuO2–
в) двуокиси олова: агрегат m , ионный стабилизатор K2SnO3 ® 2K+ + SnO32–
Решение:
а) Образование золя кремневой кислоты происходит по реакции
K 2 SiO 3 изб.+ 2HCl = H 2 SiO 3 + 2KCl.
K 2 SiO 3 2K⁺+ SiO₃²⁻
На электронейтральном агрегате частиц (mH 2 SiO 3) адсорбируются ионы элемента, входящего в состав ядра. Таковыми являются ионы HSiO 3 ‾ , которые образуются в результате гидролиза соли K 2 SiO 3:
K 2 SiO 3 + H 2 O KHSiO 3 + KOH или в ионной форме
SiO 3 2− + H 2 O HSiO 3 ‾ + OH ‾ .
Ионы HSiO 3 ‾ , адсорбируясь на поверхности частиц золя кремниевой кислоты, сообщают им отрицательный заряд. Противоионами являются гидратированные ионы водорода H + . Формула мицеллы золя кремневой кислоты:
{[(m H 2 SiO 3) ·n HSiO 3 ‾ ·(n-x )H + ∙y H 2 O] x − + x H + ∙z H 2 O}.
б) Образование гидрозоля золота происходит при действии восстановителя на соль золотой кислоты в слабощелочной среде:
2NaAuО 2 + 3НСНО + Na 2 CO 3 = 2Аu + ЗНСООNa + NaНСО 3 + Н 2 О.
На агрегате частиц (mAu) адсорбируются ионы элемента, входящего в состав ядра. Таковыми являются ионы AuO 2 ‾ ,
Формула мицеллы золя:
{m·nAuO²⁻·(n-x) Na⁺} x ⁻ ·xNa⁺
в) Образование золя двуокиси олова происходит следующим образом:
K2SnO3 2K⁺ + SnO3²⁻
На электронейтральном агрегате частиц (mSnO 2) адсорбируются ионы элемента, входящего в состав ядра. Таковыми являются ионы SnO 3 2‾:
K 2 SnO 3 SnO 3 2⁻ + 2K⁺
Ионы SnO 3 2‾ , адсорбируясь на поверхности частиц золя, сообщают им отрицательный заряд. Противоионами являются ионы K + . Формула мицеллы золя двуокиси олова:
{[(m SnO 2) n SnO 3 2‾ ·(2n-x )K + ] 2 − + x K + }.