WWW.INFO.Z-PDF.RU
БИБЛИОТЕКА  БЕСПЛАТНЫХ  МАТЕРИАЛОВ - Интернет документы
 


««Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» Кафедра «Химия и химическая технология» ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ Методические указания к выполнению ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Кафедра «Химия и химическая технология»

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Коллоидная химия»

для студентов направлений 15.03.02, 18.03.01, 240100.62

всех форм обучения

Комсомольск-на-Амуре

2015

2743200-34290000

УДК 547

Дисперсные системы: методические указания к лабораторным работам по курсу «Коллоидная химия» / сост. : Т. А. Куликова. – Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2015. - 18 с.

Рассмотрены методы получения и электрические свойства водных

дисперсных систем. Методические указания предназначены для студентов направлений 15.03.02, 18.03.01, 240100.62, изучающих дисциплины «Коллоидная химия» и «Дисперсные системы».

Печатается по постановлению редакционно-издательского совета ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Согласовано с отделом менеджмента качества

Рецензент О. Г. Шакирова

3

1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Дисперсные системы. Коллоидные растворы

Системы, в которых одно вещество измельчено и распределено в другом, представляющем собой непрерывную фазу, называются дисперсными. Первое вещество называется дисперсной фазой (дисперсоидом), второе – дисперсионной средой.

По степени дисперсности, определяемой величиной обратного диаметра частиц (D = 1/d), дисперсные системы разделяются на высокодисперсные – коллоидные растворы (размер частиц 10-7 – 10-9 м) и грубодисперсные (размер частиц 10-7 м).

Одним из важнейших свойств дисперсных систем является их устойчивость, т.е. способность сохранять свое первоначальное состояние. Различают седиментационную и агрегативную устойчивость системы.

Седиментационная устойчивость характеризует способность системы к равномерному распределению частиц по всему объему системы. Собственное осаждение дисперсных систем возможно только до определенной степени дисперсности. В коллоидных растворах (высокая степень дисперсности) самопроизвольного осаждения не наблюдается, так как силы тяжести частиц компенсируются их броуновским движением. Коллоидные системы – седиментационно устойчивы.

Агрегативная устойчивость коллоидных систем характеризует способность частиц не слипаться и сохранять первоначальный размер. Коллоидные системы – агрегативно не устойчивы, так как обладают высоким значением свободной поверхностной энергии диспергированного вещества, что является следствием их гетерогенности и высокой дисперсности.

Для придания частицам агрегативной устойчивости необходимо создание на поверхности частиц защитных слоев: двойных электрических слоев (ДЭС) за счет избирательной адсорбции полярных молекул или ионов, приводящих к возникновению электростатического отталкивания, а также сольватных и адсорбционно-сольватных слоев, препятствующих в силу своих структурно-механических свойств соприкосновению и слипанию частиц.

Методы получения коллоидных растворов

Все способы получения дисперсных систем сводятся к двум методам – диспергирования и конденсации. Под диспергированием понимают дробление и измельчение, под конденсацией – образование гетерогенной дисперсной системы из гомогенной в результате ассоциации молекул, атомов

4

или ионов в агрегаты. Различают методы химической и физической конденсации получения коллоидных систем (золей).

Первые основаны на образовании малорастворимых соединений с помощью химических реакций восстановления, окисления, обмена и других, например:

2 HAuCl4 + 3 H2O2 2 Au + 8 HCl + 3 O2,

2 H2S + SO2 2 H2O + 3 S,

Na2SiO3 + H2SO4 H2SiO3 + Na2SO4,

FeCl3 + 3 H2O Fe(OH)3 + 3 HCl,

AgNO3 + KI AgI + KNO3.

Чтобы получить не осадок, а золь, необходимо или вести реакцию в разбавленном растворе, чтобы скорость роста частиц была невелика и они получались мелкие, или одно из реагирующих веществ взять в избытке для образования на поверхности кристаллика достаточного электрического потенциала. Так можно получать монодисперсные системы, однородные по степени дисперсности.

Вторые основаны на получении золей чисто физическим путем, например, пропусканием паров одного вещества в другое, заменой растворителя посредством вливания в воду при сильном перемешивании неводного раствора практически нерастворимых в воде веществ. В этом случае растворитель, в котором растворено вещество, должен смешиваться с водой.

Используя эти процессы, можно получить полидисперсные системы с диаметром отдельных частиц, измеряющихся в широких пределах.

Из способов получения коллоидных систем методом диспергирования можно выделить физико – химическое дробление осадков (пептизация), которое можно осуществить тремя способами: адсорбционная пептизация, пептизация путем поверхностной диссоциации, пептизация путем промывания осадка.

Во всех случаях пептизация рыхлых осадков с переводом их в коллоидный раствор обусловлена возникновением ДЭС на частицах осадка.

5

Строение коллоидных растворов

Коллоидный раствор (золь) представляет собой высокодисперсную систему из отдельных сложных частиц дисперсоида – мицелл – и жидкой дисперсионной среды. Мицеллы дисперсоида неоднородны и имеют сложное строение.

Рассмотрим строение мицеллы на примере образования золя гидроксида железа (ІІІ), который получается в результате быстрого гидролиза FeCl3 при вливании его раствора в кипящую воду (реакция приведена выше), и при этом зарождается большое число частиц Fe(OH)3, которые и служат ядром коллоидной частицы.

На поверхности этих агрегатов сорбируются ионы Fe3+ (потенциалопределяющие), удерживающие около себя частично ионы хлора. Ядро вместе с адсорбированными ионами называется частицей, а вместе с противоионами, нейтрализующими эту частицу, получаем мицеллу, строение которой можно представить в виде следующей формулы:

9391655842000

ядро адсорбционный диффузный

слой слой

коллоидная частица

мицелла

Частица коллоидного раствора гидроксида железа (ІІІ) будет иметь положительный заряд.

Таким образом, коллоидная частица имеет заряд, а мицелла электронейтральна.

Адсорбция ионов из раствора на поверхности ядра подчиняется правилу Фаянса.

На поверхности ядра мицеллы адсорбируются из раствора преимущественно те ионы, которые в растворе содержатся в избытке и входят в кристаллическую решетку вещества, образующее ядро.

Можно получить коллоидные растворы одного и того же вещества, но с различными зарядами частиц. Например, амфотерный гидроксид алюминия в присутствии кислоты заряжается положительно, а в щелочной среде поверхность приобретает отрицательный заряд.

6

Распределение электрических зарядов в коллоидной частице создает двойной электрический слой.

Если мицелла находится во внешнем электрическом поле, то наблюдается электрофорез – движение частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды к одному из электродов под действием внешнего электрического поля. Он обнаруживается экспериментально по выделению на одном из электродов (или около него) частиц дисперсной фазы, а также по смещению границы раздела коллоидный раствор – дисперсионная среда к одному из электродов.

Внешнее электрическое поле действует на заряды двойного электрического слоя: ядро мицеллы вместе с прочно адсорбированными на нем противоионами движется к одному из электродов, а остальные противоионы перемещаются к другому электроду.

С помощью электрофореза можно определить знак заряда частиц дисперсной фазы.

Коагуляция коллоидных растворов

Коагуляция – слипание частиц – является термодинамически выгодным и самопроизвольным процессом, поскольку ведет к уменьшению поверхности раздела фаз и свободной поверхностной энергии.

Коагуляция частиц ускоряется при добавлении в коллоидную систему электролита. Минимальная концентрация электролита, вызывающая за определенный промежуток времени видимый эффект коагуляции (изменение цвета, помутнение, появление осадка) называется порогом коагуляции или критической концентрацией ( Скр ).Эта величина служит сравнительным критерием агрегативной устойчивости дисперсной системы.

Порог коагуляции зависит от заряда коагулирующего иона. Эта зависимость выражается эмпирическим правилом значности (правилом Шульца – Гарди), согласно которому критическая концентрация иона – коагулятора уменьшается с увеличением его заряда.

Принимая во внимание, что

, (1.1)

где Z - заряд иона – коагулятора,

Дерягин теоретически вывел следующее соотношение:

(1.2)

Расхождение экспериментальных и теоретических данных, наблюдающееся в некоторых случаях, объясняется тем, что коагулирующее

действие ионов зависит не только от величины заряда, но и от специфической адсорбции, не учитываемой уравнением (1.1).

7

Увеличение коагулирующего действия иона с повышением его заряда объясняется более сильным эффектом сжатия ДЭС ионами с большим зарядом; многозарядные ионы могут вызвать также перезарядку поверхности.

При коагуляции многозарядными ионами ( Al3+; Fe3+; Th4+ и др.) наблюдается чередование концентрационных зон устойчивого и неустойчивого состояния раствора – неправильные ряды (рис. 1.1).

Перезарядка поверхности приводит к изменению структуры ДЭС:

зона концентраций О – С1 - зона устойчивого состояния системы;

зона концентраций С1 – С2 - нейтрализационная коагуляция; происходит сжатие ДЭС ионами Al3+, которые, адсорбируясь на отрицательно заряженной поверхности, вызывают ее нейтрализацию;

зона концентраций С2 – С3 - агрегативная устойчивость частиц; обусловленная новым ДЭС;

при концентрациях, превышающих С3, система неустойчива - концентрационная коагуляция, вызванная сжатием диффузного слоя, состоящего в этом случае из анионов, при увеличивающейся концентрации электролита.

Таким образом, при действии многозарядных ионов – коагуляторов обнаруживаются три порога коагуляции, соответствующие концентрациям С1, С2 и С3. 1079500137414000159829520472400010795002821940001092200139954000

796290124460

-

287020020193000 0

43434003175С

00С

25146003175С3

00С3

16002003175С200С28001003175С100С1

Рисунок 1.1 - Неправильные ряды

(для системы: отрицательно заряженный золь + Al(NO3)3 8

2 ЭКСПЕРИМЕНТ

2.1 Лабораторная работа 1

Получение дисперсных систем и определение знака заряда частиц

методом электрофореза

Содержание работы

1) Получить золи различными способами. Определить заряд частиц. Составить формулы мицелл.

2) Получить эмульсию физическим способом по методу диспергирования. Определить тип эмульсии. Проверить обращение фаз.

2.1.1 Методы химической конденсации

Опыт 1 Золь диоксида марганца

Восстановление соли марганца ведут при помощи аммиака.

5 мл 1,5 %-го раствора KMnO4 разбавляют водой до 100 мл и нагревают до кипения. В течение примерно 15 мин вводят небольшими порциями (примерно по 0,5 мл) 5 мл концентрированного раствора аммиака. Образуется красно-коричневый золь диоксида марганца.

Опыт 2 Золь диоксида марганца

Соль марганца восстанавливают гипосульфитом. Для этого 5 мл

1,5%-го раствора KMnO4 разбавляют водой до 50 мл. В разбавленный раствор вводят по каплям 1,5 – 2 мл 1 %-го раствора Na2S2O3. Образуется вишнево-красный золь диоксида марганца.

Опыт 3 Золь гексацианоферрата (ІІ) железа (ІІІ)

(берлинской лазури)

0,1 мл насыщенного на холоду раствора FeCl3 разводят в 100 мл воды. В разбавленный раствор вводят при взбалтывании 1 каплю 20 %-го раствора K4[Fe(CN)6]. Образуется синий золь Fe4[Fe(CN)6]3 - гексацианоферрата (ІІ) железа (ІІІ).

Опыт 4 Золь гексацианоферрата (ІІ) железа (ІІІ)

(берлинской лазури)

0,5 мл 20 %-го раствора K4[Fe(CN)6] разбавляют водой до 100 мл. К разбавленному раствору добавляют при взбалтывании одну каплю насыщенного раствора FeCl3. Образуется прозрачный синего цвета золь

9

Fe4[Fe(CN)6]3 - гексацианоферрата (ІІ) железа (ІІІ). От двух капель раствора FeCl3 золь еще больше синеет.

Опыт 5 Золь гексацианоферрата (ІІ) меди (ІІ)

0,5 мл 20 %-го раствора K4[Fe(CN)6] разбавляют до 100 мл водой. В разбавленный раствор прибавляют 3 – 4 капли 10 %-го раствора CuSO4 при взбалтывании. Образуется красно-бурого цвета золь Cu2[Fe(CN)6] – гексацианоферрата (ІІ) меди (ІІ).

Опыт 6 Золь гексацианоферрата (ІІ) кобальта

2 мл 20 %-го раствора K4[Fe(CN)6] разбавляют водой до 100 мл. В этот раствор медленно при взбалтывании вводят 6 – 7 мл 0,1 %-го раствора CoSO4. Образуется зеленого цвета золь Co2[Fe(CN)6] - гексацианоферрата (ІІ) кобальта.

Опыт 7 Золь гидроксида железа (ІІІ)К 100 мл кипящей воды прибавляют 3 – 4 капли насыщенного раствора FeCl3. При этом энергично протекает гидролиз хлорида железа и появляющиеся молекулы гидроксида железа (ІІІ) конденсируются в коллоидные частицы. Образуется золь гидроксида железа (ІІІ) вишнево-красного цвета.

Методы физической конденсации (замена растворителя)

Опыт 1 Золь серы

К 50 мл воды добавляют при взбалтывании 1 мл насыщенного (без нагревания) раствора серы в ацетоне (из капельницы). Образуется голубовато-белый опалесцирующий золь серы в воде с отрицательно заряженными коллоидными частицами.

Опыт 2 Золь серы

К 50 мл воды добавляют при взбалтывании 4 – 5 мл насыщенного (без нагревания) раствора серы в этиловом спирте (из капельницы). Образуется голубоватый опалесцирующий золь серы с отрицательно заряженными коллоидными частицами.

Опыт 3 Золь парафина

К 50 мл воды добавляют (из капельницы) при взбалтывании 1 мл насыщенного (без нагревания) раствора парафина в этиловом спирте. Получается опалесцирующий золь парафина в воде с отрицательно заряженными коллоидными частицами.

10

Методы пептизации

Адсорбционная пептизация

Опыт 1 Золь гидроксида железа (ІІІ)Гидроксид железа (ІІІ) получают при взаимодействии

хлорида железа (ІІІ) с аммиаком, для чего 1 мл насыщенного (без нагревания) раствора FeCl3 разбавляют водой до 20 мл. К раствору FeCl3 прибавляют концентрированный раствор аммиака и получают осадок Fe(OH)3.

Осадок декантируют несколько раз водой для удаления электролитов и обрабатывают разбавленным раствором хлорида железа (ІІІ), для чего 2 мл его насыщенного раствора разводят водой до 100 мл. Образуется вишнево-красный золь гидроксида железа (ІІІ).Опыт 2 Золь гексацианоферрата (ІІ) железа (ІІІ)

(берлинской лазури)

1,5 мл 20 %-го раствора K4[Fe(CN)6] разбавляют водой до 100 мл и к этому раствору прибавляют 0,5 мл насыщенного раствора FeCl3. Выпадает осадок берлинской лазури, который переносят на фильтр, промывают водой и заливают на фильтре раствором щавелевой кислоты концентрации 0,05 кмоль/м3. Осадок пептизируется щавелевой кислотой, и через фильтр проходит синий золь берлинской лазури.

Опыт 3 Золь гексацианоферрата (ІІ) меди (ІІ)

Смешивают 1 мл 20 %-го раствора K4[Fe(CN)6] с 5 мл 2 %-го раствора CuCl2. Выпавший осадок переносят на воронку с бумажным фильтром, промывают водой, переносят в колбу и заливают 1 %-ым раствором (NH4)2C2O4. При взбалтывании получается красно-бурый золь Cu2[Fe(CN)6] - гексацианоферрата (ІІ) меди (ІІ).

Пептизация путем отмывания осадка от электролитов

Опыт 1 Золь гексацианоферрата (ІІ) железа (ІІІ)

(берлинской лазури)

Получают пасту (осадок) при добавлении к 5 каплям насыщенного раствора хлорида железа 1 капли 20 %-го раствора K4[Fe(CN)6]. Пасту слегка размешивают палочкой и разбавляют большим объемом воды. Получается синий золь Fe4[Fe(CN)6]3 - гексацианоферрата (ІІ) железа (ІІІ). При этом часть осадка остается нерастворенной.

11

Опыт 2 Золь гексацианоферрата (ІІ) меди (ІІ)

Получают осадок Cu2[Fe(CN)6] смешиванием 1 мл 20 %-го раствора K4[Fe(CN)6] с 5 мл 2 %-го раствора CuCl2. Осадок переносят на бумажный фильтр и промывают водой. Сперва фильтрат бесцветен, затем начинает медленно проходить красно-бурый золь Cu2[Fe(CN)6] - гексацианоферрата (ІІ) меди (ІІ).

Пептизация за счет поверхностного растворения коллоидныхчастиц

Опыт 1 Золь гидроксида железа

Получают осадок гидроксида железа действием аммиака на хлорид железа (ІІІ). Для этого 2 мл насыщенного раствора FeCl3 разбавляют водой до 40 мл и в этот раствор добавляют концентрированный раствор аммиака до полного осаждения ионов железа. Осадок декантируют несколько раз водой для удаления электролитов и затем делят на две примерно равные порции, которые переносят в отдельные колбы:

1) 50 мл раствора HCl концентрации 0,1 кмоль/м3 разбавляют до 100 мл водой, добавляют в одну из колб с осадком и взбалтывают; осадок полностью растворяется с образованием хлорида железа (ІІІ) (раствор желтого цвета);

2) 20 мл раствора HCl концентрации 0,1 кмоль/м3 разбавляют до 100 мл водой и вносят во вторую колбу с осадком гидроксида железа (ІІІ). При встряхивании образуется золь вишнево-красного цвета.

Во втором случае, т.е. при недостатке HCl для полного растворения осадка, кислота реагирует только с поверхностными молекулами гидроксида железа(ІІІ). Продукт реакции FeCl3 диссоциирует с поверхности коллоидных частиц с образованием двойного слоя ионов.

Электрофорез

Для определения заряда частиц дисперсной фазы полученный золь наливают в U- образный сосуд и опускают в каждое колено электроды, подключенные к источнику постоянного тока. Включают ток и наблюдают помутнение вблизи положительного или отрицательного электрода. Скопление частиц у положительного электрода свидетельствует об их отрицательном заряде. При положительном заряде частиц такое скопление можно легко заметить вблизи отрицательного электрода.

12

Получение эмульсии и определение её типа

Тип эмульсии, образующейся при механическом диспергировании жидкостей, зависит от соотношения объемов фаз.

Жидкость, содержащаяся в большем объеме, обычно становится дисперсионной средой. При равном объемном содержании двух жидкостей возникают эмульсии обоих типов, но «выживает» та, которая имеет более высокую устойчивость и определяется природой эмульгатора. Щелочные соли жирных кислот дают эмульсии типа М/В. Изменение природы эмульгатора может привести к обращению фаз эмульсий и переходу её из одного типа в другой. Этим объясняется тот факт, что добавление солей двухвалентных металлов к эмульсии М/В, стабилизированной натриевым (калиевым) мылом, приводит к обращению фаз эмульсий, так как кальциевое (магниевое) мыло лучше растворимо в масле, чем в воде.Для получения эмульсии наливают в цилиндр емкостью 100 мл 20 мл раствора поверхностно-активного вещества (ПАВ), являющегося эмульгатором (например, 0,1М раствор олеата натрия или додецилсульфата натрия), и добавляют в него 5 мл вазелинового масла или другой жидкости (по указанию). Проводят диспергирование жидкости при интенсивном перемешивании мешалкой в течение 10 минут. Делят полученную эмульсию на две части. В одну часть вводят при перемешивании 2,5 мл 0,5М раствора MgCl2 или СаCl2.

После получения эмульсии определяют её тип следующими способами:

Каплю эмульсии и каплю воды помещают на предметное стекло и

наклоняют так, чтобы капли соприкоснулись. Если они сольются, то дисперсной средой является вода, если не сольются – масло.

Каплю эмульсии вносят в пробирку с 10 мл воды и встряхивают.

Если капля равномерно распределяется в воде – это эмульсия М/В. Капля эмульсии М/В диспергироваться в воде не будут и остаются на поверхности.

На фильтрованную бумагу наносят каплю эмульсии. Капля эмуль-

сии М/В сразу всасывается бумагой, на которой остается жирное пятно. Капля эмульсии В/М не всасывается.

Водорастворимый краситель, например, метиленовый оранжевый,

окрашивает эмульсию М/В по всему объему равномерно. Эмульсия В/М будет равномерно окрашиваться по всему объему маслорастворимым красителем.

Тип эмульсии можно также определить по методу элктропроводнос-

сти. Высокие значения электропроводности указывают на то, что дисперсионной средой является полярная жидкость, а эмульсия относится к типу М/В. Малые значения электропроводности показывают на образование обратной эмульсии (В/М).

13

Лабораторная работа 2

Определение порогов коагуляции и знака заряда частиц

визуальным методом

2.2.1 Содержание работы

Определить визуальным способом пороги коагуляции для золя раз-

ными электролитами, найти соотношение между ними.

Определить коагулирующие ионы в электролитах для данного золя

и сделать вывод о заряде частиц.

Работа проводится с приготовленным заранее золем и пятью растворами электролитов, содержащих анионы и катионы разного заряда, как, например: KNO3, Ba(NO3)2, Al(NO3)3, K2SO4, K3(COO)3C3H4OH (цитрат калия).

В ряд чистых и сухих пробирок наливают по 1 см3 коллоидного раствора, в одну из них добавляют 1 см3 дистиллированной воды – эта пробирка будет служить эталоном для сравнения.

В чистую пробирку наливают 2 см3 раствора одного из электролитов, отбирают из нее пипеткой 1 см3 и приливают его в первую пробирку с золем, после перемешивания через определенное одинаковое время сравнивают с эталоном. Результат наблюдения записывают в таблицу 2.1 следующими условными обозначениями:

Отсутствие коагуляции -

Слабое помутнение

(изменение цвета) +

Сильное помутнение ++

Выпадение осадка +++

Затем к оставшемуся в пробирке 1 см3 раствора электролита добавляют из бюретки 1 см3 воды (т.е. разбавляют раствор вдвое), после перемешивания отбирают пипеткой 1 см3 полученного раствора, приливают его в следующую пробирку с золем и сравнивают полученную систему с эталоном. Результат наблюдения каждый раз записывают в таблицу 2.1.

Разбавление раствора электролита продолжают до тех пор, пока не будет обнаружен переход от устойчивого состояния к коагуляции.

Порог коагуляции находят для всех пяти электролитов.

При определении коагулирующей концентрации электролита СКР (критическая концентрация) нужно учитывать разбавление раствора электролита золем: концентрация его в смеси с золем вдвое меньше концентрации в добавляемом растворе.

14

Следует иметь в виду, что, если электролит содержит многозарядный ион, может произойти перезарядка поверхности частиц, в этом случае нужно определить не один, а три порога коагуляции.

Сравнив найденные значения порогов коагуляции различных электролитов, определяют знак иона – коагулятора и, соответственно, знак заряда коллоидных частиц исследуемого золя. Затем по экспериментальным данным находят отношение порогов коагуляции для трех электролитов, содержащих ионы – коагуляторы разных зарядов (например: KNO3, Ba(NO3)2 и Al(NO3)3 для отрицательно заряженного золя), для чего найденные значения порогов коагуляции делят на наименьшее его значение – в приведенном примере на.

Полученные результаты сравнивают с вычисленными теоретически по Дерягину (см. уравнение (1.2)).

Таблица 2.1 – Экспериментальные данные определения порогов коагуляции

Номер пробирки

KNO3

-67310825500 C, Эффект

кмоль/м3 коагуля-

ции Ba(NO3)2

С, Эффект

кмоль/м3 коагуля-

ции Al(NO3)3

С, Эффект

кмоль/м3 коагуля-

цииПродолжение таблицы 2.1

Номер

пробирки

K2SO4

C, Эффект

кмоль/м3 коагуля-

цииK3(COO)3C3H4OH

C, Эффект

кмоль/м3 коагуля-

ции

Лабораторная работа 3

Исследование зон коагуляции с помощью фотометра

2.3.1 Содержание работы

Получить золь и раствор электролита с многозарядным коагу-

лирующим ионом.

Измерить оптическую плотность растворов с различной концентра-

цией электролита в золе.

15

Построить зависимость оптической плотности от концентрации

коагулирующего иона и найти зоны коагуляции.

Для определения оптической плотности D применяется фотометр фотоэлектрический КФК – 3. Принцип действия фотометра основан на сравнении светового потока Ф0, прошедшего через растворитель или контрольный раствор, и светового потока Ф, прошедшего через исследуемую среду.

Световые потоки Ф0 и Ф фотоприемником преобразуются в электрические сигналы u0, u и uт (uт – сигнал при неосвещенном приемнике), которые обрабатываются микро – ЭВМ фотометра и представляются на цифровом табло в виде оптической плотности.

(2.1)

Для уменьшения влияния рассеянного света в ультрафиолетовой области спектра, установлен светофильтр, который работает в схеме при измерениях в спектральной области 315 – 400 нм. Для получения достаточно стабильных данных прибор следует выдержать во включенном состоянии 30 мин при открытой крышке.

Порядок проведения работы

Готовят достаточное количество проб золя (около 10) объемом 10 – 15 см3 (объемы одинаковые), добавляют в них раствор электролита (пределы концентрации электролита задаются) и воду, так чтобы конечные объемы всех растворов были одинаковы. Пример приготовления растворов приведен в таблице 2.2. Рассчитывают концентрации электролита в золе.

Таблица 2.2 – Экспериментальные данные по исследованию зон коагуляции

194246516256000292989015303500 (электролит -…………….; исходная концентрация -………….)

№ пробы

Компоненты смеси

54419511430000-6477011620500

золь вода электролит общий объем С, моль/м3 D

1

2

3

4

5

.

.

.

.

10 10 5 0 15

10 4,5 0,5 15

10 3,5 1,5 15

10 3 2 15

10 и т.д. и т.д. 15

..

..

..

..

10 15 16

Чтобы получить сравнимые результаты, электролит следует добавлять в золь перед измерением оптической плотности за одно и то же время для всех опытов (например, за 1 мин, за 5 мин и т.д.). Нельзя наливать его сразу во все пробы.

Измеряют последовательно оптическую плотность растворов в следующем порядке:

1) Установить в кюветное отделение кюветы с растворителем или контрольным раствором в дальнее гнездо кюветодержателя, а с исследуемым раствором – в ближнее гнездо кюветодержателя.

Поскольку относительная погрешность измерения оптической плотности раствора достигает минимума при D=0,4,поэтому при работе на фотометре рекомендуется путем выбора длины кювет работать вблизи указанного значения оптической плотности (в пределах от 0,3 до 0,6).

В световой пучок установить кювету с растворителем (рукоятка 4 (см. рис 2.3) – влево до упора).

2) Установить ручкой 2 (см. рис.2.3) длину волны, на которой проводятся измерения прибора. Длина волны высветится на верхнем цифровом табло.

1 – кожух; 2 – ручка; 3 – основание; 4 – рукоятка; 5 – съемная

крышка кюветного отделения

Рисунок 2.3 - Общий вид фотометра

17

3) При закрытой крышке кюветного отделения нажать клавишу «Г». На нижнем цифровом табло слева от мигающей запятой высветится символ «Г» - градуировка фотометра. Нажать клавишу «Е» - измерение оптической плотности. Слева от мигающей запятой высветится символ «Е», а справа - значение «0,000 ± 0,002», означающее, что начальный отсчет оптической плотности (0,000) установился на фотометре правильно. При большом отклонении от данного значения нажать на клавиши «Г», «Е» повторно, соблюдая паузу (3 – 5 с).

Открыть крышку кюветного отделения и нажать клавишу НУЛЬ, закрыть крышку, нажать клавишу «Е».

4. Рукоятку 4 (см. рис. 2.3) устано-

4572008509000 D вить вправо до упора, при этом в

световой пучок вводится кювета с

исследуемым раствором. Отсчет на

световом табло справа от мигающей запятой соответствует оптической

плотности исследуемого раствора.

5. Повторить операции по п.п. 1-4

три раза, вычислить среднее арифме-

I II III IV тическое значение измеряемой вели-

чины.

lg c Результаты эксперимента записы-

вают в таблицу 2.2. Затем строят за-

I, II – зоны устойчивости золя; висимость оптической плотности D

III, IV – зоны коагуляции от концентрации коагулирующего

иона ( или lg c ) и находят зоны коа-

Рисунок 2.4 – Определение гуляции (рисунок 2.

4).

зон коагуляции с помощью

фотометра КФК – 3

3 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Факторы, обусловливающие агрегативную устойчивость коллоидных систем.

2 Что называется коагуляцией? Почему она является термодина-мически выгодным, самопроизвольным процессом?

3 Порог коагуляции и коагулирующая способность. Правило Щульца – Гарди.

4 Явление неправильных рядов.

5 Правило Дерягина.

6 Что такое электрофорез, электроосмос?

18

7 Получение дисперсных систем.

8 Что такое седиментационная устойчивость?

9 Строение мицеллы. Правило Фаянса.

10 Эмульсии, их получение и стабилизация.

11 Эмульсии прямые и обратные. Определение типа эмульсии. Обращение фаз в эмульсии.

4 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

1) Работу с ядовитыми веществами производить в вытяжном шкафу.

2) При приготовлении растворов из концентрированных кислот применять пипетки с грушами.

3) Дозировку сухих веществ производить при помощи специального шпателя.

4) Содержимое пробирок после опыта сливать в специальные склянки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1) Фролов, Ю. Г. Курс коллоидной химии / Ю. Г. Фролов – М. : Химия, 1982. – 400 с.

2) Баранова, В. И. Практикум по коллоидной химии / В. И. Баранова – М. : Высшая школа, 1983. – 215 с.

3) Воюцкий, С. С. Практикум по коллоидной химии и электронной микроскопии / С. С. Воюцкий, Р. М. Панич,– М. : Химия, 1974. – 224 с.

4) Романцева, Л. М. Сборник задач и упражнений по общей химии / Л. М. Романцева, З.Л. Лещинская, В.А. Суханова – М.: Высшая школа, 1980. – 222 с.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Кафедра «Химия и химическая технология»

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Коллоидная химия»

для студентов направлений 15.03.02,18.03.01, 240100.62

всех форм обучения

Комсомольск-на-Амуре

2015

2743200-34290000

УДК 547

Поверхностные явления: методические указания к лабораторным работам по курсу «Коллоидная химия» / сост. : Т. А. Куликова. – Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2015. - 20 с.

Рассмотрены такие поверхностные явления, как адсорбция и адгезия. Методические указания предназначены для студентов специальности 550800, 240100, изучающих дисциплину «Коллоидная химия» и «Дисперсные системы».

Печатается по постановлению редакционно-издательского совета ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Согласовано с отделом менеджмента качества

Рецензент О. Г. Шакирова

3

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

1.1 Поверхностное натяжение

Поверхностные слои любой конденсированной фазы (жидкость, кристалл) обладают свободной энергией за счет неуравновешенности силовых полей частиц, образующих границу раздела. Свободная поверхностная энергия F выражается уравнением:

F = · S,

где S – поверхность; – свободная энергия единицы поверхности (удельная свободная поверхностная энергия).

Удельную свободную поверхностную энергию на границе какого-либо вещества с собственным паром называют поверхностным натяжением, а на границе двух фаз – межфазным поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение, играющее важную роль при исследовании поверхностных явлений, имеет два определения: силовое и энергетическое. В первом случае – это сила, действующая на единицу длины контура, ограничивающего поверхность, по касательной к поверхности и стремящаяся её сократить. Во втором случае – это работа образования единицы новой поверхности, совершаемая в изотермическом и обратимом процессе.

Как следует из определений, поверхностное натяжение измеряется в системе СИ: Н/м или Дж/м2, соответственно.

Так как – обратимая работа, совершаемая против сил межмолекулярного взаимодействия, то она зависит от полярности жидкости. Чем сильнее межмолекулярные связи в данном теле, тем больше его поверхностное натяжение на границе с газовой фазой. (На границе с газовой фазой можно пренебречь межфазовым взаимодействием.) Следовательно, поверхностное натяжение меньше у неполярных и больше у полярных жидкостей; оно больше также у веществ, имеющих межмолекулярные водородные связи.

Измерение энергии и силы разрыва межмолекулярных связей лежит в основе многих методов определения поверхностного натяжения тел. Методы измерения поверхностного натяжения жидкостей подразделяются на статические или полустатические (при неподвижных или медленно образующихся поверхностях раздела) и динамические (при движущихся и непрерывно обновляющихся поверхностях раздела).4

К первым методам относятся методы капиллярного поднятия, максимального давления в пузырьках и каплях, сталагмометрический (отрывающейся капли), отрыва кольца и втягивания пластины. Эти методы позволяют измерять равновесные значения поверхностного натяжения.

Ко вторым методам относятся методы капиллярных волн и колеблющейся струи. Эти методы сложны, позволяют определять неравновесное значение.

Поверхностное натяжение твердых тел определяется с большими трудностями и, как правило, косвенными методами.

1.2 Адсорбция

Поверхностная энергия стремится самопроизвольно уменьшиться. Это выражается в уменьшении межфазной поверхности (коагуляция) или поверхностного натяжения. К явлениям, происходящим вследствие стремления к самопроизвольному снижению поверхностного натяжения, относится адсорбция. Адсорбцией называют процесс самопроизвольного изменения концентрации растворенного вещества в поверхности по сравнению с концентрацией его в объеме фазы.

В многокомпонентных системах (раствор) в поверхностный слой предпочтительнее переходит тот компонент (растворитель, растворенное вещество), который сильнее уменьшает межфазное (поверхностное) натяжение.

Существуют две общие закономерности адсорбции:

при прочих равных условиях сильнее адсорбируются те

газы, которые легче конденсируются в жидкость или обладают более высокой температурой кипения в жидком состоянии;

при прочих равных условиях из раствора лучше

сорбируются те вещества, которые обладают меньшей растворимостью.

Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называют адсорбентом. Адсорбент может быть твердым и жидким. Вещество, которое адсорбируется (газообразное или жидкое), называется адсорбтивом, а это вещество в адсорбированном состоянии называется адсорбатом.

Для количественного описания адсорбции применяют, в основном, две величины. Одна измеряется числом молей или граммов, приходящимся на единицу поверхности или на единицу массы адсорбента (для твердого в порошкообразном состоянии), её принято обозначать буквой. Другая определяется избытком вещества в поверхностном слое по сравнению с его количеством в таком же объеме фазы, отнесенным к единице площади поверхности или единице массы адсорбента. Эту величину называют гиббсовской адсорбцией и обозначают буквой Г.

5

Связь между адсорбцией вещества в поверхностном слое раствора, поверхностным натяжением и концентрацией раствора выражается уравнением Гиббса:

Г=-СRTddC (1.1)

где Г – удельная адсорбция растворенного вещества, моль/м2 ; С – равновесная концентрация раствора;

– поверхностное натяжение раствора;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – термодинамическая температура.

Это уравнение справедливо для разбавленных растворов, в которых при изменении концентрации растворенного вещества практически не изменяется концентрация растворителя.

Гиббсовская адсорбция может быть положительной и отрицательной. Знак и величина её зависят от природы как адсорбируемого вещества, так и среды (растворителя) и определяются производной ddC.

Положительно адсорбируются вещества, менее полярные, чем растворитель; они называются поверхностно-активными веществами (ПАВ). К ним относят спирты, жирные кислоты, амины и другие. Молекулы ПАВ состоят из неполярной (углеводородной) и полярной (функциональные группы –ОН, -СООН, -NН2 и другие) частей. Такие молекулы называются дифильными. Двойственный характер дифильных молекул проявляется при адсорбции, когда они ориентируются в адсорбционном слое полярной группой в сторону полярной фазы, а неполярной – в сторону неполярной фазы.

Отрицательно адсорбируются вещества, более полярные, чем растворитель; они называются поверхностно-инактивными веществами (ПИВ). К ним относят сильные электролиты (например, неорганические соли), ионы которых взаимодействуют с водой сильнее, чем молекулы воды между собой. При добавлении таких веществ к воде поверхностное натяжение повышается.

Для описания адсорбции газа на твердой поверхности используют уравнение Лангмюра:

= kc 1+kc, (1.2)

где - предельная величина удельной адсорбции при полном насыщении слоя; k – постоянная, характеризующая сродство адсорбируемого вещества к поверхности адсорбента.

6

Поскольку концентрация адсорбтива в газовой фазе (а также и в разбавленном растворе) ничтожно мала по сравнению с адсорбционным слоем, то поверхностный избыток (Г) здесь практически совпадает с абсолютным количеством адсорбированного вещества () в поверхностном слое, Г.

Используя уравнение Лангмюра, можно рассчитать предельное (максимальное) количество адсорбированного вещества Г на границе Г/Ж;

, (1.3)

В теории Лангмюра предполагается, что в пределе на поверхности образуется насыщенный мономолекулярный слой из молекул ПАВ (так называемый частокол Лангмюра), которому соответствует Г=Г. Это позволяет рассчитать размеры молекул ПАВ (площадь, занимаемую молекулой в адсорбционном слое, длину молекулы) по величине Г =.

Для нахождения удельной поверхности твердого адсорбента используют эмпирическое уравнение Фрейндлиха, которое хорошо количественно описывает процесс адсорбции из газовой фазы и из растворов:

= kp1/n или = kс1/n, (1.4)

где - количество адсорбированного вещества ( =, где m – навеска адсорбента; x– изменение массы адсорбента в результате адсорбции); p – давление газа при достижении равновесия; с- равновесная концентрация ПАВ после адсорбции; k и n – эмпирические константы для данного адсорбента и данной температуры.

1.3 Адгезия

В гетерогенных системах различают межмолекулярные взаимодействия внутри фаз – когезию (притяжение) и между фазами – адгезию (прилипание).

Различают адгезию между жидкостями, между жидкостью и твердым телом и между твердыми телами.

Адгезия – результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии. Поэтому адгезия является самопроизвольным процессом при соответствующих условиях. Работа адгезии (Аа) характеризует прочность адгезионной связи и определяется работой

7

обратимого разрыва разнородных фаз, отнесенной к единице площади контакта. Она измеряется в тех же единицах, что и поверхностное натяжение (Дж/м2). Соотношение между работой адгезии и поверхностным натяжением взаимодействующих компонентов (например, капля жидкости на поверхности твердого тела) может быть выражено уравнением Дюпре:

Аа = 1 + 2 – 12, (1.5)

где 1, 2 и 12 – поверхностное натяжение на границах раздела твердое тело – газ, жидкость – газ и твердое тело – жидкость соответственно.

Для границы раздела твердое тело – жидкость расчет по уравнению (1.5) невозможен, так как 1 и 12 неизвестны. Смачивание твердых тел на практике чаще всего оценивают краевым углом между поверхностью твердого тела и касательной, проведенной к поверхности жидкости из любой точки периметра смачивания, то есть линии соприкосновения трех фаз, ограничивающей площадь контакта капли с поверхностью. Краевой угол, или угол смачивания, отсчитывают со стороны жидкости (рисунок 1.1).

а) б)

Рисунок 1.1 – Краевые углы: а – смачивание <90о;

б – несмачивание >90о

Равновесие капли на поверхности твердого тела выражается уравнением Юнга:

1 = 12 + 2· cos. (1.6)

С учетом 1.6 уравнение 1.5 примет вид, не содержащий неизмеримых величин (уравнение Юнга-Дюпре):

Аа = 2 (1 + cos ). (1.7)

Угол, определяемый из выражения (1.7), является равновесным краевым углом.

8

Поверхности, для которых угол смачивания изменяется в диапазоне 90о< < 180 о, называются лиофобными, а при 0о< < 90 о – лиофильными.

2 ЭКСПЕРИМЕНТ

2.1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

АДСОРБЦИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА ЖИДКОСТЬ – ГАЗ

2.1.1 Порядок выполнения работы

Исследовать зависимость поверхностного натяжения на границе

водный раствор-воздух от концентрации поверхностно-активного вещества (ПАВ). Построить изотерму поверхностного натяжения = f(Cпав).

Построить изотерму адсорбции Г= f(Cпав) с использованием уравне-

ния Гиббса.

Построить зависимость С/Г= f(C) и найти величину предельной

адсорбции Г.

Рассчитать параметры адсорбционного слоя Sо и (размеры молекулы ПАВ) с использованием данных о величине Г.

Для построения изотермы на границе раздела жидкость – газ необходимо найти экспериментальную зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ в растворе – изотерму = f(C). Для определения поверхностного натяжения служит метод измерения наибольшего давления, необходимого для образования и отрыва пузырька газа.

Прибор состоит из колбочки 2, закрывающейся резиновой пробкой, через которую проходит пипетка с капиллярным кончиком 3, толуольного манометра 1 и водяного эжектора 5, служащего для создания разрежения в системе (рисунок 2.1). Успех работы во многом зависит от чистоты колбочки и пипетки. 4, 6 – краны.

В чистую сухую колбочку 2 с помощью чистой и сухой мерной

пипетки наливают точно 1см3 раствора исследуемого ПАВ (по заданию).

Колбочку 2 с раствором плотно закрывают резиновой пробкой (полез-но слегка смочить пробку чистой водой). Пипетку 3, вращая в пробке,

9

295338515621000осторожно передвигают так, чтобы

капиллярный кончик пипетки только соприкоснулся с жидкостью, но не погружался в неё (отсутствие погружения совершенно обязательно). Во избежание попадания жировых загрязнений в жидкость нельзя касаться пальцами конца пипетки.

3) При открытом кране 4

отмечают с погрешностью не более

0,5мм и записывают значение уровня жидкости в одном из колен манометра, обычно не совпадающее с нулевой точкой шкалы (например 2,5 мм выше нуля, 4 мм ниже нуля). Рисунок 2.1 – Схема установки для

В дальнейшем все измерения проводят поверхностного натяжения

по одному этому колену манометра.

4) Присоединив колбочку 2 к системе (см. рисунок 2.1), испытывают последнюю на герметичность. Для этого закрывают кран 4, и, открыв кран 6, выпускают небольшое количество жидкости из эжектора 5, создавая в системе некоторое разрежение. Затем кран 6 закрывают. Если разность уровней на манометре не уменьшается в течение 2-3 минут, то система достаточно герметична и можно приступать к измерениям. В противном случае проверяют плотность соединения резиновых пробок и трубок со стеклом.

5) Убедившись в герметичности прибора, медленно увеличивают разрежение в системе, для чего при закрытом кране 4 по каплям выпускают воду из крана 6. Под влиянием разности давлений атмосферного и внутри системы на капиллярном конце пипетки, соприкасающейся с жидкостью, образуется пузырек воздуха, который затем отрывается. Скорость образования и отрыва пузырька регулируется изменением скорости вытекания воды из крана 6 с таким расчетом, чтобы образование пузырька происходило в течение 5-10 с, что необходимо для установления адсорбционного равновесия в поверхности пузырька. Моменту отрыва пузырька воздуха соответствует некоторое разрежение в системе, которое измеряется по высоте H столба манометрической жидкости в одном из колен манометра с погрешностью не более 0,5 мм. Так как давление воздуха в пузырьке больше, чем в системе, то в момент отрыва и разрушения пузырька разрежение в колбочке уменьшается и происходит некоторое падение столба

10

манометрической жидкости. Затем разрежение вновь нарастает, формируется и отрывается новый пузырек воздуха и т.д. Таким образом, периодически (через 5-10 с) разность давлений достигает максимума, затем падает и т.д.

Отметив несколько значений максимальной высоты H, открывают кран 4 и выжидают восстановление начального уровня манометрической жидкости.

Внеся в полученное значение H поправку на начальный уровень жидкости в манометре, записывают полученный результат в таблицу 2.1 (1-е измерение). Таким же путем проводят не менее пяти измерений с одним раствором. Разница между параллельными измерениями обычно не превышает 1 мм. Следует помнить, что отсчет максимальной высоты столба H со всеми растворами нужно вести в одном и том же колене манометра.

Примечание. При измерениях высоты H не следует брать первого ее значения, которое обычно бывает выше всех остальных.

Вынув пробку из колбочки 2, приливают к раствору из бюретки

1см3 воды, разбавляя тем самым исходный раствор вдвое. Плотно закрыв колбочку пробкой (с пипеткой), перемешивают раствор круговыми движениями колбочки. Затем тщательно промывают кончик пипетки раство-

ром, осторожно набирая и выдавливая из кончика пипетки жидкость с помощью резиновой трубочки, надетой на пипетку. Такую операцию повторяют 5-7 раз, чтобы в капиллярном кончике пипетки не осталось раствора более высокой концентрации.

Затем, как и в предыдущем случае, регулируют высоту пипетки, чтобы ее конец соприкоснулся с поверхностью жидкости, и измеряют высоту H по манометру для разбавленного вдвое раствора описанным выше способом.

Таблица 2.1 - Экспериментальные данные

Экспериментальные данные Объём воды для разбавления, см3 Чистая вода

0 1 2 4 8 16 32 Концентрация раствора С, кмоль/м3 H*103, м

1-е измерение

2-е измерение

3-е измерение

4-е измерение

5-е измерение Hсред*103,м H0=

*103,Дж/м20=

11

Разбавляют находящийся в колбочке раствор вновь вдвое, для чего в колбочку из бюретки вводят 2см3 воды, повторяют все операции и измеряют H.

Затем к раствору добавляют последовательно 4, 8, 16 и 32 см3 воды (шесть раз последовательно разбавляют раствор вдвое).

Для каждого раствора измеряют высоту H, предварительно тщательно промыв кончик пипетки.

Все результаты измерений заносят а таблицу 2.1

8)После окончания измерений Н при всех концентрациях тщательно промывают колбочку и особенно пипетку. Затем определяют константу прибора (капиллярной пипетки) по жидкости, поверхностное натяжение которой известно. Для этого пользуются чистой водой, поверхностное натяжение которой при разных температурах приведено в таблице 2.2.

Константу прибора К находят из выражения

К=оНо, Место для формулы.

где о - поверхностное натяжение воды при температуре опыта;

Но – высота столба жидкости в манометре, соответствующая отрыву пузырька воздуха в опыте с водой.

Таблица 2.2 – Зависимость поверхностного натяжения воды от температуры

Т, оС·103, Дж/м2Т, оС·103, Дж/м210

11

12

13

14

15

16

17

18

19 74,22

74,07

73,93

73,78

73,64

73,49

73,34

73,19

73,05

72,90 20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30 72,75

72,59

72,44

72,28

72,13

71,97

71,82

71,66

71,50

71,35

71,18

Например, К= 72,7510-373,8010-3.=0,985.

Для определения Но наливают в предварительно тщательно вымытую колбочку произвольный объем воды, устанавливают в её поверхности капиллярную пипетку и проводят опыт описанным выше способом.

12

Пользуясь найденной константой К, вычисляют поверхностное натяжение всех растворов:

р-ра = К · Н.

Правильность полученных значений для растворов проверяют у преподавателя и приступают к нахождению изотермы адсорбции.

2.1.2 Расчет изотермы адсорбции по Гиббсу

По полученным экспериментальным данным строят плавную изотерму поверхностного натяжения =f(C), для чего пользуются острым карандашом и лекалом. Целесообразно для этого выбрать наиболее крупный масштаб (по оси ординат откладывают не от нуля).

В кривой =f(C) в 5-7 точках (не обязательно экспериментальных) проводят касательные до пересечения с осью ординат. Прямая, проведенная из точек касания параллельно оси абсцис, отсекает на ординате отрезок А (рисунок 2.2). Длина отрезка А (в масштабе оси ординат):

А=-СddС, (2.1)

так как по построению АС=-ddС.

С

Рисунок 2.2 – Изотермы поверхностного натяжения и адсорбции

Преобразовав уравнение Гиббса (1.1) с помощью выражения (2.1) получают расчетную формулу для Г:

Г=АRT (2.2)

По уравнению (2.2) вычисляют величины удельной адсорбции для 5-7 различных концентраций, беря соответствующие значения А из графика (см. рисунок 2.2) в масштабе поверхностного натяжения (Дж/м2); R = 8,315·103 Дж/(кмоль·К); Т – термодинамическая температура опыта.

13

Результаты расчетов вносят в таблицу 2.3 и строят изотерму адсорбции Г=f(С).

Для определения предельного значения удельной адсорбции и размеров молекулы поверхностно-активного вещества следует воспользоваться уравнением Лангмюра (1.3).

Величины Г и k определяют графическим путем, исходя из линейной формы уравнения (1.3).

СГ =1Гk +1Г С. (2.3)

Таблица 2.3 – Значения Г, рассчитанные по изотерме поверхностного натяжения

Концентрация раствора С, кмоль/м3

А·103, Дж/м2(из графика) Г·103 кмоль/м2С 10-6

Г, м-1

Построив прямолинейную графическую зависимость СГ =f(C) находят Г как котангенс угла (так как 1Г = tg – угловой коэффициент уравнения прямой линии). Котангенс угла находят из графика как отношение прилежащего катета к противолежащему в любом прямоугольном треугольнике. Необходимо при этом брать величины катетов в масштабах соответствующих осей.

Величина 1Гk представляет собой начальную ординату и также определяется из графика.

Так как в предельно насыщенном адсорбционном слое на 1м2 поверхности адсорбируется Г·NA молекул, NA – постоянная Авогадро

(NA = 6,02· 1026), то площадь, приходящаяся на одну молекулу:

So= 1NАГ

14

Толщина адсорбционного слоя, соответствующая в предельном случае длине молекулы ПАВ, может быть определена из выражения

=Г М,

где М и – соответственно молекулярная масса и плотность адсорбирующегося вещества.

Площадь поперечного сечения молекулы постоянна для одного гомологического ряда поверхностно-активных веществ (например, для одноосновных кислот Sо = 25·10-20 м2, для спиртов Sо = 22·10-20 м2).

Значение при переходе в гомологическом ряду от низшего члена к высшему увеличивается на постоянную величину, отвечающую длине СН2 – группа (примерно на 1,5·10-10 м). Необходимые для расчета длины молекулы значения М и приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 – Молекулярная масса и плотность поверхностно-активных

веществ

Название поверхностно-активного вещества М ·10-3, кг/м3

Амиловый спирт

Бутиловый спирт

Валериановая кислота

Изовалериановая кислота

Изоамиловый спирт

Изобутиловый спирт

Капроновая кислота

Масляная кислота

Пропионовая кислота

Уксусная кислота

Этиловый спирт

Муравьиная кислота

Молочная кислота

Аллиловый спирт

Этиленгликоль

Пропиловый спирт

Изопропиловый спирт 88,10

74,04

102,08

102,08

88,10

74,08

116,10

88,06

74,05

60,03

46,05

46,02

90,05

58,08

62,00

60,09

60,09

0,815

0,804

0,932

0,931

0,810

0,800

0,929

0,964

0,992

1,049

0,780

1,220

1,240

0,854

1,113

0,804

0,789

15

2.2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

АДСОРБЦИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНОГО ВЕЩЕСТВА

ИЗ ВОДНОГО РАСТВОРА НА УГЛЕПорядок выполнения работы

Провести адсорбцию ПАВ на твердом адсорбенте и измерить

поверхностное натяжение растворов после адсорбции. Используя калибро-

вочный график, по величинам измеренных поверхностных натяжений най-

ти значения равновесной концентрации Ср.

Рассчитать для каждой концентрации величину адсорбции и пост-

роить изотерму адсорбции = f(Cр).

Построить зависимость С/ = f(C) и найти величину предельной

адсорбции.

Рассчитать удельную поверхность твердого адсорбента Sуд.

В восьми чистых и сухих колбах приготавливают по 30 см3 раствора

ПАВ разных концентраций путем разбавления раствора более высокой концентрации.

Объем раствора ПАВ исходной концентрации, необходимой для приготовления раствора заданной концентрации, рассчитывают по следующей формуле:

Vисх =Сзадан 30Сисх.,где Vисх – объем раствора ПАВ исходной концентрации, см3;

Сзадан – концентрация приготовляемого раствора, моль/ м3;

Сисх – концентрация исходного раствора ПАВ, моль/ м3

Вычисленные данные записывают в таблицу 2.5. Необходимые объемы растворов ПАВ и воды отмеряют с помощью бюреток.

Таблица 2.5 – Расчетные данные для приготовления растворов ПАВ

Расчетные данные Номер колбы

1 2 3 4 5 6 7 8

Сзадан, моль/ м3 Vисх, см3 Vводы, см3 Время начала адсорбции Время окончания адсорбции

16

Колбочки с приготовленными растворами ПАВ помещают равные

навески угля (по заданию); содержимое колб перемешивают и записывают в таблицу 2.5 время начала адсорбции.

Во время адсорбции колбочки с углем периодически перемешивают.

По истечении времени адсорбции (обычно 30 минут) содержимое

колб фильтруют через складчатые бумажные фильтры, причем первые порции фильтрата (около 10 см3) выливают, так как в них концентрация ПАВ понижена вследствие адсорбции его фильтровальной бумагой.

Определяют равновесные концентрации ПАВ в растворе после

адсорбции по изотерме поверхностного натяжения. Для этого измеряют поверхностное натяжение отфильтрованных растворов, пользуясь методом максимального давления пузырьков (см. лаб. работу 1). Измерения начинают с самого разбавленного раствора. Перед измерением следующего раствора споласкивают колбочку 2 и пипетку 3 (см. рисунок 2.1) раствором следующей концентрации.

Полученные экспериментальные данные вносят в таблицу 2.6

Таблица 2.6 – Экспериментальные данные

Экспериментальные данные

Номер колбы Чистая вода

1 2 3 4 5 6 7 8 Н·103, м:

1-е измерение

2-е измерение

3-е измерение

4-е измерение

5-е измерение Нсредн·103, м Но

·103, Дж/м2Ср-ра, определен- ная по изотерме =f (C), моль/м3 Затем по полученной предварительно изотерме поверхностного натяжения, то есть графику =f (C) (см. работу 1) находят концентрации растворов после адсорбции по их поверхностным натяжениям.

17

Теперь по известным концентрациям растворов до и после адсорбции, пользуясь уравнением

(хm) =(Со-С)Vm,

рассчитываем величины удельной адсорбции ПАВ.

В уравнении - удельная адсорбция, моль/кг; Со и С - концентрации ПАВ соответственно до и после адсорбции, моль/м3; V – объем раствора, из которого происходит адсорбция (в нашем случае V = 30 см3); m – навеска угля, кг. Результаты расчетов вносят в таблицу 2.7.

Таблица 2.7 – Адсорбция ПАВ из раствора на угле

Со, моль/м3

С, моль/м3

оп,

моль/кгgCgопgвычвыч,моль/кгB,%

СопПостроить изотерму адсорбции оп=f (C) Для определения точности измерений величин оп находят величины выч для всех 8 опытов. Для этого эмпирическое уравнение изотермы адсорбции (1.4) приводит к логарифмическому виду:

g= gk + 1n gC.

Затем строят график зависимости g оп от gС, который представляет собой прямую линию, отсекающую на оси ординат отрезок, численно равный gk; 1n =tg При расчете констант необходимо учитывать масштабы по обеим осям. После этого для всех значений C находят выч. и вычисляют отклонения выч. от оп. по формуле

выч- оп оп 100.Построив зависимость С оп = f (C), находят предельное значение удельной адсорбции как котангенс угла наклона прямой к оси абсцисс, учитывая

масштаб по обеим осям. Затем вычисляют удельную поверхность твердого адсорбента – площадь, приходящуюся на 1 кг адсорбента:

18

Sуд= Sо NA,где NA = 6,02 · 1023 (постоянная Авогадро); Sо- площадь поперечного сечения молекулы ПАВ (см. работу 1).

2.3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРАЕВОГО УГЛА И РАБОТЫ АДГЕЗИИ

2.3.1 Порядок выполнения работы

1) Измерить краевые углы смачивания при разных концентрациях

растворов ПАВ.

Построить зависимость cos от 2 и определить величину кр для

полимера.

Рассчитать работу адгезии Аа для каждого раствора ПАВ.

Построить зависимость Аа = f (2) и определить Ааmax для

полимера с данными ПАВ.

Краевые углы находят наиболее простым методом проецирования на экран капли жидкости, находящейся на твердой поверхности. Для этого на твердое тело в виде пластины после тщательной очистки помещают с помощью пипетки каплю жидкости, которую проецируют на экран с помощью проекционного фонаря. Контур капли обводят карандашом на листе бумаги, закрепленной на экране. Через точку периметра смачивания проводят касательную к поверхности раздела жидкость-газ и определяют краевой угол (см. рисунок 1.1).

Так как точность метода невысока, все измерения краевого угла проводят 3 раза и величину угла находят как среднее арифметическое. Полученные экспериментальные данные заносят в таблицу 2.8.

Таблица 2.8 – Экспериментальные данные

Концентрация раствора ср. cos, Дж/м2 Аа, Дж/м2Н2О 0,00625 0,0125 0,025 0,05 0,1

19

Внимание! При измерении краевого угла большое значение имеет чистота пленок (пластинок), пипеток и посуды, поскольку даже случайное загрязнение может существенно изменить величину угла. Поэтому во всех опытах пластинку нужно брать за угол или ребро. Пипетки при смене растворов следует тщательно промывать.

Величины поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-газ (2) предварительно определяются в лабораторной работе 1.

На основе полученных данных строят зависимость cos = f (2) и экстраполяцией прямой до cos =1 определяют величину кр. По уравнению (1.7) рассчитывают значения работы адгезии Аа.

Строят кривую Аа = f(2), по которой находят Ааmax и max.

3 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

При приготовлении растворов из концентрированных кислот приме-

нять пипетки с грушами.

Дозировку сухих веществ производить при помощи специального

шпателя.

Содержимое пробирок после опытов сливать в специальные склянки.

4 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Что называют поверхностным натяжением?

Отчего зависит поверхностное натяжение?

Что называют адсорбцией, удельной адсорбцией, предельной адсорбцией?

Связь адсорбции с концентрацией для твердой и жидкой поверхности раздела. Как находить константы, их физический смысл.

Строение ПАВ, ПИВ.

Адгезия. Работа адгезии.

Когезия. Работа когезии.

Смачивание. Краевой угол, периметр смачивания.

В чем состоит метод определения критического поверхностного натяжения (кр.) твердых поверхностей (метод Цисмана).

20

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1) Фролов, Ю. Г. Курс коллоидной химии / Ю. Г. Фролов – М. : Химия, 1982. – 400 с.

2) Практикум по коллоидной химии / В. И. Баранова, Е.Е. Бибик, Н. М.

Кожевникова и др.; – М. : Высшая школа, 1983. – 215 с.

Воюцкий, С. С. Практикум по коллоидной химии и электронной

микроскопии / С. С. Воюцкий, Р. М. Панич, – М. : Химия, 1974. – 224 с.

Малышева, Ж. Н. Теоретическое и практическое руководство по

дисциплине «Поверхностные явления и дисперсные системы»: учебное пособие /Ж. Н.Малышева, И.А.Новак. – Волгоград, 2007. – 344 с.

Похожие работы:

«Приложение № 3 к договору № от "_"20г.Программа услуг на подготовку и спуск оборудования на скважине №куст № месторождения. (ОБРАЗЕЦ)1. Определить соответствие готовности буровой "Основным техни...»

«Шато Пьер-Лебад(Chteau Peyre-Lebade) обладает богатым историческим наследием, отмеченным несколькими известными личностями. Богатая известняком почва, несомненно, повлияла на название имения: Peyre-Lebade означает "стоячий камень". В этой местности раньше были известняковые карьеры, камень из которых, скорее всего, использова...»

«Принято Общим собранием трудового коллектива Протокол от " 30 " ноябрь 2012г №3 Утверждаю Директор школы Г.Н.Магомедов Приказ от "_" 20_г. №_ПОЛОЖЕНИЕ о распределении стимулирующей части фонда оплаты труда работниковМКОУ "Уллуаинской ООШ" с из...»

«Договор оказания услуг по техническому обслуживанию и ремонту автомобилей № _ г. Самара 201 года. Общество с ограниченной ответственностью "Самара Юг Сервис", в лице директора Паланджянц Д.С., действующего на основании Устава, с одной стороны, и, в лице действующего на осн...»

«Ф.И.О. Занимаемая должность Ученая степень Ученое звание Стаж общий Абрамова Елена Анатольевна Старший преподаватель кандидат географических наук 17л Агеев Евгений Вячеславович Старший преподаватель 33г Адерихин Иван Владимирович Профессор доктор технических на...»

«-33274011430Донецкая народная республика министерство образования и наукиОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Кафедра "Подвижной состав железных дорог" Паламарчук Н.В., Потапенко В.И., Останькович А.Д.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РЕШЕНИЮ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ по дисциплинам "ГИД...»

«Влияние некоторых гидрофобизирующих добавок на изменение прочности цементного камня Несветаев Г.В., Козлов А.В., Филонов И.А. В свое время для увеличения сроков хранения цементов была предложена серия добавок, получивших название "гидрофобизирующие" [1], а также выпускались промышленными партиями цементы, в с...»

«ДОГОВОР № г. Москва от _. _ (_), именуемое в дальнейшем Заказчик, в лице действующего на основании _ с одной стороны, и Общество с ограниченной ответственностью "Центр экспертиз и консультаций" (ООО "ЦЭК"), именуемое в дальнейшем Исполнитель, в лице Директора Ратникова Алексея Сергеевича, действующего...»

«Министерство здравоохранения и социального развитияРоссийской ФедерацииИнформационно-аналитическая система Минздравсоцразвития России Программный комплекс по ведению паспортов медицинских учреждений Российской Федерации Руководство пользователя медицинского учреждени...»

«Договор № _ИТ-0 На комплексное абонентское обслуживание компьютеров и программного обеспечения. г. Нижний Новгород _ 2013 г.ООО _, в лице _, действующего на основании _, именуемое в дальнейшем "Заказчик", с одной стороны и ООО "Инфоком-НН", в лице генерального дирек...»

«ПЛАН проведения в 2016 году в учреждениях высшего образования и научных организациях, подчиненных Министерству образования Республики Беларусь, научных и научно-технических мероприятий №№ ппНаименование темы, вид меропр...»

«Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых Научная библиотека Библиографический отдел Богоищущая душа К 140-летию писателя Ивана Сергеевича Шмелева Биобиблиографический указ...»

«"УТВЕРЖДАЮ" Генеральный директор[Наименование общества][ФИО] _ [дата] Положение о коммерческой тайне[наименование общества]ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ В целях введения режима коммерческой тайны в [наименование обществ...»

«КУРГАНСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА-филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования "Уральский государственный университет путей сообщения" в г. Кургане РАБОЧАЯ ПРОГРАММА общеобразовательной учебной дисциплиныП...»








 
2018 www.info.z-pdf.ru - «Библиотека бесплатных материалов - интернет документы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 2-3 рабочих дней удалим его.