«В. А. Яргаева Л. В. Сеничева ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ Рекомендовано Дальневосточным региональным учебно-методическим центром в качестве учебного пособия для студентов специальностей 260300 Технология химической переработки ...»

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Хабаровский государственный технический университет»

В. А. Яргаева

Л. В. Сеничева

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Рекомендовано Дальневосточным региональным

учебно-методическим центром в качестве учебного пособия

для студентов специальностей 260300 «Технология химической переработки древесины», 320700 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», 290800 «Водоснабжение и водоотведение» вузов региона Хабаровск Издательство ХГТУ 2003 УДК 541.183(075) ББК Г Я Р е ц е н з е н т ы:

кафедра общей, физической и коллоидной химии Дальневосточного государственного медицинского университета (завкафедрой канд. хим. наук, доц., чл.-кор. МАНЭБ В. А. Немов);

доцент кафедры химии Хабаровского государственного педагогического университета Л. А. Стаценко Научный редактор канд. хим. наук, доц. Т. Б. Панасюк Яргаева В. А.

Я71 Дисперсные системы: Учеб. пособие / В. А. Яргаева, Л. В. Сеничева. – Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2003. – 135 с.

ISBN 5–7389–0248– В учебном пособии теоретический материал по дисперсным системам представлен в структурированном виде (22 рисунка, 4 таблицы), приведены тестовые задания для самоподготовки, даны методические рекомендации к выполнению 9 лабораторных работ, а также многовариантные задачи и примеры их решения.

Издание предназначено для студентов высших учебных заведений технологических специальностей ХПД, ООС, ВВ и др., изучающих курс коллоидной химии (поверхностные явления и дисперсные системы) или другие химические дисциплины, в которых рассматривается раздел «Дисперсные системы».

УДК 541.183(075) ББК Г Хабаровский государственный технический университет, ISBN 5–7389–0248– Яргаева В. А., Сеничева Л. В.,

ВВЕДЕНИЕ

Реальный окружающий нас мир, как и мы сами, состоит из дисперсных систем. Поэтому изучение таких систем представляет особый интерес и составляет основу изучения дисциплины «Коллоидная химия» или как все чаще ее сейчас называют «Поверхностные явления и дисперсные системы».

Дисперсные системы отличаются от истинных растворов и твердых тел большим многообразием различных признаков, совокупностью замечательных своеобразных физико-химических свойств, невоспроизводимостью и изменчивостью, что затрудняет их изучение.

В данном пособии в основном сохранена структура пособия, написанного теми же авторами [35].

Теоретические основы физико-химии дисперсных систем представлены в структурированном виде: 22 рисунка (конспекта-схемы) и 4 таблицы. После предварительного изучения соответствующих параграфов одного из учебников и учебных пособий по коллоидной химии [1-9], а также конспекта лекций, студенты смогут, используя предлагаемые рисунки, конспекты-схемы и таблицы, глубже понять и лучше усвоить изучаемые материалы по соответствующим темам, подготовиться к выполнению лабораторных работ и лучше осмыслить их результаты.

Выполнение предлагаемых тестовых заданий для самоконтроля позволит студентам убедиться в качестве усвоения изученного теоретического материала. Ответы на 65 тестовых заданий даются в приложении. Там же приводится список обозначений и сокращений, используемых в предлагаемом учебном пособии.

Практическая часть учебного пособия включает методические указания к выполнению 9 лабораторных работ. Все предлагаемые работы выполнялись студентами в лаборатории коллоидной химии ХГТУ на протяжении многих лет.

При выборе лабораторных работ мы руководствовались тем, чтобы в них были представлены исследования различных типов дисперсных систем и проявляемых ими свойств и использованы разные методы химического и физикохимического анализа.

Многовариантные задачи 1, 2, 3, 7 с общим алгоритмом действия разработаны авторами, задачи 4, 5, 6, 8 подобраны из учебной литературы [10, 22-24] и переработаны. Задачи сгруппированы по отдельным характеристикам, закономерностям и свойствам дисперсных систем. Они предназначены для более глубокого усвоения теоретического материала. Предлагаемые примеры решения типовых задач помогут справиться с решением многих задач.

Авторы благодарны завкафедрой общей, физической и коллоидной химии ДВГМУ чл.-кор. МАНЭБ В. А. Немову и доценту кафедры химии ХГПУ Л. А. Стаценко за внимательное прочтение рукописи и ценные замечания.

Авторы признательны сотрудникам кафедры химии ХГТУ, особенно завкафедрой доценту Т. Б. Панасюк, студенту гр. ХПД-01 М. Ломову за помощь в создании и оформлении пособия и дружеское участие.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИИ

ДИСПЕРНЫХ СИСТЕМ В СХЕМАХ, РИСУНКАХ, ТАБЛИЦАХ

Дисперсными называют многофазные микрогетерогенные системы, состоящие из множества мелких частиц (дисперсной фазы), равномерно распределенных в сплошной жидкой, газообразной или твердой дисперсионных средах, и характеризуют определенными параметрами и признаками (рис. 1).

Дисперсные системы классифицируют по размеру частиц дисперсной фазы, по агрегатному состоянию и взаимодействию дисперсной фазы и дисперсионной среды, взаимодействию частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды (рис. 2). Методы получения дисперсных систем весьма разнообразны (рис. 3), многие из них являются естественными природными процессами и протекают только при определенных условиях.

Особое место в ряду дисперсных систем занимают коллоидные системы.

Кроме лиофобных коллоидных растворов к ним относят растворы высокомолекулярных веществ (ВМВ) и растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ), так как их объединяет общность многих физико-химических свойств. Частицы дисперсной фазы различных типов и строения в коллоидных системах называют мицеллами (рис. 4).

Дисперсные системы характеризуются разнообразными молекулярнокинетическими, оптическими и электрокинетическими свойствами (рис. 5, 6, табл. 1), зависящими от размера, формы и строения (рис. 7) частиц дисперсной фазы. Многие из этих свойств лежат в основе методов исследования дисперсных систем и имеют большое практическое значение (рис. 8, 9).

Несмотря на то что практически все лиофобные дисперсные системы обладают избыточной свободной энергией и являются термодинамически неравновесными и неустойчивыми, многие из них существуют весьма длительное время. Это подтверждает их агрегативную, кинетическую и фазовую устойчивости, которые обусловлены самыми разнообразными факторами (рис. 10).

Нарушение факторов устойчивости приводит к разрушению (чаще всего к коагуляции) дисперсных систем (рис. 11). В соответствии с теорией ДЛФО устойчивость и коагуляция дисперсных систем обусловлены балансом сил притяжения и отталкивания частиц дисперсной фазы при их сближении (рис. 12). Важнейшим и наиболее изученным фактором, вызывающим коагуляцию дисперсных систем, является действие электролитов (рис. 13). Ряд факторов в зависимости от условий неоднозначно действует на устойчивость дисперсных систем (рис. 14).

Многие методы разрушения дисперсных систем под действием физикохимических факторов, а также методы очистки коллоидных растворов от примесей низкомолекулярных веществ, имеют большое практическое значение (табл. 2, 3).

К весьма своеобразным процессам, протекающим в дисперсных системах, относят процессы структурообразования (рис. 15), которые обусловливают их структурно-механические (реологические) свойства (рис. 16). Важное практическое значение имеют также процессы, протекающие в коагуляционных структурах: гелях и студнях (рис. 17).

Как уже упоминалось, растворы ВМВ, несмотря на то что они представляют собой истинные растворы, термодинамически устойчивые и обратимые, не нуждающиеся в стабилизаторе, рассматривают в ряду дисперсных систем и часто называют лиофильными коллоидными растворами. Для ВМВ, их растворов и студней характерны такие особые свойства, как набухание, контракция, синерезис, структурная и пластическая вязкости, мембранное равновесие Доннана и др., которые в свою очередь зависят от особенностей строения молекул ВМВ (рис. 18, 19, 20).

Кроме общих свойств, характерных для всех дисперсных систем, рядом особых свойств обладают также микрогетерогенные (грубодисперсные) системы с жидкой и газообразной дисперсионными средами (рис. 21).

Дисперсные системы и процессы, протекающие в них, имеют огромное практическое значение (табл. 4). Все объекты окружающей среды: атмосфера, природные воды, почвы, горные породы и др. – являются дисперсными системами. Нарушение равновесия в окружающей среде связано как с естественными природными процессами, так и с деятельностью человека (рис. 22). Глубокое знание природы дисперсных систем и сущности процессов, протекающих в них, позволит будущим специалистам – инженерам-технологам, экологам и др.

– успешно решать проблему защиты окружающей нас среды (см. рис. 22, табл. 2) и другие технологические задачи.

Рис. 1. Общая характеристика дисперсных систем Дисперсность Классификационные признаки дисперсных Агрегатное состояние дисперсной фазы и дисперсионной среды Обозначение (фаза/среда) Т/Г Аэрозоли (пыли, дымы) Табачный дым, угольная, Малая растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде Измельчение частиц ленного осадка в объем диспергирование диспергирование - распыление в электрической дуге - самопроизвольное грунтов, горных диспергирование ВМВ пород в приобразование туманов, Протекает только при определенном воздейсамопроизвольно самопроизвольно ствии на систему Агрегат из молекул нерастворимого вещества Например, мицелла золя иодида серебра, полученного методом химической элементы или изоморфные по строению (могут достраивать кристаллическую решётку агрегата) {m[AgI] nI-(n-x) K+}x- xK+ Числа m, n, x изменяются в широких пределах в зависимости от условий получения и очистки золя; m >> n, n > x Рис. 4. Строение коллоидной мицеллы различных типов Приводит к неравномерному распределению частиц дисперсной фазы по высоте h Информация о системе:,D, сед,, размер частиц r, кинетическая устойчивость системы h, распределение частиц по размерам Рис. 5. Характеристика молекулярно-кинетических свойств дисперсных систем свечение Уравнение Рэлея Общая характеристика электрокинетических свойств дисперсных систем Характеристика Относительное перемещение фаз дисперсной системы Причина Образование ДЭС; возникновение электрокинетического потенциала ;

Воздействие на U – разность потенциалов; I – сила тока вызывающее течение вызывающая оседание Сущность дисперсной фазы со дисперсионной среды потенциала течения потенциала явления процесса Автор открытия, год Механизм образования ДЭС на границе твердая фаза – раствор Изменение потенциала в ДЭС от толщины слоя Х Полный термодинамический потенциал 0 Электрокинетический потенциал (поверхностный потенциал) Толщина адсорбционного слоя Толщина диффузного слоя Рис. 7. Общая характеристика двойного электрического слоя Грубодисперсная Коллоидный раствор Коллоидный раствор Раствор ВМВ Грубодисперсная система Определение электрокинетического потенциала Нанесение неметал- Обезвоживание и Исследование «естелических покрытий на осушка многих мате- ственного поля»

фигурации: грунтовка дамб, древесины, аномалий по потенкузовов автомобилей, торфа, концен- циалу течения припокрытие катодов ра- трированных кол- родных вод нок на твердой основе бумаги, картона, ископаемых Изготовление дисрастворами, изменя- Нахождение путей плеев и записи на них по электрофоре- ЭлектроосмотичеОпределение биопограмме крови, очистка ское введение Фракционирование сложных биологичесмазки» для устра- образования высоких ских систем, миненения прилипания потенциалов, саморальных дисперсий Очистка воды от прирежущей проволоке нефти, бензина Очистка воздуха от твёрдых и жидких чакак причина грозовых стиц примесей; борьба Рис. 9. Практическое использование электрокинетических явлений отталкивание частиц структуры частиц и седи- персной фазы и всплы- молекул за счет молекул в коацер- структуры (студня) Взаимодействие частиц с кинетической энергией kT в лиофобных дисперсных системах энергетический UяхiCк(i) Антагонизм действия ионов Близость полярностей ВМВ и растворителя; структура ВМВ; соответствие массы ВМВ объему растворителя;

высокие температуры; наличие электролита; рН среды (для полиэлектролитов) ВМВ + растворитель студень набухания Теплота Контракция Растворы ВМВ Форма ВМВ – глобулярная; набухаемость, вязкость, растворимость, электрическая проводимость – минимальны; мутность – максимальна - Равновесное распределение ионов НМВ в системе при наличии мембраны, Раствор (студень) полиэлектролита Раствор истинного электролита [R ] 1 = C(1); [Na+]1= C(1)+х; [Cl ] 1 = х Существование биологических систем: клетка во внешней среде, содержащей ионы электролита; работа мембранных (ионообменных) электродов С жидкой дисперсионной Микро- - Факторы устойчивости: только структурномеханический и адсорбционно-сольватный гетерогенные системы - Молекулярно-кинетические и электрокинетические свойства не характерны а=10-7-10-4м С газообразной Аэрозоли - Наряду с общими молекулярно-кинетическими свойствами характерны фотофорез, термофорез, термопреципитация - Из электрокинетических свойств: только потенциал седиментации – эффект Дорна (приводит к появлению электрических разрядов, например, молний, взрывов на угольных шахтах и др.) Рис. 21. Характеристика микрогетерогенных (грубодисперсных) систем Некоторые области использования дисперсных систем Пищевая про- Продукты питания и исходное сырьё для их получения: помышленность рошки (мука, какао, крахмал); эмульсии (соусы, маргарин, майонез); студни и гели (кисель, желе, холодец, сыр); коллоидные растворы (супы, бульоны) и др.

Сельское Формирование структуры плодородных почв (коагелей). Расхозяйство пыление в виде аэрозолей инсектицидов, фунгицидов, гербицидов для борьбы с вредными насекомыми, болезнями растений и сорняками. Разрушение аэрозолей – искусственное дождевание. Использование удобрений в виде порошков, гранул, суспензий, эмульсий и др.

Фармацевтиче- Лекарственные препараты в виде золей (колларгол, протарская промыш- гол), эмульсий (нафталановая, альбихоловая), паст (оксолиноленность вая мазь), суспензий (пенициллиновая, линимент синтомицина), аэрозолей (ингаляционные), пенных препаратов (противоожоговые, кровоостанавливающие) и др.

Медицина Диагностика заболеваний на основе анализа коллоидных систем организма человека: крови, плазмы, лимфы, мочи, слюны, слезной жидкости, желудочного сока и др. Лечение заболеваний лекарственными препаратами в виде дисперсных систем Косметическая Косметические препараты в виде эмульсий (кремы, мази, промышлен- шампуни, лаки), паст, аэрозолей, пен, порошков, гранул, сусность пензий и др.

Военное дело Использование аэрозолей (дымы Р2О5, ZnO) для светомаскировки Различные В энергетике: распыление твердого и жидкого топлива в виде техноло- аэрозолей при подаче в топки.

гические В строительстве: исходное сырьё и строительные материалы в производства виде порошков (цемент, известковая мука, глина), твердых пен (пенобетон, пенопласт), эмульсий (лаков, красок), суспензий (известь, цементный раствор), разнообразных композиционных материалов. Нанесение лаков и красок в виде аэрозолей В нефтедобывающей промышленности: использование суспензий из глины для удаления измельченной выбуренной горной породы за счет тиксотропных свойств систем.

В металлургии: получение дисперсных систем Т/Т (сплавов):

чугуна, стали и др. Состав стали: мартенсит –коллоидный раствор, перлит –микрогетерогенная система.

В химической промышленности: исходное сырьё, промежуточные вещества, конечные продукты в виде эмульсий, суспензий, паст, порошков, пен, аэрозолей и др.

– войны – Спонтанное и принудительное разрушение дисперсий во всех типах дисперсных систем (коагуляция, флокуляция, фильтрация, флотация, центрифугирование, электрокоагуляция и др.);

– Разрушение аэрозолей (дымов, пылей, туманов, смога), улавливание частиц дисперсной фазы, предотвращение возможности повторного попадания в атмосферу;

– Предотвращение разрушения литосферы (засоления и эрозии почв, вымывания гумуса из почв, разрушения горных пород);

– Сохранение устойчивого состояния природных суспензий, эмульсий и других объектов

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Признаками дисперсной системы являются оба условия:

а) растворимость фазы в среде; равномерное распределение;

б) дисперсность; летучесть среды;

в) гетерогенность; летучесть фазы;

г) дисперсность; равномерное распределение;

д) растворимость фазы в среде; летучесть среды.

2. Для основной характеристики дисперсной системы используют обе величины:

а) объем и поверхность частицы; б) массу и объем частицы;

в) объем и массу всех частиц; г) объем и поверхность всех частиц;

д) дисперсность и удельную поверхность частиц.

3. Термодинамически устойчивой является дисперсная система:

а) лиофильный золь; б) лиофобный золь; в) суспензия; г) эмульсия; д) пена.

4. Для лиофобной дисперсной системы характерны оба фактора:

а) термодинамически устойчива; при образовании системы G0;

б) термодинамически неустойчива; при образовании системы G0;

в) термодинамически устойчива; при образовании системы G0;

г) термодинамически неустойчива; при образовании системы G0;

д) термодинамически устойчива; при образовании системы G=0.

5. Золем является дисперсная система с размером частиц:

а) 10–5 м; б) 10–8 м; в) 10–6 м; г) 10–2 м; д) 10–11 м.

6. К конденсационным методам получения дисперсных систем относятся оба метода:

а) электрораспыление и замена растворителя;

б) ультразвуковое диспергирование и пептизация;

в) пептизация и конденсация из паров;

г) механическое диспергирование и реакция обмена;

д) реакция гидролиза и замена растворителя.

7. При получении дисперсных систем должны выполняться все три условия:

а) гетерогенность; дисперсность; растворимость фазы в среде;

б) гетерогенность; наличие стабилизатора; растворимость фазы в среде;

в) дисперсность; наличие стабилизатора; нерастворимость фазы в среде;

г) гомогенность; дисперсность; нерастворимость фазы в среде;

д) гомогенность; дисперсность; наличие стабилизатора.

8. Для очистки золей от ионных примесей используют оба метода:

а) электрофорез и электроосмос; б) диализ и ультрафильтрацию;

в) электрораспыление и электродиализ;

г) диализ и фотоэлектроколориметрию;

д) ультрафильтрацию и электроосмос.

9. К молекулярным коллоидам относят систему:

а) золь Fe(OH)3; б) раствор олеата натрия; в) раствор NaCl;

г) раствор крахмала; д) суспензию мела в воде.

10. Лиофобным коллоидным раствором является система:

а) раствор пальмитата калия; б) суспензия BaSO4;

в) раствор яичного альбумина; г) золь AgI; д) раствор HCl.

11. Мицеллярный коллоидный раствор образует система:

а) раствор желатина; б) раствор олеата калия; в) золь BaSO4;

г) раствор KCl; д) эмульсия масла в воде.

12. Для золя берлинской лазури, полученного при сливании водных растворов K4[Fe(CN)6] и избытка FeCl3, потенциалопределяющим является ион:

а) K+; б) Fe3+; в) [Fe(CN)6]4–; г) Cl– ; д) CN–.

13. Для золя гидроксида алюминия с мицеллой m Al(OH) nAl 3 xCl (3n x)Cl заряд гранулы равен величине:

а) 3n+; б) 3x+; в) (3n-x)+; г) (2n-x)+; д) x+.

14. Величина и заряд поверхностного 0–потенциала определяются факторами:

а) величиной и зарядом коллоидных частиц;

б) числом и зарядом потенциалопределяющих ионов;

в) числом и зарядом противоионов адсорбционного слоя;

г) числом и зарядом противоионов диффузного слоя;

д) величиной и зарядом электрокинетического потенциала.

15. При разведении золя и повышении температуры электрокинетический потенциал изменяется следующим образом а) увеличивается; б) уменьшается; в) не изменяется;

г) проходит через минимум; д) проходит через максимум.

16. Для дисперсной системы золь золота проявляются все три свойства:

а) электрофорез; отражение света; броуновское движение;

б) электрофорез; рассеяние света; диффузия;

в) седиментация; преломление света; потенциал оседания;

г) диффузия; отражение света; потенциал течения;

д) седиментация; прохождение света; электроосмос.

17. Структурно-механические свойства пластичность и эластичность характерны для дисперсной системы:

а) золя AgI; б) эмульсии бензола в воде; в) тумана; г) суспензии Al2O3 в воде;

д) студня крахмала.

18. Диффузия, осмос и броуновское движение в большей степени проявляются для дисперсных систем с размером частиц:

а) 10–8 м; б) 10–5 м; в) 10–4 м; г) 10–6 м; д) 10–3 м.

19. Седиментация возможна в дисперсных системах с размером частиц:

а) 10–8 м; б) 10–5 м; в) 10–9 м; г) 10–11 м; д) 10–10 м.

20. Не проявляет молекулярно-кинетические и электрокинетические свойства дисперсная система:

а) пена; б) эмульсия; в) суспензия; г) аэрозоль; д) гидрозоль.

21. Структурообразованию (гелеобразованию) коллоидного раствора способствуют все три фактора:

а) высокие температуры; высокие концентрации; введение электролита;

б) низкие температуры; перемешивание системы; особая форма частиц;

в) высокие температуры; высокие концентрации; анизометрическая форма г) низкие температуры; низкие концентрации; особая форма частиц;

д) низкие температуры; высокие концентрации; анизометрическая форма частиц.

22. К конденсационно-кристаллизационным структурам относят систему:

а) табачный дым; б) эмульсию толуола в воде;

в) студень желатина; г) гидрозоль Fe(OH)3; д) пенопласт.

23. Для коагуляционной структуры характерны оба свойства:

а) синерезис и тиксотропия; б) хрупкость и эластичность;

в) синерезис и прочность; г) тиксотропия и прочность;

д) прочность и хрупкость.

24. Аэрозоль проявляет оба свойства:

а) прохождение света и потенциал течения;

б) термопреципитация и фотофорез;

в) кольматация и фильтрация;

г) обращение фаз и коалесценция;

д) флотация и кратность.

25. Для суспензии проявляются оба свойства:

а) флотация и кратность; б) кольматация и фильтрация;

в) обращение фаз и коалесценция; г) фотофорез и флотация;

д) термопреципитация и термофорез.

26. Только для эмульсии характерны оба свойства:

а) флотация и фильтрация; б) фотофорез и термофорез;

г) обращение фаз и коалесценция; г) кольматация и электрофоторез;

д) термопреципитация и рассеяние света.

27. Для пены характерны оба свойства:

а) кольматация и термопреципитация; б) коалесценция и фотофорез;

в) электрофоторез и термофорез; г) электроосмос и фильтрация;

д) флотация и кратность.

28. Светорассеяние не может проявляться в дисперсной системе:

а) золь As2S3; б) мучная пыль; в) пенобетон;

г) эмульсия; д) студень агар-агара.

29. В большей степени рассеивается свет с длиной волны:

а) 940 нм; б) 364 нм; в) 580 нм; г) 315 нм; д) 750 нм.

30. На измерении света, рассеянного дисперсной системой, основан оптический метод исследования:

а) нефелометрия; б) микроскопия; в) турбидиметрия;

г) фотоэлектроколориметрия; д) электронная микроскопия.

31. Уравнение Эйнштейна для диффузии имеет вид:

32. Уравнение Эйнштейна-Смолуховского для среднеквадратичного сдвига частицы имеет вид:

33. Уравнение Вант-Гоффа для осмотического давления коллоидных растворов имеет вид:

34. Уравнение Рэлея для интенсивности рассеянного коллоидной системой света имеет вид:

35. Уравнение Бугера-Ламберта-Бера для интенсивности прошедшего через дисперсную систему света имеет вид:

36. К катоду при электрофорезе будут перемещаться коллоидные частицы золя, полученного при сливании растворов:

а) CrCl3(изб.) + NH4OH; б) NaOH(изб.) + ZnCl2; в) (NH4)2S(изб.) + MnCl2;

г) FeCl3 + NaOH(изб.); д) SnCl2 + (NH4)2S(изб.).

37. К аноду при электрофорезе будут перемещаться коллоидные частицы золя, полученного при сливании растворов:

а) NaCl + AgNO3(изб.); б) CuSO4 + H2S(изб.); в) Hg(NO3)2(изб.) + KI;

г) H2SO4 + Pb(NO3)2(изб.); д) HCl(изб.) + Na2SiO3.

38. Для определения электрокинетического потенциала методом электрофореза используют уравнение:

39. Агрегативная устойчивость дисперсной системы – это свойство:

а) равномерное распределение частиц в объеме;

б) способность системы противостоять слипанию и укрупнению частиц;

в) объединение частиц в более крупные агрегаты;

г) способность системы к структурообразованию;

д) оседание частиц под действием сил тяжести.

40. Коагуляция коллоидного раствора начинается при достижении электрокинетическим потенциалом критической величины:

а) 0 мВ; б) 10 мВ; в) 30 мВ; г) 70 мВ; д) 100 мВ.

41. Седиментационной устойчивости дисперсной системы соответствует свойство:

а) способность частиц системы к седиментации;

б) объединение частиц в более крупные агрегаты;

в) способность системы противостоять слипанию и укрупнению частиц;

г) равномерное распределение частиц в объеме;

д) способность системы к структурообразованию.

42. Фазовая устойчивость дисперсной системы – это свойство:

а) оседание частиц системы под действием сил тяжести;

б) способность системы к структурообразованию;

в) объединение частиц системы в более крупные агрегаты;

г) способность системы противостоять слипанию и укрупнению частиц;

д) равномерное распределение частиц в объеме.

43. В соответствии с теорией ДЛФО нейтрализационная коагуляция золей под действием электролитов обусловлена причиной:

а) увеличением толщины диффузного слоя и уменьшением – потенциала;

б) сжатием диффузного слоя и уменьшением –потенциала;

в) десорбцией потенциалопределяющих ионов (ПОИ) и увеличением 0–потенциала;

г) сжатием диффузного слоя и увеличением –потенциала;

д) десорбцией ПОИ и уменьшением 0– потенциала.

44. Соотношения порогов коагуляции одно-, двух- и трехзарядных ионов в соответствии с закономерностью Дерягина-Ландау имеют вид:

а) 1 : 0,2 : 0,5; б) 1: 0,016 : 0,001 3; в) 1: 0,52 : 0,12; г) 1: 0,05 : 0,03;

д) 1: 0,001 2 : 0,000 5.

45. Концентрационная коагуляция золей под действием электролитов в соответствии с теорией ДЛФО обусловлена причиной:

а) десорбцией ПОИ и уменьшением 0– потенциала;

б) сжатием диффузного слоя и увеличением –потенциала;

в) десорбцией потенциалопределяющих ионов (ПОИ) и увеличением 0– потенциала;

г) сжатием диффузного слоя и уменьшением –потенциала;

д) увеличением толщины диффузного слоя и уменьшением –потенциала.

46. Наиболее эффективным коагулятором для золя с положительным зарядом частиц является электролит:

а) NaCl; б) K2SO4; в) CaCl2; г) Na3PO4; д) Al2(SO4)3.

47. Наибольший порог коагуляции для золя с отрицательным зарядом частиц имеет электролит:

а) FeSO4; б) MgCl2; в) K3PО4; г) Ba(NO3)2; д) AlCl3.

48. Для золя с положительным зарядом частиц в порядке увеличения коагулирующей силы расположены ионы:

а) Fe3+, Mg2+, K+; б) Li+, SO 2, Al3+; в) Cl–, Mg2+, PO 3 ; г) Ba2+, Al3+, Th4+;

49. Для золя с отрицательным зарядом частиц коагулирующая сила увеличивается в ряду:

а) Cl–, NO–3, I ; б) Mg2+, Fe3+, K+; в) Li+; Na+, K+; г) SO 2, PO 3, Cl–;

50. Аддитивность при коагуляции смесью электролитов проявляется в следующем:

а) коагулирующая способность определяется действием только одного электролита;

б) коагулирующие способности электролитов суммируются;

в) коагулирующая способность смеси электролитов меньше, чем каждого электролита отдельно;

г) коагулирующая способность смеси электролитов больше, чем каждого электролита отдельно;

д) коагулирующие способности не зависят друг от друга.

51. Антагонизм при коагуляции смесью электролитов обусловлен фактором:

а) коагулирующие способности не зависят друг от друга;

б) коагулирующая способность смеси электролитов больше, чем каждого электролита отдельно;

в) коагулирующая способность смеси электролитов меньше, чем каждого электролита отдельно;

г) коагулирующая способность электролитов суммируется;

д) коагулирующая способность определяется действием только одного электролита.

52. Синергизму при коагуляции смесью электролитов соответствует фактор:

а) коагулирующие способности электролитов суммируются;

б) коагулирующие способности не зависят друг от друга;

в) коагулирующая способность смеси электролитов больше, чем каждого электролита отдельно;

г) коагулирующая способность определяется действием только одного электролита;

д) коагулирующая способность смеси электролитов меньше, чем каждого электролита отдельно.

53. Чередования зон устойчивого и неустойчивого состояния золей при коагуляции электролитами обусловлены причиной:

а) чередованием высоких и низких температур;

б) разбавлением и концентрированием растворов;

в) введением индифферентного электролита, расширением и сжатием диффузного слоя;

г) введением неиндифферентного электролита с многозарядным ионом и перезарядкой поверхности коллоидных частиц;

д) введением индифферентного электролита и перемешиванием раствора.

54. Гетерокоагуляции соответствует механизм:

а) слипание однородных частиц одного размера;

б) слипание разнородных частиц разного размера;

в) слипание однородных частиц, но с противоположным знаком;

г) отталкивание однородных частиц;

д) прилипание частиц к чужеродной твердой поверхности.

55. Гетероадагуляция обусловлена фактором:

а) прилипанием частиц к чужеродной твердой поверхности;

б) отталкиванием однородных частиц;

в) слипанием однородных частиц, но с противоположным знаком;

г) слипанием разнородных частиц;

д) слипанием однородных частиц.

56. Взаимной коагуляции соответствует явление:

а) отталкивание однородных частиц с одинаковым зарядом;

б) слипание однородных частиц, но с противоположным знаком;

в) прилипание частиц к чужеродной твердой поверхности;

г) слипание однородных частиц разного размера;

д) слипание разнородных частиц одинакового размера.

57. По величине золотого защитного числа наиболее эффективным стабилизатором для золя является ВМВ:

а) крахмал (20); б) декстрин (30); в) сапонины (45); г) казеинат натрия (0,1);

д) желатин (0,01).

58. Стабилизирующее действие ПАВ или ВМВ для дисперсных систем обусловлено причиной:

а) сжатием диффузного слоя и увеличением –потенциала;

б) десорбцией потенциалопределяющих ионов и увеличением 0– потенциала;

в) сообщением частице электрического заряда и электростатическим расталкиванием между частицами;

г) образованием адсорбционного сольватного слоя на поверхности частицы и созданием расклинивающего давления при контакте частиц;

д) созданием структурно-механического барьера за счет адсорбции на поверхности частицы.

59. Стабилизирующее действие электролита для дисперсных систем проявляется в следующем:

а) создании структурно-механического барьера и лиофилизации частиц;

б) образовании адсорбционного сольватного слоя на поверхности частиц и создании расклинивающего давления при контакте частиц;

в) образовании ДЭС с одноименным зарядом на частицах и электростатическим расталкиванием между частицами;

г) десорбции потенциалопределяющих ионов с поверхности частиц и увеличении 0–потенциала;

д) сжатии диффузного слоя и увеличении –потенциала частиц.

60. Энтропийный фактор устойчивости дисперсной системы обусловлен фактором:

а) образованием ДЭС на поверхности частиц;

б) интенсивным броуновским движением;

в) изменением свойств дисперсионной среды и системы в целом;

г) образованием адсорбционных слоев на поверхности частиц;

д) образованием сольватных слоев на частицах и ионах в ДЭС.

61. Ограниченно набухает ВМВ:

а) резина в воде; б) эбонит в бензоле; в) полиэтилен в воде;

г) резина в бензоле; д) крахмал в горячей воде.

62. Неограниченно набухает ВМВ:

а) каучук в бензоле; б) полиэтилен в воде; в) резина в воде;

г) крахмал в холодной воде; д) эбонит в ацетоне.

63. Для процесса набухания ВМВ справедливы соотношения:

Первым этапом растворения ВМВ является набухание. Набухание – самопроизвольный процесс поглощения молекулами ВМВ низкомолекулярного растворителя, сопровождающийся увеличением объема и массы ВМВ. Набухание может быть ограниченным и неограниченным, заканчивающимся растворением ВМВ (см. рис. 18).

Ограниченность или неограниченность набухания определяется соотношением между энергией связи в молекулах ВМВ и энергией сольватации с энтропийным фактором.

Ограниченно набухают высокомолекулярные вещества, имеющие химические связи – «мостики» – между цепочками макромолекул. Если молекулы ВМВ имеют линейную или разветвленную структуру, то они связаны между собой Ван-дер-Ваальсовыми межмолекулярными силами, энергия связи которых невелика, и уже при комнатной температуре энергия сольватации и энтропийный фактор превышают энергию связи, процесс набухания идет неограниченно.

На набухание влияет целый ряд факторов (см. рис. 18, 19). Температура влияет на набухание в соответствии с принципом Ле-Шателье: с увеличением температуры скорость набухания возрастает (увеличивается энергия макромолекул), но снижается предельное набухание, так как набухание – экзотермический процесс.

рН среды оказывает влияние на набухание тех ВМВ, молекулы которых содержат полярные группировки (например, у белков). При более высоких и низких значениях рН за счет образования заряженных групп на поверхности молекул белков их форма изменяется, что отражается на величине набухания.

На набухание ВМВ оказывает большое влияние присутствие посторонних ионов, заряд которых противоположен заряду полиионов: чем выше заряд постороннего иона, тем сильнее понижает он величину набухания.

На набухание оказывает влияние физическое состояние и природа ВМВ.

Легче всего набухают и растворяются ВМВ в высокоэластическом и вязко текучем состояниях и с редкими боковыми цепями, труднее набухают ВМВ в стеклообразном состоянии и при наличии упорядоченных частных боковых цепей, ужесточающих структуру полимеров.

Для эффективного набухания и растворения ВМВ необходима близость его по полярности к растворителю. Так, углеводородные ВМВ энергично набухают и растворяются в жидких углеводородах (бензол, бензин) и не растворяются в сильно полярных жидкостях (вода, спирты). Полярные ВМВ (целлюлоза, поливинилацетат, желатин) не взаимодействуют с углеводородами, но хорошо набухают и растворяются в воде.

Количественной мерой набухания является степень набухания, которая может иметь объемное или массовое выражение (см. рис. 19).

Подобно низкомолекулярным веществам ВМВ можно подразделять на электролиты и неэлектролиты (см. рис. 20). Важнейшими высокомолекулярными электролитами являются водные растворы белков. Заряд на макромолекулах белков возникает в водных растворах в результате диссоциации ионогенных групп. Белковые молекулы как продукт поликонденсации аминокислот содержат основные группы – NН2 и кислотные – СООН и относятся к полиамфолитам, так как цепочка макромолекулы может быть достаточно большой и содержать несколько функциональных групп как в виде боковых цепей, так и на концах макромолекул. Ионизация таких молекул идет по кислотному и основному типам в зависимости от рН среды.

В щелочной среде:

В нейтральной среде:

Как видно из последнего случая, существует такое состояние, когда число ионизированных кислотных групп равно числу ионизированных основных групп. Такое состояние называется – изоэлектрическим, а рН среды, соответствующее такому состоянию – изоэлектрической точкой (ИЭТ) белков (см. рис.

14, 20).

В изоэлектрическом состоянии свойства белковых растворов резко изменяются. В ИЭТ по всей длине белковой молекулы находится равное количество положительно и отрицательно заряженных ионогенных групп, и гибкая макромолекула сворачивается в плотный клубок (глобулу) в силу притяжения разноименных зарядов. В таком состоянии уменьшается вязкость растворов (уменьшается сопротивление потоку течения раствора), изменяется осмотическое давление (меньшая поправка на объем, занимаемый макромолекулами), хуже идет набухание – затруднено проникновение молекул растворителя внутрь структуры ВМВ, уменьшается растворимость, падает электрическая проводимость.

Изучение этих свойств используется для определения изоэлектрической точки белков.

В молекулах белков в большей степени проявляются кислотные свойства, ИЭТ лежит в слабокислой области при значениях рН: для желатина – 4,7; для казеина – 4,6; для глобулина – 5,4.

2. В Ы П О Л Н Е Н И Е РАБОТЫ

Опыт 1. Влияние рН на набухание желатина. Определение изоэлектрической точки желатина по степени его набухания 2.1.1. Приготовьте по 10 см3 буферных растворов в восьми пронумерованных пробирках, как указано в табл. 20.

2.1.2. Измерьте рН растворов на рН-метре. Результаты внесите в табл. 20.

Экспериментальные данные по влиянию рН раствора на процесс набухания 10 см3 0,1 М раствора сахарозы 2.1.3. Насыпьте желатин высотой 10 мм от дна пробирки в другие сухие восемь пробирок одного диаметра.

2.1.4. Налейте в пробирки с сухим желатином приготовленные растворы (п. 2.1.1), несколько раз встряхните и оставьте их в покое на один час.

2.1.5. Через 1 ч измерьте высоту h набухшего желатина. Результаты внесите в табл. 20.

2.1.6. Рассчитайте степень набухания по формуле где h0 и h – высоты исходного и набухшего желатина, мм (h0 = 10 мм).

2.1.7. Постройте график зависимости степени набухания от величины рН.

Определите значение ИЭТ желатина.

Опыт 2. Влияние рН на высаливание желатина. Определение изоэлектрической точки желатина по мутности его растворов (визуальный метод) 2.2.1. Приготовьте буферные смеси в пяти пробирках, как указано в табл. 21.

2.2.2. В каждую пробирку добавьте 1 см3 1 %-ного раствора желатина, затем по 1 см3 «высаливающего» агента: насыщенного раствора (NH4)2SO4, растворы перемешайте.

2.2.3. Через 5 минут после добавления сульфата аммония отметьте степень мутности по 5-балльной шкале. Определите значение ИЭТ желатина.

Экспериментальные данные измерения степени мутности при высаливании № про- V(СН3СООН, 0,1 М), V(СН3СООNа, 0,1 М), рН Степень бирки Опыт 3. Влияние рН на мутность раствора желатина.

Определение изоэлектрической точки желатина по мутности его растворов (фотоэлектроколориметрический метод) 2.3.1. Приготовьте по 10 см3 буферных смесей в шести пронумерованных колбах объемом 50 см3, как указано в табл. 22.

Приготовление ацетатных буферных растворов 2.3.2. Измерьте рН каждого раствора на рН-метре и полученные данные внесите в табл. 23.

2.3.3. Влейте в каждую колбу по 10 см3 1 %-ного раствора желатина.

2.3.4. В седьмой колбе приготовьте смесь из 10 см3 1 %-ного раствора желатина и 10 см3 дистиллированной воды. Эта смесь используется в качестве раствора сравнения.

2.3.5. Определите оптическую плотность А и светопропускание Т приготовленных растворов на фотоэлектроколориметре КФК при 364 нм и толщине кюветы 10 мм. Все растворы сохраните для опыта 4.

2.3.6. По полученным данным постройте график зависимости А (или Т) от рН. Определите значение ИЭТ желатина.

Экспериментальные данные по измерению рН, оптической плотности Оптическая плотность А Светопропускание Т Опыт 4. Влияние рН на относительную вязкость раствора желатина.

Определение изоэлектрической точки желатина по вязкости 2.4.1. Определите время истечения t0 воды на вискозиметре, как показано в работе 7 (п. 2.2).

2.4.2. Определите время истечения t растворов желатина с различными значениями рН не менее двух раз (используйте растворы, полученные в опыте 3). Перед каждым опытом тщательно ополаскивайте вискозиметр исследуемым раствором.

2.4.3. Рассчитайте среднее значение времени истечения tср. Полученные данные внесите в табл. 24.

2.4.4. Рассчитайте относительную вязкость растворов отн по формуле Полученные данные внесите табл. 24.

2.4.5. Постройте график зависимости относительной вязкости от рН раствора. Определите значение ИЭТ желатина.

Экспериментальные данные по определению вязкости растворов Время истечения t Относительная вязкость 3.1. Оцените по результатам опытов 1, 2, 3, 4, как влияет величина рН на степень набухания желатина, растворимость желатина, способность к высаливанию желатина из растворов, вязкость растворов желатина.

3.2. Сравните результаты опытов 1, 2, 3, 4 по определению ИЭТ желатина.

3.3. Выберите наиболее точные методы определения ИЭТ. Ответ мотивируйте.

4. К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е ВОПРОСЫ

Какие дисперсные системы называют лиофильными?

Каковы особенности растворения ВМВ?

Чем обусловлена агрегативная устойчивость растворов ВМВ?

Что такое высаливание и какие факторы влияют на процесс высаливания?

Что такое студень и как его получают?

Какой процесс называется набуханием? Каков механизм набухания?

Как изменяются энергия Гиббса, энтальпия и энтропия в процессе набухания?

8. Каковы количественные характеристики процесса набухания?

9. Какие факторы влияют на процесс набухания?

10. Какие факторы влияют на процесс застудневания растворов ВМВ?

11. Какие ВМВ называют полиэлектролитами, полиамфолитами?

12. Что такое изоэлектрическое состояние ВМВ, изоэлектрическая точка белков?

13. Как изменяется форма макромолекул белков в кислой и щелочной средах?

14. Какие свойства белков изменяются в ИЭТ?

15. Какие методы используют для определения ИЭТ белков?

РАБОТА 9. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В СТУДНЯХ

И ГЕЛЯХ

Цель работы: получить студень или гель, исследовать процессы диффузии, кристаллизации и химические реакции, протекающие в студнях и гелях.

Метод исследования: визуальное наблюдение.

Приборы и оборудование: линейка; штатив.

Посуда: пробирки; U-образные трубки; цилиндры на 50 мл; чашки Петри;

конические колбы; мерные цилиндры; мерные пробирки; мерные Реактивы: желатин; агар-агар; канцелярский клей; силикат натрия; растворы или кристаллы веществ в соответствии с вариантом задания,

1. К Р А Т К О Е Т Е О Р Е Т И Ч Е С К О Е В В Е Д Е Н И Е

Студни и гели – это нетекучие твердообразные системы, представляющие собой пространственные структуры в виде трехмерных сеток с ячейками. Переход лиофобного золя при коагуляции в гель называют гелеобразованием. Гели являются двухфазными, гетерогенными и термодинамически неустойчивыми системами. Студни получают при набухании твердых высокомолекулярных веществ (ВМВ) в определенном растворителе или при застудневании (желатинизации) растворов ВМВ; они являются чаще всего однофазными, гомогенными, равновесными и устойчивыми системами (см. рис. 15, 18, 19).

Студни и гели обладают структурно-механическими свойствами (см. рис. 16). По изменению вязкости и текучести удобно наблюдать за образованием или разрушением структуры.

Сетчатая структура студней и гелей позволяет растворенным веществам диффундировать в них, взаимодействовать с веществом, образующим студень или гель, или с веществом, находящимся внутри них, а растворителю и дисперсионной среде выделяться из них (синерезис), проявлять тиксотропные свойства (см. рис. 16, 17).

Диффузия растворенных веществ в сетчатых сильно оводненных студнях и гелях протекает примерно так же, как в воде или дисперсионной среде: скорости диффузии почти одинаковы, законы Фика применимы, вещества практически равномерно распределены в объеме. Отклонение от этих зависимостей может быть вызвано следующими причинами:

- размер диффундирующих частиц больше размера ячеек структуры;

- студни и гели уплотняются при синерезисе;

- процессы адсорбции и кристаллизации, химические реакции протекают параллельно.

При наличии отклонения наблюдается скачкообразный резкий спад концентрации диффундирующего вещества, неравномерность окраски и изменение оптических свойств студней и гелей (см. рис. 6). Например, при диффузии в желатин соляной кислоты образуется хлористый желатин (соль); в результате изменяются набухание и светопреломляющая способность студня.

Диффузия растворенного вещества А в студень, пропитанный веществом В, зависит от растворимости продукта реакции С, который образуется при химической реакции между веществами А и В (А + В = С). Если вещество С растворимо, то диффузия протекает в обоих направлениях. В случае получения нерастворимого продукта реакции С осадок может образовываться в растворе, на поверхности студня или внутри студня. Место образования осадка зависит от соотношения молярных концентраций эквивалентов Сэк:

Сэк (А) < Сэк (В) – осадок образуется в растворе;

Сэк (А) > Сэк (В) – осадок образуется в студне;

Сэк (А) = Сэк (В) – осадок образуется на поверхности студня в виде тонкой Начало и место образования нерастворимого вещества определяются скоростями диффузии д реагирующих веществ, которые рассчитываются по закону Фика:

где m – масса диффундирующего вещества;

t – время диффузии;

D – коэффициент диффузии вещества;

S – поперечное сечение, через которое диффундирует вещество;

– градиент концентрации в направлении х диффузии.

Коэффициент диффузии зависит от размера диффундирующих частиц, вязкости среды и температуры (уравнение Эйнштейна, рис. 5).

Реакция между веществами А и В от места встречи может распространяться только в одном направлении: от высококонцентрированного раствора к менее концентрированному, если нет мембраны; от раствора с большим осмотическим давлением к раствору с меньшим осмотическим давлением (см.

рис. 5) при наличии полупроницаемой мембраны между растворами. Чаще всего мембрану образует нерастворимый продукт реакции.

При диффузии в студни или гели раствора гидролизующихся солей может увеличиваться степень гидролиза, если скорости диффузии продуктов гидролиза и соли сильно различаются. Например, при диффузии FeCl3 в гель кремниевой кислоты происходит гидролиз этой соли по катиону:

д(Н+) >> д (других частиц), т. е. кислота быстрее диффундирует, что приводит к уменьшению концентрации ионов водорода, равновесие смещается вправо, и гидролиз соли усиливается.

Диффузия и гидролиз осложняются взаимодействием гидролизующихся солей с желатином или другим ВМВ, которое приводит к сжатию мембраны из нерастворимого вещества, т. е. протекает процесс. подобный синерезису. Образующиеся плотные мембраны более проницаемы для воды, чем для ионов исходной соли и продуктов гидролиза, т. е. являются полупроницаемыми. Поэтому, если кристалл гидролизующейся соли, например FeCl3, поместить в раствор силиката натрия, то поверхность кристалла FeCl3 быстро покрывается тонкой пленкой геля кремниевой кислоты и гидроксида железа, через которую начинают диффундировать молекулы воды, при этом объем раствора внутри пленки увеличивается до тех пор, пока оболочка не разрывается, на месте разрыва снова образуется пленка – мембрана и т. д.

Особенностями химических реакций в студнях и гелях являются:

- небольшая скорость химической реакции, потому что пространственная сетка в студнях и гелях препятствует перемешиванию;

- небольшая скорость роста зародышей кристаллов, потому что вещество студня (желатин, агар-агар) является защитным коллоидом для нерастворимых частиц и препятствует их сращиванию, что является причиной периодической кристаллизации в студнях;

- скачкообразное изменение концентрации раствора вблизи осадка, благодаря чему протекают периодические или ритмические реакции; при этом образуются концентрические кольца Лизеганга, слоистые структуры и другие типы рисунков в студне или геле;

- образование плотных пленок нерастворимых веществ, подобных полупроницаемым мембранам, через которые осуществляется осмотический перенос жидкости, приводящий к изменению осмотического давления и протеканию направленных химических реакций; при этом образуются древовидные или другие образования.

2. В Ы П О Л Н Е Н И Е Р А Б О Т Ы

2.1. В соответствии с вариантом задания (табл. 25) изучите протекание диффузии или химических реакций в студнях или гелях, получаемых по различным методикам (см. рис. 15, 18, 19).

2.2. Получите студень из раствора ВМВ.

Вариант Система (в расчете на один опыт) них; рекомендуемая посуда для студня или геля Вариант Студень агарNaOH Студень 14 желатир-ра желатина 3) 0,5 M K2Cr2O Студень Вариант Студень Студень Студень Студень Вариант 2.2.1. Растворы ВМВ приготовлены лаборантом:

- разбавьте приготовленный раствор водой или водным раствором вещества, указанного в задании, до получения раствора с заданной концентрацией (табл. 25);

- тщательно перемешайте полученный раствор желатина или агар-агара и налейте его в пробирки, U-образные трубки или цилиндры примерно в одинаковых объемах, а в чашки Петри – тонким слоем (~ 3 мм);

- охладите полученные растворы и дождитесь их полного застудневания (потеря текучести).

2.2.2. Получите раствор ВМВ из сухого твердого продукта:

- рассчитайте массу ВМВ, необходимую для приготовления заданного объема раствора заданной концентрации (табл. 25);

- взвесьте на технических весах рассчитанную массу желатина или агар-агара;

- поместите навеску желатина или агар-агара в термостойкую колбу на 100 мл, влейте необходимый объем воды чистой или с добавкой раствора вещества и оставьте на 10-20 мин для набухания;

- нагрейте содержимое колбы до 40 0С, тщательно перемешайте до полного растворения желатина или агар-агара;

- налейте примерно равные объемы полученного раствора в пробирки, U-образные трубки или цилиндры, а в чашки Петри – тонким слоем ( 3 мм);

- охладите полученные растворы до полного застудневания (потеря текучести).

2.3. Получите гель кремниевой кислоты:

- возьмите жидкое стекло (Na2SiO3) или силикатный клей, прибавьте к нему воду до получения раствора с плотностью 1,06 г/см3, т. е. разбавьте в 2-4 раза, и полученный раствор налейте в пробирки, стаканы или цилиндры в объемах, указанных в задании (табл. 25);

- к раствору силиката натрия в каждом сосуде при перемешивании стеклянной палочкой добавляйте смесь растворов уксусной кислоты и соли, при этом происходит быстрое гелеобразование (потеря текучести).

2.4. Проведение процессов в студнях и гелях:

- налейте на поверхность студня или геля в пробирках, U-образных трубках или цилиндрах растворы веществ, указанных в задании (табл. 25), в таком объеме, чтобы высота слоя была около 1 см; в центр поверхности студня в чашках Петри внесите 1-2 капли указанного раствора, а гранулы или стержни металлов вдавите в студень на глубину около 1 см с помощью стеклянной палочки;

- закройте сосуды пробками или часовыми стеклами, поставьте их в затемненное место на несколько суток, но не более недели;

- измерьте линейкой глубину проникновения окрашенных веществ в студень или гель, обратите внимание на вид границы;

- сосчитайте количество окрашенных полос, кругов, участков, укажите, как меняется расстояние между ними;

- определите форму новообразований в студне или геле.

1. Число опытов в соответствии с заданием определяется либо изменениями в студне, либо составом дополнительного раствора, либо составом раствора над студнем или гелем, что в табл. 25 отмечено цифрами.

2. В табл. 25 объемы и концентрации растворов заданы в расчете на один опыт, т. е. на один сосуд.

3. О Б Р А Б О Т К А Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н Ы Х Д А Н Н Ы Х

3.1. Схематически изобразите (зарисуйте) изменения в студне или геле в результате протекания в них процессов и определите, какие процессы протекали.

3.2. Напишите уравнения всех возможных реакций, протекающих в системе, и укажите место их протекания: в растворе, на поверхности или внутри студня или геля.

3.3. Укажите, какие молекулы или ионы диффундируют, и охарактеризуйте их по скорости диффузии.

3.4. Отметьте, какие ионы, молекулы или частицы индифферентны к студню или гелю, а какие – неиндифферентны.

3.5. Оцените структуру студня или геля: рыхлость, равномерность ячеек и т. д.

3.6. Определите, влияние какого фактора на процессы в студнях и гелях изучено, что при этом установлено, с какими эмпирическими или теоретическими закономерностями согласуются результаты опыта.

4.1. Назовите методы и условия получения студня или геля.

4.2. Охарактеризуйте процесс диффузии в студень и гель: тип диффундирующих частиц и их скорость, подчинение закону Фика и уравнению Эйнштейна.

4.3. Определите типы химических реакций (обмена, нейтрализации, гидролиза и т. д.), протекающих в студне или геле.

4.4. Оцените продукты химической реакции в студне или геле по растворимости, по месту образования в системе, по влиянию на структуру студня или геля.

5. К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е В О П Р О С Ы

1. Какую систему называют студнем?

2. Как можно получить студень?

3. Какую систему называют гелем?

4. Какими методами получают гели и при каких условиях?

5. Чем отличаются студни от гелей?

6. Какие структурно-механические свойства присущи студням и гелям?

7. Что такое синерезис и в каких системах он возможен?

8. Каковы особенности диффузии в студнях и гелях?

9. Какие реакции возможны в студнях и гелях?

10. Каковы особенности протекания химических реакций в студнях и гелях?

11. Какие факторы влияют на процессы структурообразования?

12. Чем отличается студнеобразование от гелеобразования?

13. Как можно разрушить студни и гели?

14. Какими методами можно исследовать студни и гели?

15. Что такое тиксотропия?

III. МНОГОВАРИАНТНЫЕ ЗАДАЧИ

Многовариантные задачи предназначены для самостоятельной работы студентов, а также для текущего и рубежного контроля знаний по данному разделу дисциплины.

Названия задач соответствуют определенным характеристикам, закономерностям и свойствам дисперсных систем. Некоторые задачи профессионально ориентированы.

При решении задач следует использовать теоретический материал по соответствующей теме, изложенный в настоящем пособии (раздел I. «Теоретические основы физико-химии дисперсных систем в схемах, рисунках, таблицах») или в учебных пособиях, указанных в списке литературы [1-8], а также предлагаемые примеры решения типовых задач.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Получение дисперсных систем и их характеристика Пример 1. Методом механического диспергирования 5 г толуола в 1 л воды получена дисперсная система с частицами толуола шарообразной формы с радиусом 2,510-7 м. Плотность толуола равна 0,867 г/см3.

1. Рассчитайте дисперсность системы и удельную поверхность Sуд.

2. Определите тип системы по всем классификационным признакам.

3. Рассчитайте параметры частицы толуола: объем V0, поверхность S0, массу 4. Рассчитайте общую поверхность всех частиц S и число частиц N в дисперсной системе.

Р е ш е н и е. 1. Определяем дисперсность системы и удельную поверхность Sуд (см. рис. 1).

= 1/а, где а – размер частицы (диаметр шара или длина ребра куба).

Для шарообразной частицы а = 2r:

Sуд = S/V = 6 (для частиц шарообразной формы), где S – поверхность частиц, V – объем частиц:

2. Определяем тип системы (см. рис. 2).

2.1. По дисперсности система – грубодисперсная (микрогетерогенная), т. к.

размер частиц попадает в интервал 10–7 – 10–5 м.

2.2. По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды система – эмульсия, т. к. фаза и среда являются жидкостями.

2.3. По наличию или отсутствию взаимодействия между частицами дисперсной фазы и частицами дисперсионной среды система – свободно-дисперсная.

2.4. По степени взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды система – лиофобная (гидрофобная), т. к. практически отсутствует взаимодействие между толуолом и водой.

3. Рассчитываем параметры шарообразной частицы толуола.

4. Рассчитываем общую поверхность частиц S и число частиц N в дисперсной системе.

Пример 2. Коллоидный раствор (гидрозоль) получили при смешивании 10 мл 0,01 М раствора Na3AsO4 и 20 мл 0,013 М раствора AgNO3.

1. Напишите уравнение реакции и определите, какой из продуктов реакции образует гидрозоль.

2. Рассчитайте, какое из исходных веществ – Na3AsO4 или – AgNO3 взято в избытке.

3. Напишите формулу мицеллы образовавшегося золя, укажите заряд коллоидной частицы (гранулы).

Р е ш е н и е. 1. Na3AsO4 + 3AgNO3 = Ag3AsO4 + 3NaNO гидрозоль образует Ag3AsO4, т. к. плохо растворяется в воде (рис. 1).

2. Рассчитываем, какое из исходных веществ взято в избытке, для этого находим число моль эквивалентов каждого из исходных веществ:

nэк(В) = VCмZ, где V – объем раствора, л; См – молярная концентрация, моль/л;

Z – число эквивалентности вещества.

В избытке взят Na3AsO4.

3. Формула мицеллы золя арсената серебра (см. рис. 4) Потенциалопределяющими ионами (ПОИ) являются AsO3, т. к. они взяты в избытке.

Заряд коллоидной частицы – отрицательный.

Пример 3. Бериллат натрия Na2BeO2 в водном растворе гидролизуется по схеме что приводит к образованию гидрозоля гидроксида бериллия. Напишите формулы всех возможных мицелл гидрозоля гидроксида бериллия, учитывая, что в растворе могут находиться ионы бериллия.

Р е ш е н и е. 1. Потенциалопределяющими ионами являются бериллат ионы ВеО 2.

Формула мицеллы золя 2. Потенциалопределяющими ионами являются гидроксид ионы ОН–.

Формула мицеллы золя 3. Потенциалопределяющими ионами являются ионы бериллия Ве2+.

Формула мицеллы золя Молекулярно-кинетические, оптические и электрокинетические Пример 4. Предскажите, какие молекулярно-кинетические, оптические, электрокинетические свойства могут проявляться для каждой из дисперсных систем: 1) табачного дыма (r = 510–7 м);

2) гидрозоля берлинской лазури (r = 210–8 м);

3) суспензии глины в воде (r = 210–5 м);

4) студня крахмала.

Укажите, какие из систем могут проявлять структурно-механические свойства.

Р е ш е н и е. 1. Табачный дым относится к лиофобным грубодисперсным, свободно-дисперсным системам (см. рис.2). Может проявлять молекулярнокинетические свойства (см. рис. 5): седиментацию, броуновское движение и диффузию (в малой степени, т. к. частицы довольно крупные); оптические свойства (см. рис. 6): отражение и преломление света, светорассеяние (в меньшей степени); электрокинетические свойства (см. табл. 1): электрофорез (остальные не проявляет, т. к. воздух – диэлектрик). Структурно-механические свойства не проявляет.

2. Гидрозоль берлинской лазури относится к лиофобным, высокодисперсным, свободно-дисперсным системам. Может проявлять молекулярно-кинетические свойства: броуновское движение, диффузию, осмос; оптические свойства: светопоглощение (золь окрашен), светорассеяние; электрокинетические: электрофорез. Структурно-механические свойства: вязкость.

3. Суспензия глины в воде относится к лиофобным, грубодисперсным, свободно-дисперсным системам. Может проявлять молекулярно-кинетические свойства: седиментацию; оптические свойства: отражение и преломление света, светорассеяние (в малой степени); электрокинетические: электрофорез, потенциал седиментации. Структурно-механические свойства: вязкость.

4. Студень крахмала относится к лиофильным, высокодисперсным, связнодисперсным системам. Не проявляет молекулярно-кинетические и электрокинетические свойства. Может проявлять оптические свойства: светорассеяние, частично светопоглощение (практически не окрашен). Может проявлять структурно-механические свойства: прочность, упругость, пластичность, эластичность.

Пример 5. Определите радиус и коэффициент диффузии, среднеквадратичный сдвиг частицы гидрозоля серы за время t = 10 с. Дисперсность частиц равна 10 мкм-1, температура опыта 293 К, вязкость среды = 1,010-3 Пас.

Р е ш е н и е. Коэффициент диффузии можно рассчитать по уравнению Эйнштейна (см. рис. 5):

Чтобы найти радиус частиц r, используем величину дисперсности = 10 мкм– = 10106 м–1.

Среднеквадратичный сдвиг частицы за промежуток времени t определяем по уравнению Эйнштейна-Смолуховского (см. рис. 5).

Пример 6. Рассчитайте осмотическое давление гидрозоля диоксида кремния с массовой концентрацией 40,5 г/л при 291 К. Удельная поверхность частиц Sуд = 5,94108 м-1, плотность частиц гидрозоля = 2,2 г/см3.

Ре ш е н и е. Осмотическое давление в дисперсных системах можно рассчитать по уравнению Вант-Гоффа (см. рис. 5).

kT, где – частичная (численная) концентрация; С – массовая концентрация частиц, кг/м3; m0 – масса одной частицы, кг; k – константа Больцмана:

Для сферической частицы с радиусом r Радиус выражаем через Sуд:

С = 40,5 г/л = 40,5 кг/м3.

Пример 7. Частицы глины шарообразной формы с радиусом r = 6,2510–7 м оседают в водной среде под действием сил тяжести. Определите время оседания t частиц на расстояние h = 0,2 м, если плотность глины = 2,71 г/см3, плотность водной среды 0 = 1,01 г/см3, вязкость среды = 1,210–3 Пас.

Р е ш е н и е. Скорость оседания шарообразных частиц с радиусом r в сплошной среде подчиняется закону Cтокcа (см. рис. 5):

среды, кг/м3.

Выражаем время оседания t частиц на расстояние h:

Пример 8. Определите дисперсность гидрозоля золота, если при 291 К установилось седиментационно-диффузионное равновесие распределения частиц и на высоте h = 7,5 см частичная концентрация уменьшилась в 2,3 раза.

Плотность золота = 19,3 г/см3, плотность воды 0 = 1,0 г/см3.

Р е ш е н и е. При установлении седиментационно-диффузионного равновесия распределение частиц по высоте описывается уравнением Лапласа (см.

рис. 5) высоте h = 0, V0 – объем частицы, м3;, 0 – плотности фазы и среды, кг/м3.

Для сферической частицы V0 r3.

По условию задачи h/0 = 2,3; = 19,3 г/см3 = 19,3103 кг/м3; 0 = 1,0 г/см3 = 1,0103 кг/м3; h = 7,5 см = 7,510–2 м:

откуда выражаем радиус частицы Дисперсность рассчитываем по формуле Пример 9. Поток света с длиной волны = 540 нм проходит через эмульсию бензола в воде с толщиной слоя 3 см и ослабляется в результате светорассеяния в 1,85 раза. Рассчитайте дисперсность частиц эмульсии, если содержание бензола: 1) 0,8 % (об); 2) 0,6 г/л. Плотность бензола = 0,869 г/см3, показатели преломления бензола и воды n1 = 1,501, n0 = 1,333. Свет рассеивается в соответствии с уравнением Рэлея, а интенсивность прошедшего через эмульсию света ослабляется по закону Бугера-Ламберта-Бера.

Р е ш е н и е. Уравнения Рэлея для интенсивности света IP, рассеянного дисперсной системой, имеет вид (см. рис. 6) I p I 0 B 4 I 0, где I0 – интенсивность падающего света; – частичная (численная) концентрация, м-3; V0 – объем частицы дисперсной фазы, м3;

В – коэффициент, зависящий от показателей преломления дисперсной фазы n1 и дисперсионной среды n0:

, где С – массовая концентрация дисперсной фазы, кг/м3;

– объемная доля дисперсной фазы, м3/м3; m0, V0 – масса и объем частицы дисперсной фазы.

Для сферической частицы Интенсивность света при прохождении через бесцветную дисперсную систему уменьшается в соответствии с уравнением Бугера-Ламберта-Бера (см. рис. 6):

где Iп – интенсивность света, прошедшего через дисперсную систему; l – толщина поглощающего слоя, м; = Ас; А – молярный коэффициент светорассеяния; с – молярная концентрация; А – оптическая плотность: А = lg(I0/Iп).

По условию задачи 0 1,85.

Подставляя выражения для и V0 в уравнение Рэлея, получаем Выражение для расчета радиуса капель эмульсии Дисперсность системы Из уравнения Рэлея Пример 10. Рассчитайте электрокинетический потенциал гидрозоля гидроксида железа, используя следующие данные электрофореза: напряжение 200 В, расстояние между электродами 22 см, смещение границы золя происходит на 2 см за 15 мин. Относительная диэлектрическая проницаемость среды равна 80,1, вязкость среды 110-3 Пас.

нию Гельмгольца-Смолуховского (см. табл. 1) л – линейная скорость движения частиц дисперсной фазы, м/с; – вязгде кость среды, Пас; – относительная диэлектрическая проницаемость среды; – электрическая постоянная, равная 8,8510-12 Ф/м; Е – напряженность электрического поля, В/м.

Пример 11. Рассчитайте объемную скорость переноса среды при электроосмосе, если электрокинетический потенциал на границе водный раствор KCl – стеклянная мембрана равен 66 мВ, сила тока I = 310–3 А, вязкость дисперсионной среды = 110–3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость среды = 80,1. Удельная электрическая проводимость среды = 1,3510–2 Смм –1.

Р е ш е н и е. Электрокинетический потенциал, возникающий при электроосмосе, рассчитывают по уравнению Гельмгольца-Смолуховского (см. табл. 1) м3/с; – удельная электрическая проводимость среды, Смм –1; I – сила тока, А.

Выражаем объемную скорость:

Пример 12. Рассчитайте пороги коагуляции электролитов для золя As2S3, если для коагуляции 10 мл золя требуется 1,2 мл 0,5 М раствора NaCl, или 0,4 мл 0,036 М раствора MgCl2, или 0,1 мл 0,01 М раствора AlCl3. Укажите знак заряда коллоидной частицы. Полученные значения порогов коагуляции сопоставьте с закономерностью Дерягина-Ландау.

Р е ш е н и е. Порог коагуляции электролита Ск рассчитаем по формуле где Сэл – концентрация электролита; Vз, Vэл – объемы золя и электролита.

Знак заряда коллоидной частицы золя – отрицательный, т. к. с увеличением заряда катиона электролита порог коагуляции уменьшается.

Из уравнения Дерягина-Ландау (см. рис. 12, 13) следует, что соотношения порогов коагуляции одно-, двух и трехзарядных ионов электролитов равны Ск(1) : Ск(2) : Ск(3) = 6 : 6 : 6 = 1:0,016:0,001 4.

Соотношения экспериментальных порогов коагуляции Полученные результаты хорошо согласуются с закономерностью ДерягинаЛандау.

Пример 13. Порог коагуляции отрицательно заряженного гидрозоля металлического золота под действием NaCl равен 2,610-2 моль/л. C помощью закономерности Дерягина-Ландау или правила Щульце-Гарди рассчитайте пороги коагуляции, вызываемой следующими электролитами: K2SO4, MgCl2, MgSO4, FeCl3, Fe2(SO4)3.

Р е ш е н и е. Коагуляцию отрицательно заряженного гидрозоля золота вызывают противоионы, т. е. катионы электролитов.

Соотношения порогов коагуляции разнозарядных ионов электролитов по Дерягину-Ландау (пример 12) равны:

Электролит NaCl содержит 1 ион–коагулятор Na+ в молекуле NaCl, следовательно:

Электролит–коагулятор K2SO4 содержит 2 иона–коагулятора К+ в молекуле K2SO4, следовательно:

Электролит MgCl2 содержит 1 ион-коагулятор Мg2+ в молекуле MgCl2:

Ск (MgCl 2 ) Cк (2) Ск (1) 0,016 2,6 102 0,016 4,16 104 моль/л.

Электролит MgSO4 содержит 1 ион–коагулятор Мg2+ в молекуле MgSO4:

Электролит FeCl3 содержит 1 ион–коагулятор Fe3+ в молекуле FeCl Ск (FeCl3 ) Cк (3) Ск (1) 0,0014 2,6 102 0,0014 3,64 105 моль/л.

Электролит Fe2(SO4)3 содержит 2 иона–коагулятора Fe3+ в молекуле Fe2(SO4)3:

Аналогичные расчеты можно сделать, используя правило Шульце-Гарди.

Соотношение порогов коагуляции по Шульце-Гарди (см. рис. 13) Пример 14. На коагуляцию гидрозоля хлорида серебра из 1,010-2 м сточных вод комбината бытового обслуживания потребовалось 8,010-4 м3 10 %ного раствора NaCl ( = 1,07103 кг/м3). Рассчитайте расход (м3) 28 %-ного раствора Fe2(SO4)3 ( = 1,55103 кг/м3) для извлечения AgCl из 100 м3 сточных вод, если электрический заряд коллоидных частиц гидрозоля хлорида серебра в этих водах: 1) положительный; 2) отрицательный.

Р е ш е н и е. Для определения порога коагуляции Ск гидрозоля AgCl в сточных водах по NaCl рассчитываем молярную концентрацию См 10 %-ного См (NaCl) (%), масса (кг), объем (м3), плотность (кг/м3) взятого раствора NaCl; М(NaCl) – молярная масса, кг/моль.

где VВ – объем сточных вод, м3; VNaCl – объем раствора NaCl, м3.

1) Если электрический заряд коллоидных частиц положительный, ионами–коагуляторами являются ионы SO2 (z = 2). Порог коагуляции сточных вод по Fe2(SO4)3 рассчитываем, используя закономерность Дерягина-Ландау:

В молекуле Fe2(SO4)3 содержится 3 иона–коагулятора SO2, тогда Рассчитаем массу (кг) Fe2(SO4)3, которая необходима для коагуляции 100 м сточных вод:

m(Fe2(SO4)3) = Cк(Fe2(SO4)3) VB M(Fe2(SO4)3) = 0,706 100 0,352 = 24,85 кг.

Определим объем 28 %-ного раствора Fe2(SO4)3, содержащий такую массу соли:

, - массовая доля и плотность раствора Fe2(SO4)3.

где 2) Если электрический заряд коллоидных частиц отрицательный, то ионами-коагуляторами являются ионы Fe3+ (z = 3).

Рассчитаем порог коагуляции сточных вод по Fe2(SO4)3, используя закономерность Дерягина-Ландау:

В молекуле Fe2(SO4)3 содержится 2 иона–коагулятора Fe3+:

Рассчитаем массу Fe2(SO4)3, которая необходима для коагуляции 100 м3 сточных вод:

Определим объем 28 %-ного раствора Fe2(SO4)3, содержащий такую массу:

Пример 15. Определите молярную массу полистирола в кислоте при Т=291 К, используя данные осмометрического метода. h – разность уровней в капиллярах, опущенных в растворитель, измеренных с помощью осмометра типа Хелфрица.

Концентрация раствора С, кг/м3 1,455 2,48 3,91 4,85 6, Р е ш е н и е. Для определения молярной массы ВМВ осмометрическим методом необходимо знать величину осмотического давления (см. рис. 8).

Для растворов высокомолекулярных веществ величина осмотического давления не подчиняется закону Вант-Гоффа (см. рис. 5): нет линейной зависимости между осмотическим давлением и концентрацией. Это можно объяснить асимметрией больших молекул, их гибкостью, взаимодействием с молекулами растворителя. Поэтому для определения молярной массы М используют уравнение Галлера где С – концентрация раствора ВМВ, кг/м3; b – константа, характеризующая отклонение от закона Вант-Гоффа; /C – приведенное осмотическое давление.

При бесконечном разбавлении раствора уравнение принимает вид Предельное значение при концентрации раствора, стремящейся к нулю, находят методом графической экстраполяции.

Величины h переводим в осмотическое давление (Па), умножив на переводной коэффициент 9,8103 (давление водяного столба высотой 1 м равно 9,806 Па). Поделив каждое значение на соответствующую концентрацию, получаем приведенные осмотические давления /C.

Строим график в координатах /C – C (рис. 25).

Экстраполируем полученную зависимость на С = 0. Отсекаемый на оси ординат отрезок K (рис. 25) равен.

Полученная молярная масса полистирола в ксилоле соответствует молярным массам высокомолекулярных веществ.

ЗАДАЧА 1. Характеристика дисперсных систем Дана дисперсная система с массой дисперсной фазы m, плотностью дисперсной фазы, с частицами дисперсной фазы определенной формы и размера:

r – радиус шара, l – длина ребра куба (варианты заданий приведены в табл. 26).

1. Рассчитайте дисперсность системы и удельную поверхность Sуд.

2. Определите тип системы по всем классификационным признакам.

3. Рассчитайте параметры частицы дисперсной фазы: объем V0, поверхность S0, массу m0.

4. Рассчитайте общую поверхность всех частиц S и число частиц N в дисперсной системе.

5. Укажите, какие молекулярно-кинетические, оптические и электрокинетические свойства характерны для данной дисперсной системы.

Вари- Дисперсная Дисперсионная Форма Коллоидный раствор (золь) АД получен при смешивании V1 мл водного раствора АС с молярной концентрацией С1 и V2 мл водного раствора ВД с молярной концентрацией С2 (варианты заданий приведены в табл. 27).

1. Напишите уравнение реакции и определите, какой из продуктов реакции образует золь.

2. Рассчитайте, какое из исходных веществ – АС или ВД – взято в избытке.

3. Напишите формулу мицеллы образовавшегося золя АД и укажите заряд коллоидной частицы (гранулы).

4. Предложите методы определения заряда коллоидной частицы (гранулы).

5. Для данных электролитов: K2SO4, NaNO3, Na3PO4, MgCl2, CdSO4, Al2(SO4)3.

5.1. Определите, какой из ионов электролита будет вызывать коагуляцию, и расположите ионы в ряд в порядке уменьшения порога коагуляции.

5.2. Рассчитайте пороги коагуляции Ск в золе АД для каждого из предложенных электролитов, используя правило Шульца-Гарди или закономерность Дерягина-Ландау, если порог коагуляции гидрозоля АД под действием электролита KNO3 равен Ск (табл. 27).

5.3. Выберите наиболее экономичный электролит–коагулятор и рассчитайте расход данного электролита (массу в кг) на очистку 1000 м3 сточных вод от 5.4. Предложите другие методы очистки сточных вод от коллоидных примесей вещества АД.

5.5. Выберите показатели качества воды (физические: запах, вкус, цветность, прозрачность, мутность, плотность; химические: электрическая проводимость, солесодержание, рН, окисляемость, жесткость и др.), которые можно использовать для контроля эффективности очистки воды от коллоидных примесей вещества АД методом коагулирования.

АД АС ВД

При растворении вещества в воде происходит гидролиз (варианты заданий приведены в табл. 28), который при образовании раствора углубляется и приводит к образованию золя (иногда для этого требуется еще и нагревание).

Напишите формулы всех возможных мицелл и укажите знак электрического заряда коллоидных частиц, если процесс гидролиза идет по предложенной схеме (табл. 28), учитывая, что в растворе могут находиться другие заряженные частицы.

ВариСхема гидролиза Al(CH3COO)3 + 3H2O Al(OH)3 + 3CH3COOH Zn(CH3COO)2 + 2H2O Zn(OH)2 + 2CH3COOH Cu(CH3COO)2 + 2H2O Cu(OH)2 + 2CH3COOH Sn(CH3COO)2 + 2H2O Sn(OH)2 + 2CH3COOH ЗАДАЧА 4. Молекулярно-кинетические и оптические свойства Вариант Среднеквадратичное значение проекции сдвига частицы гидрозоля SiO 2 за 3 с составляет 8 мкм. Определите радиус частицы, если вязкость дисперсионной среды равна 110-3 Пас при 293 К.

Вариант Определите диаметр частиц аэрозоля, используя результат исследования методом поточной ультрамикроскопии: в объеме 2,210-2 мм3 подсчитано 87 частиц аэрозоля (дыма мартеновской печи). Концентрация аэрозоля 110-4 кг/м3, плотность дисперсной фазы 2 г/см3, форма частиц сферическая.

Вариант Удельная поверхность сферических частиц гидрозоля кремнезема составляет 1,1104 м-1. Вязкость дисперсионной среды 1103 Пас, температура 293 К. Определите проекцию среднего сдвига частиц золя за время 4 с.

Вариант Используя уравнение Рэлея, сравните интенсивности света, рассеянного эмульсиями с равными радиусами частиц и концентрациями: бензола (n1 = 1,501) в воде и н-пентана (n1 = 1,357) в воде. Показатель преломления воды n0 = 1,333.

Вариант По данным Сведберга коэффициент диффузии коллоидных частиц золота в воде при 298 К равен 2,710-7м2/сут. Определите дисперсность частиц гидрозоля золота. Вязкость воды при 298 К равна 8,8410-4 Пас.

Вариант Покажите, в каком случае и во сколько раз интенсивность рассеянного дисперсной системой света больше: при освещении синим светом (1 = 410 нм) или красным светом (2 = 630 нм). Светорассеяние происходит в соответствии с уравнением Рэлея, и интенсивности падающих монохроматических пучков света равны.

Вариант Определите частичную концентрацию золя Al2O3 исходя из следующих данных: массовая концентрация 0,3 г/л, коэффициент диффузии сферических частиц золя 210-6 м2/сут, плотность Al2O3 4 г/см3, вязкость среды 110-3 Паc, температура 293 К.

Вариант Осмотическое давление гидрозоля золота (форма частиц сферическая) с концентрацией 2 г/л при 293 К равно 3,74 Па. Рассчитайте коэффициент диффузии частиц гидрозоля при тех же условиях, если плотность золота 19,3 г/см3, а вязкость дисперсионной среды 110-3 Паc.

Вариант Два пучка монохроматического света равной начальной интенсивности с 1 = 440 нм (синий свет) и с 2 = 630 нм (красный свет) проходят через эмульсию бензола в воде. Рассчитайте отношение интенсивностей прошедшего света, если толщина слоя эмульсии равна 5 см. Содержание дисперсной фазы 0,1 % (об), средний радиус частиц эмульсии 40 нм, показатели преломления бензола и воды равны соответственно n1 = 1,501 и n0 = 1,333. При расчете принять, что ослабление света происходит только в результате светорассеяния и показатели преломления не зависят от длины волны света.

Вариант Рассчитайте отношение осмотических давлений двух гидрозолей (форма частиц сферическая) при условиях: 1) одинаковая массовая концентрация, но различная дисперсность частиц 1 = 40 мкм-1 и 2 = 20 мкм-1 ; 2) одинаковая дисперсность, но различная массовая концентрация С1 = 7 г/л и С2 = 3,5 г/л.

Вариант Используя закономерности светорассеяния в соответствии с теорией Рэлея и ослабление светового потока в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера, рассчитайте радиус частиц дивинилстирольного латекса, если концентрация латекса 0,2 г/л, длина волны падающего света равна 400 нм, оптическая плотность А равна 0,347 в кювете длиной 5,01 см. Показатель преломления воды равен 1,333, плотность и показатель преломления дисперсной фазы равны 0,945 г/см3 и 1,653.

Вариант Рассчитайте радиус частиц диоксида кремния, если известно, что время их оседания на расстояние h=1 см равно: а) 30 с; б) 60 мин. Плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды равны соответственно 2,7 и 1,1 г/см 3, вязкость дисперсионной среды 1,510-3 Паc.

Вариант Удельная поверхность сферических частиц гидрозоля диоксида кремния составляет: 2,1105 м2/кг, плотность диоксида кремния 2,7 г/см3, вязкость дисперсионной среды 110-3 Паc, температура 293 К. Определите проекцию среднего сдвига частиц золя за время 6 с.

Вариант Рассчитайте время, за которое сферические частицы стекла в воде оседают на расстояние h = 1 см, если дисперсность частиц составляет: а) 0,1 мкм-1;

б) 1 мкм-1. Плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды равны соответственно 2,4 и 1,0 г/см3. Вязкость дисперсионной среды 110-3 Паc.

Вариант Используя закономерности светорассеяния в соответствии с теорией Рэлея и ослабление светового потока в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера, рассчитайте радиус частиц дивинилстирольного латекса, если концентрация латекса 0,4 г/л, длина волны падающего света равна 540 нм, оптическая плотность А равна 0,203 в кювете длиной 4,01 см. Плотность и показатель преломления дисперсной фазы равны 0,945 г/см3 и 1,653, показатель преломления воды 1,333.

Вариант Определите радиус частиц суспензии гуммигута в воде, если среднеквадратичный сдвиг равен 7,09 мкм за время 30 с, температура опыта 290 К, вязкость среды 1,110-3 Пас.

Вариант Для гидрозоля Al2O3 рассчитайте высоту, на которой концентрация частиц уменьшается в 2,7 раза. Форма частиц сферическая, удельная поверхность дисперсной фазы гидрозоля 109 м-1. Плотность Al2O3 равна 4 г/см3, плотность дисперсионной среды 1 г/см3, температура 293 К.

Вариант Рассчитайте, за какое время сферические частицы Al2O3, распределенные в среде с вязкостью 1,510-3 Пас, оседают на высоту 1 см, если удельная поверхность частиц составляет 104 м-1. Плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды равны соответственно 4 и 1 г/см3.

Вариант Свет с длиной волны 540 нм и начальной интенсивностью I 0 проходит через слой эмульсии тетралина в воде толщиной 5 см. Рассчитайте долю прошедшего света Iп/I0, если радиус частиц эмульсии 10 нм. Содержание дисперсной фазы 0,05 % (об), показатели преломления тетралина и воды n1 = 1,540, n0 = 1,333.

Вариант Определите радиус частиц суспензии коалина в воде, если среднеквадратичный сдвиг равен 12 мкм за время 120 с. Температура опыта 293 К, вязкость среды 1,110-3 Пас.

ЗАДАЧА 5. Электрокинетические свойства дисперсных систем Вариант Рассчитайте электрофоретическую скорость передвижения частиц золя трисульфида мышьяка по следующим данным: электрокинетический потенциал частиц 42,3 мВ, расстояние между электродами 0,4 м, внешняя разность потенциалов 149 В, вязкость среды 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость 80,1.

Вариант Рассчитайте электрокинетический потенциал поверхности частиц бентонитовой глины по результатам электрофореза при следующих условиях: расстояние между электродами 25 см, напряжение 100 В, за 15 мин частицы перемещаются на 6 мм к аноду, относительная диэлектрическая проницаемость среды 78,2 при 298 К, вязкость 8,8410-4 Пас.

Вариант Рассчитайте электрофоретическую скорость частиц золя сульфида мышьяка, если электрокинетический потенциал частиц равен 89,5 мВ, внешняя разность потенциалов между электродами 240 В, расстояние между электродами 0,2 м, вязкость среды 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость 80,1.

Вариант Рассчитайте электрокинетический потенциал поверхности кварца по данным, полученным при исследовании электроосмотического переноса жидкости через кварцевую мембрану: сила тока 210-3 А, объемная скорость раствора KCl, переносимого через мембрану, 0,02 мл/с, удельная электрическая проводимость раствора 1,210-2 Смм-1, вязкость раствора 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость 80,1.

Вариант Частицы аэросила SiO2 в водной среде при рН=6,2 имеют электрокинетический потенциал, равный -34,710-3 В. На какое расстояние и к какому электроду сместятся частицы за 30 мин, если напряжение в приборе для электрофореза 110 В, расстояние между электродами 25 см, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1, вязкость 110-3 Пас.

Вариант Рассчитайте электрокинетический потенциал на границе раздела фаз кварцводный раствор KCl по следующим данным электроосмоса: сила тока 210-3 А, время переноса 0,01 мл раствора 110 с, удельная электрическая проводимость раствора 610-2 Смм-1, вязкость 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1.

Вариант Рассчитайте электрокинетический потенциал частиц кварцевого стекла, если скорость передвижения этих частиц в водном растворе NaCl равна 2,2 мкм/с при постоянной напряженности электрического поля 100 В/м. Вязкость раствора 1,1410-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость 82, температура 288 К.

Вариант 8.

Рассчитайте электрокинетический потенциал по экспериментальным данным электрофореза золя гидроксида кремния в растворе Cd(NO3)2, если электрофоретическая подвижность Vэф равна 1910-9 м2/(сВ). Относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1, вязкость 110-3 Пас, дисперсная фаза перемещается к аноду.

Вариант Рассчитайте электрокинетический потенциал частиц корунда в водном растворе KCl по следующим данным: скорость электроосмоса через корундовую мембрану 0,02 мл/с, удельная электрическая проводимость раствора 1,210-2 Смм-1, вязкость раствора 110-3 Пас, сила тока при осмосе 1,510-2 А, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1.

Вариант Рассчитайте электрокинетический потенциал частиц золя Fe(OH)3 по данным электрофореза: разность потенциалов 170 В, расстояние между электродами 0,45 м, смещение границы золя к катоду составило 12 мм за 30 мин. При температуре опыта, равной 298 К, вязкость дисперсионной (водной) среды 8,9410- Пас и относительная диэлектрическая проницаемость среды 78,2.

Вариант Рассчитайте электрофоретическую скорость частиц глины, если электрокинетический потенциал частиц 48,8 мВ, разность потенциалов между электродами равна 220 В, а расстояние между ними 44 см, вязкость среды 110-3 Пас и относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1.

Вариант Рассчитайте напряженность электрического поля (градиент потенциала), если электрокинетический потенциал частиц золя гидроксида железа равен 52,5 мВ, электрофоретическая скорость частиц 3,7410-4 см/с, вязкость среды 1,00510-3 Пас, а относительная диэлектрическая проницаемость 80,1.

Вариант Определите электрокинетический потенциал на границе раздела фаз керамический фильтр – водный раствор KCl, если при протекании раствора скорость электроосмоса 0,03 мл/с, удельная электрическая проводимость среды 1,310-2 Смм-1, сила тока при осмосе 210-2 А, вязкость среды 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость 80,1.

Вариант Рассчитайте электрофоретическую скорость частиц золя золота, если напряженность электрического поля 1000 В/м, а электрокинетический потенциал составляет 58 мВ. Вязкость среды 1,1410-3 Пас, а относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1.

Вариант Определите электрокинетический потенциал частиц золя сульфида мышьяка, если при измерении электрофоретической скорости частиц разность потенциалов равна 240 В, расстояние между электродами 30 см, перемещение частиц за 10 мин 14,36 мм, вязкость среды 1,00510-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1.

Вариант Рассчитайте величину электрокинетического потенциала на границе кварцевое стекло – водный раствор KCl. Процесс электроосмоса характеризовался следующими данными: сила тока 410-4 А, время перемещения 110-8 м3 раствора составило 12,4 с, удельная электрическая проводимость среды 1,810-2 Смм-1, вязкость среды 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1.

Вариант Определите электрокинетический потенциал частиц золя гидроксида железа, если электрофорез происходил при следующих условиях: напряженность электрического поля 500 В/м, перемещение частиц за 10 мин на 12 мм, вязкость среды 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1.

Вариант Рассчитайте скорость электрофореза коллоидных частиц берлинской лазури в воде, если электрокинетический потенциал составляет 58 мВ, напряженность электрического поля 510-2 В/м, вязкость среды 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1.

Вариант Определите, при какой силе тока в процессе электроосмотического движения водного раствора KCl через мембрану из полистирола его объемная скорость будет равна 5,510-10 м3/с. Удельная электрическая проводимость среды 910-2 Смм-1, вязкость среды 110-3 Пас, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1. Величина электрокинетического потенциала равна 10 мВ.

Вариант Рассчитайте электрокинетический потенциал частиц суспензии, если электрофоретическая скорость частиц равна 1,9910-6 м/с. Напряженность электрического поля составляет 0,57 В/см, относительная диэлектрическая проницаемость среды 80,1, вязкость среды 110-3 Пас.

ЗАДАЧА 6. Коагуляция дисперсных систем. Очистка природных Вариант Перед подачей речной воды в цеха завода ее осветляют: вводят в нее электролит–коагулятор и образовавшийся ил отстаивают в специальных отстойниках.

Рассчитайте расход Al2(SO4)3 (кг/сут), если расход воды на предприятии 100 000 м3/сут, а порог коагуляции по NaCl равен 288 моль/м3. Считать знак электрических зарядов коллоидных частиц отрицательным.

Вариант Отработанные растворы производства фотоматериалов содержат коллоидное серебро в виде галогенидов. Рассчитайте расход Al2(SO4)3 в кг на 100 м3 сточных вод, предполагая, что знак электрических зарядов коллоидных частиц положительный. Пороги коагуляции (ммоль/дм3) для одновалентных ионов 142;

для двухвалентных 2,43; для трехвалентных 0,068.

Вариант Рассчитайте расход 26 % раствора Al2(SO4)3 в м3 ( = 1 300 кг/м3) на подготовку 1 000 м3 сточных вод к очистке от коллоидных частиц, если знак их электрических зарядов отрицательный. Порог коагуляции рассматриваемого золя по отношению к NaCl равен 235 моль/м3.

Вариант Производственные сточные воды содержат коллоидное серебро в виде галогенидов. Рассчитайте расход Al2(SO4)3 на очистку 500 м3 сточных вод, предполагая, что знак электрических зарядов коллоидных частиц отрицательный. Пороги коагуляции (моль/м3) для одновалентных ионов 142; для двухвалентных 2,43; для трехвалентных 0,068.

Вариант Речная вода содержит коллоидные частицы органических примесей. Для использования ее в целях завода предварительно проводят коагуляцию, а затем отстаивают в специальных отстойниках для удаления ила. Рассчитайте расход NaCl (кг в сутки), если расход воды на предприятии 300 000 м 3/сут, а порог коагуляции по NaCl – 52 моль/м3.

Вариант Для коагуляции 1010-6 м3 золя AgI с отрицательным зарядом частиц требуется 0,4510-6 м3 раствора Ba(NO3)2. Концентрация электролита равна 0,05 кмоль/м3.

Найдите порог коагуляции золя под действием Ba(NO3)2.

Вариант Для осветления речной воды перед подачей ее в цеха завода используют специальные электролиты–коагуляторы. Рассчитайте расход Na2SO4 и NaCl кг/сут для каждого электролита отдельно, если расход воды на заводе составляет 250 000 м2/сут, а порог коагуляции по NaCl – 52 моль/м3, а по Na2SO4 – 0,68 моль/м3. Укажите знак электрических зарядов взвешенных частиц в речной воде.

Вариант Рассчитайте, какой объем (см3) раствора электролита 0,01 М K2Cr2O7 нужно добавить к 10 л золя гидроксида алюминия, чтобы вызвать его коагуляцию. Порог коагуляции по данному электролиту 0,63 ммоль/л.

Вариант Сточные воды производства фотоматериалов содержат коллоидное серебро в виде иодида серебра. Рассчитайте расход Al2(SO4)3 (кг) на очистку 1000 м сточных вод, предполагая, что знак электрических зарядов коллоидных частиц положительный. Пороги коагуляции (моль/м3) для одновалентных ионов 140;

для двухвалентных 1,98; для трехвалентных 0,052.

Вариант В три колбы налито 50 см3 золя Fe(OH)3. Чтобы вызвать коагуляцию золя, потребовалось добавить в первую колбу 5,30 см3 1 М KCl, в другую 31,5 см 0,01 М Na2SO4, в третью 18,7 см3 0,001 М Na3PO4. Вычислите пороги коагуляции каждого электролита и определите знак заряда частиц золя.

Вариант Рассчитайте, какой объем (м3) раствора 0,01 М Al2(SO4)3 требуется для коагуляции 10 м3 золя As2S3. Порог коагуляции равен 9610-6 кмоль/м3.

Вариант Для очистки сточных вод от коллоидного серебра в виде иодидов используют хлорид железа (II). Рассчитайте расход на 500 м3 сточных вод, предполагая, что знак электрических зарядов коллоидных частиц отрицательный. Пороги коагуляции (моль/м3) для одновалентных ионов 120; для двухвалентных 1,92; для трехвалентных 0,052.

Вариант К 5 см3 золя Fe(OH)3 для начала явной коагуляции необходимо добавить один из следующих растворов: 4 см3 1М KCl; 0,5 см3 0,01М K2SO4; 3,9 см3 0,0005 М K4[Fe(CN)6]. Вычислите пороги коагуляции для этих электролитов. Определите, во сколько раз коагулирующая способность K4[Fe(CN)6] выше, чем у K2SO4 и KCl.