Адсорбционные явления. Дисперсные системы

Цель работы: Изучение влияния природы адсорбента, адсорбтива и растворителя на адсорбцию; приобретение навыков разделения смеси веществ методами хроматографии; изучение способов получения и свойств дисперсных систем.

Теория: Классификация дисперсных систем. Оптические и молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем (броуновское движение, диффузия, седиментация). Эффект Фарадея-Тиндаля. Строение коллоидных систем. Правило Панета-Фаянса. Коагуляция и пептизация. Правило Шульце-Гарди. Поверхностные явления. Сорбция (абсорбция, адсорбция, хемосорбция). ПАВ. Хроматография.

Дисперсные системы – гетерогенные двух- или многофазовые системы, состоящие из частиц дисперсной фазы и окружающей их дисперсионной среды.

Дисперсная фаза	Непрерывная фаза (дисперсионная среда)	Обозна-чение	Примеры
Системы с жидкой дисперсионной средой
Твердая	Жидкая	Т/Ж	высокодисперсные золи (краски), связнодисперсные системы или гели (желе, агар-агар) и суспензии или взвеси
Жидкая	Жидкая	Ж1/Ж2	эмульсии (нефть, молоко, майонез, водоэмульсионные краски)
Газообразная	Жидкая	Г/Ж	пены (мыльная пена, взбитые сливки)
Системы с газообразной дисперсионной средой или аэрозоли
Твердая	Газообразная	Т/Г	дым, пыль
Жидкая	Газообразная	Ж/Г	туман, облака
Системы с твердой дисперсионной средой
Твердая	Твердая	Т1/Т2	горные породы, сплавы, цветные стекла
Газообразная	Твердая	Г/Т	твердые пены (пенопласты, пенобетон, пемза, шлак, хлебобулочные изделия)
Жидкая	Твердая	Ж/Т	масло, жемчуг, клетки живых организмов

Оптическое свойство коллоидных систем – опалесценция, т.е. рассеивание света малыми частицами, приводящее, в частности, к возникновению эффекта Фарадея-Тиндаля – луч света в дисперсной системе становится видимым.

Нарушение агрегативной устойчивости, при которой происходит объединение частиц в агрегаты, называют коагуляцией.

Правило Гарди – коагуляцию вызывают ионы, заряженные противоположно коллоидным частицам. Чем больше заряд иона, тем больше его коа­гулирующая способность.

Причем коагулирующая способность иона пропорциональна приблизительно шестой степени заряда коагулирующе­го иона – правило Шульце.

Процесс, обратный коагуляции, т. е. переход (диспергация) свежеобразованного осадка или геля в золь, называется пептизацией.

Адсорбция – изменение концентрации вещества на границе раздела фаз. Адсорбция происходит на любых межфа­зовых поверхностях, и адсорбироваться могут любые вещества. Адсорбция уменьшается с повышением температуры.

Абсорбция – поглощение одного вещества другим не ограничивающееся поверхностным слоем, а происходящее во всем объеме сорбента (растворение газов в жидкостях).

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – химические соединения, способные адсорбироваться на границе раздела фаз и снижать поверхностное натяжение.

Хроматография – метод разделение сложных смесей путем адсорбции в динами­ческих условиях.

Коллоидные частицы обычно имеют сложную структуру, которая за­висит от условий получения золей, стабилизатора и других факторов. Согласно правилу Панета-Фаянса – адсорбируются преимущественно ионы, входящие в состав агрегата, сходные с ними или образующие нерастворимые осадки с ионами агрегата.

Формула ми­целлы золя хлорида серебра в избытке хлорида натрия:

Оборудование и реактивы

Воронки, колбы, карандаш, линейка, мерные цилиндры, проекционный фонарь, пробирки, пробиркодержатель, пульверизатор, спички, спиртовка, стеклянные палочки, фильтровальная и хроматографическая бумага, химический стакан.

Активированный уголь (к), каолин / глина (к); дистиллированная вода; растворы: аммиак NH₃ (конц.), хлорид железа (III) FeCl₃ (2%), сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ (конц.), гексацианоферрат (II) калия K₄[Fe(CN)₆]; водный раствор эозина и метиленового синего, спиртовой раствор метиленового синего; фенолфталеин.

Эксперимент: выполните задания, составьте уравнения реакций, назовите вещества, запишите наблюдения и вывод.

Опыт 1. Влияние природы адсорбента и адсорбтива на адсорбцию

В одну пробирку поместите немного каолина (глины), в другую – немного активированного угля. В каждую пробирку добавьте по 5 мл водного раствора смеси эозина и метиленового синего. Содержимое пробирок взбалтывайте 2–3 мин. и затем отфильтруйте. Запишите наблюдения и объясните влияние природы адсорбента на адсорбцию.

Опыт 2. Влияние природы растворителя на адсорбцию

В одну пробирку налейте 10 мл водного раствора метиленового синего, в другую – такой же объем в равной концентрации спиртовой раствор метиленового синего.

В каждую пробирку внесите на кончике шпателя примерно равную массу активированного угля; содержимое взболтайте и отфильтруйте. Сравните интенсивность окраски фильтратов. Объясните опыт.

Опыт 3. Разделение смеси веществ методом бумажной хроматографии

Вырежьте из хроматографической бумаги полоску 2–3 см шириной и 8–10 см длиной. На расстоянии 1 см от нижнего края по линейке карандашом проведите тонкую линию (линия старта).

В центр линии тонким капилляром нанесите раствор (диаметр пятна 3–4 мм), содержащий катиона Cu²⁺ и Fe³⁺. Высушив бумагу на воздухе, закрепите ее с помощью двух соединенных резиновыми колечками стеклянных палочек и опустите в стакан с дистиллированной водой (рис. 6.1). Глубина погружения полоски бумаги 2–3 мм.

При поднятии воды на высоту 6–7 см выньте полоску из стакана и отметьте карандашом линии подъема растворителя (линия фронта).

Высушив хроматограмму на воздухе, смочите ее из пульверизатора раствором K₄[Fe(CN)₆]. Отметьте число и окраску зон. Измерьте расстояние от центра каждой зоны до линии старта и составьте уравнения реакций.

Опыт 4. Получение золя гидроксида железа (III) методом конденсации

В пробирку налейте 10 мл дистиллированной воды и нагрейте до кипения. В кипящую воду добавьте 5 капель раствора FeCl₃ и продолжайте нагревание до появления красно-бурого золя. В соответствии с правилом избирательной адсорбции Панета–Фаянса схема запишите строения мицеллы.

Для наблюдения эффекта Фарадея–Тиндаля через пробирку с золем пропустите луч света проекционного фонаря под углом 90°.

Опыт 5. Получение золя гидроксида железа (III) методом пептизации (диспергирования)

В пробирку налейте 2 мл раствора FeCl₃ и прибавьте по каплям раствор NH₃ до полного осаждения Fe(OH)₃. Слейте жидкость над полученным осадком и промойте его, приливая дистиллированную воду и повторяя декантацию до полного удаления аммиака. К промытому осадку добавьте 5 мл дистиллированной воды и 5–10 капель насыщ. раствора FeCl₃, смесь перемешайте 10 мин. Запишите схему строения мицеллы. Наблюдайте, образуется ли эффект Фарадея–Тиндаля.

Опыт 6. Коагуляция золя гидроксида железа (III) электролитами

К коллоидно-дисперсным системам, полученным в опытах 5 и 6, добавьте по несколько капель конц. раствора Al₂(SO₄)₃. Коагуляцию, по правилу Шульце–Гарди, вызывают ионы _____________. Запишите наблюдения и составьте уравнения реакций. Наблюдайте, образуется ли эффект Фарадея–Тиндаля.

Контрольные задания

1. Написать формулу мицеллы золя иодида серебра, полученного добавлением 40 мл раствора AgNO₃ с концентрацией 0,02 моль/л к 50 мл раствора KI с концентрацией 0,001 моль/л.

2. Написать формулу мицеллы золя гидроксида алюминия, полученного из осадка пептизацией раствором гидроксида натрия.

3. Сравнить свойства коллоидно-дисперсных систем и истинных растворов.

4. Какими воздействиями можно вызвать пептизацию осадка?

5. Перечислить основные применения коллоидных ПАВ.

6. Какой из электролитов Na₂SO₄ или MgCl₂ будет обладать большей коагулирующей способностью для золя иодида серебра, полученного смешением равных объемов раствора иодида калия с концентрацией 0,01 моль/л и раствора нитрата серебра с концентрацией 0,015 моль/л?

7. Какие ионы электролитов Na₂SO₄ и K₃[Fe(CN)₆] являются коагулирующими для гидрозоля гидроксида железа (III) полученного методом гидролиза?

8. Воздействием каких факторов можно вызвать коагуляцию лиофобных золей?

9. Что называется кинетической и агрегативной устойчивостью золей?

10. Назвать методы очистки коллоидно-дисперсных систем от примесей: а) растворенных низкомолекулярных веществ, б) грубодисперсных примесей.

11. Описать принцип работы и области применения ультрафильтра.

12. Что такое диализ, и для каких целей его применяют. Как устроен простейший диализатор?

13. Что называется границей раздела фаз? По какому принципу классифицируют границы раздела фаз?

14. Объяснить характер влияния природы адсорбента и адсорбтива на адсорбцию.

15. Привести примеры наиболее часто использующихся в практике адсорбентов.

Пример. Может ли образоваться осадок Mg(OH)₂, если смешать равные объемы 0,5 М раствора MgCl₂ и 0,1 М раствора NaOH?

Решение

При сливании двух равных объемов суммарный объем раствора увеличится вдвое, а концентрация уменьшится вдвое, то есть концентрация раствора MgCl₂ будет равной 0,5 / 2 = 0,25 моль/л, а концентрация NaOH – равной 0,1 / 2 = 0,05 моль/л.

Mg²⁺ + 2ОH^– Mg(OH) ₂

ПР[Mg(OH)₂] = [Mg²⁺][OH^–]² = 5,00 • 10^–12

Находим произведение концентраций ионов [Mg²⁺ ][OH^–]² = 0,25 • 0,052 = 6,25 • 10^–4. Сопоставляя полученную величину 6,25 • 10^–4 с табличным значением ПР = 5,00 • 10^–12, находим, что рассчитанное произведение концентраций ионов превышает ПР[Mg(OH)₂], т. е. раствор пересыщен и осадок должен образоваться.