Главная страница Случайная страница
Разделы сайта
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Пример 2. Строение коллоидной частицы. Определение заряда её поверхности
|
|
1. Золь фторида кальция получен смешиванием 32 мл раствора фторида натрия с молярной концентрацией NaF, равной 8, 0·10-3 моль/л и 25 мл раствора хлорида кальция с молярной концентрацией CaCl2, равной 9, 6·10-3 моль/л. Напишите формулу мицеллы полученного золя, укажите все её составные части. Определите тип коллоида, знак заряда гранулы коллоидной частицы золя и направление её движения в электрическом поле.
Решение. Зная молярные концентрации растворов NaF и CaCl2, определяем количество вещества фторида натрия ν (NaF) и хлорида кальция ν (СаСl2), вступивших в реакцию обмена по уравнению
2NaF + CaCl2 = ↓ CaF2 + 2NaCl:
ν (NaF) = Cμ (NaF)·V(NaF) = (8, 0·10-3 моль/л)·(32·10-3 л) = 2, 56·10-4 моль,
ν (CaCl2) = Cμ (CaCl2)·V(CaCl2) = (9, 6·10-3 моль/л)·(25·10-3 л) = 2, 4·10-4 моль.
Cогласно уравнению реакции, вещества взаимодействуют между собой в соотношении ν (NaF): ν (CaCl2) = 2: 1, а из приведенных расчетов видно, что ν (NaF): ν (CaCl2) =(2, 56·10-4)/(2, 4·10-4) = 1, 07: 1, т.е. в растворе имеется избыток хлорида кальция, который и служит в данном случае стабилизатором коллоидной мицеллы. Поскольку по условию задачи речь идет о водных растворах взаимодействующих солей, то ионы стабилизатора (Са+ и Cl-) будут гидратированными, т.е. окруженными молекулами растворителя Н2О. Вместе с тем, зародыш коллоидной частицы, формирующийся из нерастворимых молекул фторида кальция СаF2, будучи веществом кристаллическим, воду не поглощает. Отсюда первый вывод – коллоридная частица является гидрофобной.
Из ионов стабилизатора генетически близким к составу зародыша (согласно правилу Пескова-Фаянса) является ион кальция Са2+. Отсюда мы делаем второй вывод – потенциалопределяющими ионами будут ионы Са2+·ρ Н2О, и, следовательно, гранула коллоидной мицеллы будет положительно заряженной, т.е. в электрическом поле будет перемещаться к катоду.
Противоионами в этом растворе служат гидратированные хлорид-ионы стабилизатора 2Cl-·(q+ℓ)H2O, которые располагаются вокруг ядра двумя слоями: первый – адсорбционный, состоящий из 2Cl-·qH2O, второй – диффузный, его строение 2Cl-·ℓ H2O.
Теперь можно записать мицеллярную формулу частицы золя фторида кальция:
{[(m(CaF2)·nCa2+·ρ Н2О)2n+·2(n-x)Cl-·qH2O]2x+ + 2xCl-·ℓ H2O}0.
потенциал- | зародыш _| адсорбц. слой диффузн. слой
определяющий | ядро | противоионов
ион | гранула |
| мицелла |
Как видим, гранула золя CaF2 в данном случае заряжена положительно и при наложении электрического поля гранула будет двигаться к отрицательно заряженному электроду (катоду), а противоионы диффузного слоя (2хCl-·ℓ H2O) – к положительно заряженному электроду (аноду).
Ответ: образуется гидрофобный золь, гранула заряжена положительно, перемещается под дейситвием электрического поля к катоду.
2. Золь сульфата бария получен смешением равных объемов растворов нитрата бария и серной кислоты. Напишите формулу мицеллы золя, гранула которой в электрическом поле перемещается к аноду. Ответьте на вопрос, будут ли одинаковыми исходные молярные концентрации электролитов. Укажите природу и строение мицеллы золя.
Решение. Нерастворимой дисперсной фазой в коллоидном растворе, образующемся при смешивании растворов Ba(NO3)2 и H2SO4, будет кристаллический сульфат бария, согласно реакции обмена
Ba(NO3)2 + H2SO4 = ↓ BaSO4 + 2HNO3.
Поскольку дисперсная фаза имеет кристаллическую структуру, то образующаяся на её основе мицелла является гидрофобной. Если гранула перемещается к аноду, значит, она имеет отрицательный заряд и, следовательно, потенциалопределяющими ионами могут быть только гидратированные анионы SO42-·рН2О (правило Пескова-Фаянса). Ясно, что противоионами выступают гидратированные протоны 2Н+·(q+ℓ)H2O, т.е. электролитом-стабилизатором является серная кислота, а значит, её концентрация в этой системе должна быть больше в сравнении с концентрацией раствора нитрата бария: Сμ (H2SO4) > Сμ (Ba(NO3)2.
С учетом проведенного анализа, построим формулу мицеллы гидрофобного золя сульфата бария:
{[(m(BaSO4)· nSO42-·рН2О)2n-·2(n-x)H+·qH2O]2x- + 2xH+·ℓ H2O}0.
Потенциал- | зародыш | адсорбц. слой диффузн. слой
определяющий | ядро | противоионов
ион | гранула |
| мицелла |
Ответ: золь сульфата бария гидрофобный, гранула заряжена отрицательно, в раствореСμ (H2SO4) > Сμ (Ba(NO3)2.
3. Золь гидроксида железа (3), полученный при добавлении к 85 мл кипящей дистиллированной воды 15 мл раствора хлорида железа (3) с массовой долей FeCl3, равной 2%, образуется в результате частичного гидролиза соли по уравнению:
FeCl3 + 3H2O = ↓ Fe(OH)3 + 3HCl.
Напишите возможные формулы мицелл золя Fe(OH)3, учитывая, что при образовании частиц гидроксида железа (3) в растворе присутствовали следующие ионы: Fe3+, FeO+, H+, Cl-, ОН-. При этом все ионы гидратированы молекулами растворителя.
Решение. Как показывает уравнение гидролиза, приведенное в условии задачи, образованию нерастворимого гидроксида железа (3) соответствует соотношение Сμ (Fe3+): Сμ (ОН-) = ν (Fe3+): ν (ОН-) = 1: 3.
Определим количество вещества каждого из участников процесса гидролиза. Согласно данным таблицы №3 приложения № 10, плотность 2% раствора хлорида железа (3) при нормальных условиях равна 1, 015 г/см3. Зависимость массы FeCl3 и массовой доли ω (FeCl3) определяется из соотношения m(FeCl3) = ω (FeCl3)·Vр-ра(FeCl3)·ρ р-ра(FeCl3). С другой стороны, количество вещества соли ν (FeCl3) = m(FeCl3)/M(FeCl3), где M(FeCl3) – молярная масса хлорида железа, она равна M(FeCl3) = 56 + 3·35, 5 = 162, 5 г/моль. Отсюда получаем расчетную формулу для определения количества вещества соли, а значит, и количества вещества ионов Fe3+, вступивших в реакцию гидролиза:
ν (Fe3+) = ν (FeCl3) = [ω (FeCl3)·Vр-ра(FeCl3)·ρ р-ра(FeCl3)]/M(FeCl3).
Произведем соответствующие расчеты и получим:
ν (Fe3+) = ν (FeCl3) = (0, 02·15·1, 015)/162, 5 = 1, 85·10-3 моль.
Для определения концентрации Сμ и количества вещества ν гидроксид-ионов ОН– вспомним правило ионного произведения воды. Оно гласит, что в нейтральном растворе молярные концентрации ионов Н+ и ОН– равны и не превышают 1·10-7 моль/л. При гидролизе, как показывает уравнение в условии задачи, концентрация ОН– будет и того меньше (гидролиз приводит к подкислению раствора). Даже если мы допустим, что в нашей системе присутствует 100 мл чистой воды, то в них будет содержаться не более 1·10-7 моль ионов ОН–.
Следовательно, электролитом-стабилизатором при образовании мицелл гидроксида железа (3) ни при каких условиях не может выступать вода (как источник ионов ОН– и Н+). Зато другие ионы - Fe3+, FeO+, Cl– могут участвовать в стабилизации коллоидных частиц. Исходя из этих рассуждений, построим две возможные формулы мицелл золя, не забывая при этом, что гидроксид железа является веществом аморфным, а потому активно адсорбирующим молекулы растворителя. Это означает, что обе возможные мицеллы будут иметь гидрофильную природу.
Случай 1): потенциалопределяющие ионы – Fe3+·pH2O; противоионы - 3Сl-·(q+ℓ)H2O. При этих условиях формула гидрофильной мицеллы золя Fe(OH)3 будет иметь вид: {[(m(Fe(OH)3·rH2O·nFe3+·pH2O)3n+·3(n-x)Cl–·qH2O]3x+ + 3xCl–·ℓ H2O}0.
Случай 2): потенциалопределяющие ионы – FeO+·pH2O; противоионы - Сl-·(q+ℓ)H2O. Мицелла гидрофильная, её формула
{[(m(Fe(OH)3·rH2O·nFeО+·pH2O)n+·(n-x)Cl–·qH2O]x+ + xCl–·ℓ H2O}0.
В обоих случаях гранулы имеют положительный заряд и в электрическом поле перемещаются к катоду.
Ответ: возможно образование двух гидрофильных мицелл с гранулами положительного заряда
{[(m(Fe(OH)3·rH2O·nFeО+·pH2O)n+·(n-x)Cl–·qH2O]x+ + xCl–·ℓ H2O}0
и {[(m(Fe(OH)3·rH2O·nFe3+·pH2O)3n+·3(n-x)Cl–·qH2O]3x+ + 3xCl–·ℓ H2O}0.
4. Золь берлинской лазури можно получить при взаимодействии неэквивалентных количеств разбавленных растворов железа (3) хлорида и калия феррицианата K4[Fe(CN)6]. Напишите формулы мицелл гидрофобных золей, имея в виду, что комплексные ионы подвергаются гидратации с такой же силой, как и простые.
Решение. В основе образования коллоидных растворов лежит реакция обмена, приводящая к формированию нерастворимой фазы:
4FeCl3 + 3K4[Fe(CN)6] = ↓ Fe4[Fe(CN)6]3 + 12KCl.
Нерастворимые частицы гексацианоферрата (2) железа (3) образуют зародыш коллоида, причем гидрофобный, т.к. вещество имеет кристаллическое строение. В зависимости от того, какая из солей взята в избытке, потенциалопределяющими ионами могут выступить либо гидратированные анионы [Fe(CN)6]4-·рН2О, либо гидратированные катионы Fe3+·pH2O. Соответственно, противоионами будут в разных случаях либо 4К+·(q+ℓ)H2O, либо 4Cl-·(q+ℓ)H2O.
На основании проведенного анализа составим формулы возможных мицелл:
а) СN K4[Fe(CN)6] > СNFeCl3, тогда
{[ (m(Fe4[Fe(CN)6]3·n[Fe(CN)6]4-·рН2О)4n-·4(n-x)K+·q(H2O)]4x- + 4xK+·ℓ H2O}0;
б) СN K4[Fe(CN)6] < СNFeCl3, тогда
{[(m(Fe4[Fe(CN)6]3·nFe3+·pH2O)3n+·3(n-x)Cl-·qH2O]3x+ + 3xCl-·ℓ H2O}0.
Хотя обе мицеллы являются гидрофобными, но заряды их гранул противоположны по знаку. Если смешать растворы в эквивалентных количествах, произойдет компенсация зарядов на этапе формирования гранул и мицеллы скоагулируют (произойдет их разрушение).
Ответ: формулы образующихся в двух различных случаях мицелл имеют вид:
а) {[(m(Fe4[Fe(CN)6]3·n[Fe(CN)6]4-·рН2О)4n-·4(n-x)K+·q(H2O)]4x- + 4xK+·ℓ H2O}0;
б) {[(m(Fe4[Fe(CN)6]3·nFe3+·pH2O)3n+·3(n-x)Cl-·qH2O]3x+ + 3xCl-·ℓ H2O}0.
5. Рассчитайте объем 0, 0025 М. раствора KI, который необходимо добавить к 0, 035 л 0, 003 н. раствора Pb(NO3)2, чтобы получить гидрофобный золь иодида свинца и при электрофорезе его противоионы двигались к аноду. Постройте формулу мицеллы золя.
Решение. Как уже подчеркивалось не раз, в основе образования коллоидного раствора лежит реакция обмена, приводящая к формированию нерастворимой дисперсной фазы: 2KI + Pb(NO3)2 = ↓ PbI2 + 2 KNO3.
Если противоионы мицеллы при электрофорезе перемещаются к аноду, следовательно, они заряжены отрицательно, а потенциалопределяющими ионами являются положительные ионы. Согласно правилу Пескова-Фаянса, для дисперсной фазы PbI2 таковыми могут быть только катионы свинца Pb2+. Отсюда ясно, что электролитом-стабилизатором выступает раствор нитрата свинца Pb(NO3)2 и противоионами становятся анионы NO3-.
При таких условиях электролит-стабилизатор должен быть в избытке, следовательно,
СN(Pb(NO3)2·V(Pb(NO3)2 > CN(KI)·V(KI).
Решим полученное неравенство относительно объема раствора иодида калия, помня, что СN(KI) = Cμ (KI) = 0, 0025 моль/л.
V(KI) < [СN(Pb(NO3)2·V(Pb(NO3)2]/CN(KI);
V(KI) < (0, 003·0, 035)/0, 0025 < 0, 042 (л).
Это означает, что для получения золя иодида свинца необходимо использовать меньше 42 мл раствора иодида калия с концентрацией 0, 0025 моль/л.
Формула гидрофобной мицеллы золя иодида свинца имеет вид:
{[(m(PbI2)·nPb2+·pH2O)2n+·2(n-x)NO3-·qH2O]2x+ + 2xNO3-·ℓ H2O}0.
Ответ: для получения золя иодида свинца с положительной гранулой и отрицательными противоионами нужно использовать менее 42 мл раствора KI;
мицелла золя имеет гидрофобную природу, её формула
{[(m(PbI2)·nPb2+·pH2O)2n+·2(n-x)NO3-·qH2O]2x+ + 2xNO3-·ℓ H2O}0.
|
|