Пример 3. Коагуляция коллоидных растворов. Порог коагуляции

1. В каждую из трёх колб налили по 100 мл золя гидроксида железа (2). Для того чтобы вызвать коагуляцию золя, в первую колбу добавили 10 мл 1 н. раствора хлорида аммония, во вторую – 63 мл 0, 01 н. раствора сульфата натрия, в третью – 37 мл 0, 001 н. раствора ортофосфата натрия. Вычислите порог коагуляции каждого электролита-коагулянта и определите знак заряда частиц золя гидроксида железа.

Решение. Согласно правилу Шульце-Гарди коагулирующим действием обладает лишь тот ион электролита, заряд которого противоположен заряду потенциалопределяющих ионов мицеллы, причем, его коагулирующая способность выражается тем сильнее, чем выше заряд.

В нашем случае электролитами-коагулянтами являются растворы NH₄Cl, Na₂SO₄ и Na₃PO₄. Поскольку в этих электролитах заряд катиона одинаков по величине и не может повлиять на порог коагуляции, то вполне очевидным будет предположить, что ионами-коагулянтами выступают анионы Cl^-, SO₄^2- и PO₄^3-.

Рассчитаем их пороги коагуляции, используя уравнение (8) теоретической части данного раздела V_эл.С_N ν _э С_N(крит) = ———— = ————,

V + V_эл V + V_эл

где: V – объем коллоидного раствора; V_эл – объем электролита-коагулятора; ν _э – количество вещества эквивалента электролита-коагулятора; С_N – молярная концентрация эквивалента электролита-коагулятора; С_N(крит) – наименьшая концентрация электролита-коагулятора, при которой разрушается коллоидный раствор:

а) С_N(крит)NH₄Cl = (10мл·1моль/л)/(100мл + 10мл) = 0, 09091 моль/л = 90, 91 ммоль/л;

б) С_N(крит)Na₂SO₄ = (63мл·0, 01моль/л)/(100мл + 63мл) = 0, 00386 моль/л = 3, 86 ммоль/л;

в) C_N(крит)Na₃PO₄ = (37мл·0, 001моль/л)/(100мл + 37мл) = 0, 00027 моль/л = 0, 27 ммоль/л.

Наименьший порог коагуляции (или наибольшая коагулирующая способность) у трехзарядного фосфат-иона РО₄^3-, следовательно, гранулы золя гидроксида железа (2) заряжены положительно, т.е. потенциалопределяющими ионами в коллоидной мицелле являются гидратированные катионы железа Fe²⁺·pH₂O.

Ответ: С_N(крит)NH₄Cl = 90, 91 ммоль/л; С_N(крит)Na₂SO₄ = 3, 86 ммоль/л; C_N(крит)Na₃PO₄ = 0, 27 ммоль/л. Гранулы золя гидроксида железа (2) заряжены положительно, потенциалопределяющие ионы - Fe²⁺·pH₂O.

2. Рассчитайте объем электролита-коагулянта с концентрацией 0, 0002 М. нитрата железа (3), необходимый для коагуляции 25 мл золя сульфида мышьяка (3), если порог коагуляции раствора нитрата железа равен 0, 007 ммоль/л.

Решение. Используя уравнение (8), преобразуем его относительно объема электролита-коагулянта V_эл и решим, подставив данные из условия задачи:

V_эл·C_N = C_N(крит)·V + C_N(крит)·V_эл; V_эл(C_N - C_N(крит)) = C_N(крит)·V и окончательно

V_эл = [C_N(крит)·V]/[C_N - C_N(крит)].

При расчете вспомним, что переход от молярной концентрации к нормальной осуществляется по уравнению C_N = Cμ /n·B где n – число катионов Fe³⁺ в формуле вещества Fe(NO₃)₃, B – заряд катиона, тогда

V_эл = [0, 007 ммоль/л·25мл]/[(0, 0002 моль/л·1000)/(1·3) – 0, 007 ммоль, л] = 0, 175/0, 0597 = 3 мл..

Ответ: для коагуляции золя сульфида мышьяка необходимо 3 мл электролита-коагулянта Fe(NO₃)₃.

3. Гидрофильный золь гидроксида меди (2) получен при сливании 100 мл 0, 05 н. раствора гидроксида натрия и 250 мл 0, 001 н. раствора нитрата меди (2). Определите, какой из перечисленных электролитов коагулянтов – КBr, Ba(NO₃)₂, K₂CrO₄, MgSO₄, AlCl₃ – обладает наибольшей коагулирующей способностью.

Решение. Дисперсная фаза золя гидроксида меди образуется по реакции обмена

Cu(NO₃)₂ + 2NaOH = ↓ Cu(OH)₂ + 2NaNO₃.

Для выявления потенциалопределяющих ионов рассчитаем количество вещества эквивалентов реагентов:

ν _эNaOH = V_NaOH·C_NNaOH = 0, 1л·0, 05моль/л = 0, 005 моль;

ν _эCu(NO₃)₂ = V_Cu(NO3)2·C_NCu(NO₃)₂ = 0, 25л·0, 001моль/л = 0, 00025 моль.

Поскольку гидроксид натрия присутствует в смеси в подавляющем количестве по сравнению с нитратом меди (20÷ 1), то потенциалопределяющими ионами в коллоидной мицелле будут гидроксид-ионы ОН^-·рН₂О. Мицелла является гидрофильной. Её строение:

{[(m(Cu(OH)₂·rH₂O·nOH^-·pH₂O)^n-·(n-x)Na⁺·qH₂O]^x- + xNa⁺·ℓ H₂O}⁰.

Для такой мицеллы ионами-коагулянтами, согласно правилу Шульце-Гарди, могут быть только катионы, причем, чем выше заряд катиона, тем его коагулирующая активность больше. В представленном ряду электролитов наибольшей коагулирующей активностью будет обладать раствор хлорида алюминия, содержащий катионы алюминия Al³⁺.

Ответ: гранула мицеллы гидроксида меди заряжена отрицательно, поэтому наибольшей коагулирующей способностью обладает раствор AlCl₃, содержащий катионы - коагулянты Al^3+.