Механизм и кинетика коагуляции золей электролитами

Необходимому для коагуляции сближению частиц дисперсной фазы препятствует, как было показано выше, электростатическое отталкивание имеющих одноименный заряд коллоидных частиц и противоионов и взаимодействие сольватных оболочек противоионов диффузного слоя. При добавлении к золю раствора электролита имеющееся равновесие адсорбции – десорбции между противоионами адсорбционного и диффузного слоев смещается в сторону адсорбции вследствие увеличения в дисперсионной среде концентрации ионов, имеющих заряд, противоположный заряду ядра (ионы с одноименным зарядом в равновесии адсорбции – десорбции не участвуют). Адсорбция дополнительного числа противоионов приводит к уменьшению заряда коллоидных частиц, уменьшению числа противоионов диффузного слоя (уменьшению толщины ДЭС) и, следовательно, к снижению агрегативной устойчивости золя. При достижении некоторого предельного значения заряда коллоидные частицы получают возможность сближения и объединения в более крупные агрегаты за счет ван-дер-ваальсовых сил; иными словами, происходит коагуляция золя.

Очевидно, что, поскольку при адсорбции многозарядных противоионов заряд коллоидной частицы уменьшается быстрее, чем при адсорбции того же числа однозарядных противоионов; адсорбируемость неорганических ионов с увеличением их заряда также возрастает. Следствием этого и является тот факт, что величина порога коагуляции для неорганических ионов будет тем меньше, чем больше заряд иона-коагулянта (величина порога коагуляции С_к обратно пропорциональна заряду иона-коагулянта в шестой степени z⁶).

Для коагуляции и осаждения гидрофильных (и лиофильных) коллоидов требуется большее количество электролита, чем для гидрофобных. Коагулирование гидрофильных коллоидов называется высаливанием (например, выпадение белка –высаливание под действием электролита и органических растворителей). Высаливание происходит из-за нарушения адсорбционных слоев частицы и разрушения ее гидратной оболочки (при добавлении дегидратирующих веществ).

9.6. Стабилизация золей. Коллоидная защита.
Очистка золей. Гели

 

Сохранение коллоидных систем и их стабилизация имеют большое значение в природе и в производстве. Стабилизаторы – это вещества ионного или молекульного строения. Ионные стабилизаторы усиливают ионные слои, которые затрудняют объединение частиц. Молекульные стабилизаторы создают вокруг частиц сольватные оболочки из молекул дисперсионной среды, также затрудняющие их объединение.

Для стабилизации дисперсных систем широко используются поверхностно-активные вещества (ПАВ). Молекулы ПАВ входят в адсорбционный и диффузный слои так, что полярные группы молекул направлены в воду, и это усиливает гидрофильность частицы и ее устойчивость.

Устойчивость гидрофобных золей сильно повышается при введении в раствор даже незначительных количеств высокомолекулярных соединений, растворимых в дисперсионной среде. Золи гидрофобных коллоидов можно сделать более устойчивыми, добавляя небольшие количества желатина, яичного белка, казеина, крахмала, сахара (перечисление в порядке уменьшения защитного действия) и других подобных веществ. Это явление называется коллоидной защитой и объясняется адсорбцией веществ на поверхности частиц золя. При этом в результате определенной ориентации групп ОН, СООН, NН₂ адсорбированных молекул образуются дополнительные и более прочные гидратные оболочки, препятствующие слипанию частиц. При нагревании коллоидная защита ослабляется из-за десорбции стабилизатора. Явление коллоидной защиты имеет большое физиологическое значение: многие гидрофобные коллоиды и частицы в крови и биологических жидкостях защищены белками от коагуляции. Так белки крови защищают капельки жира, холестерин и ряд других гидрофобных веществ. Снижение степени этой защиты приводит к отложению, например холестерина и солей кальция на стенках сосудов (атеросклероз и кальциноз), к образованию камней в почках, печени, протоках пищеварительных желез и т.п.

Кровь – жидкая ткань организма, циркулирующая в кровеносной системе человека и животных и состоящая из плазмы и взвешенных в ней частиц – эритроцитов (содержащих гемоглобин), лейкоцитов и тромбоцитов – дисперсная система, устойчивость которой обеспечивается некоторыми белками.

Остановка кровотечения происходит в результате свертывания крови, превращения жидкой крови в эластичный сгусток. В прекращении кровотечения важную роль играют тромбоциты (кровяные пластинки), слипающиеся и разрушающиеся с образованием волокон, составляющих основу тромба (сгустка). Одновременно происходит слипание эритроцитов и лейкоцитов. В свертывании крови участвуют белки – фибриноген, протромбин и др. Их недостаток в крови в некоторой степени защищает организм от образования тромбов в сосудах кровеносной системы, но приводит к кровоточивости слизистых оболочек и замедлению свертывания крови при порезах кожи. Для остановки кровотечения используют алюмокалиевые квасцы, сульфат алюминия, хлорид кальция, мел, желатин, а также губки из фибрина, образующегося из фибриногена.

После коагуляции начинается осаждение образовавшихся крупных частиц под действием силы тяжести – седиментация (рис. 4). В жидкой среде при коагуляции золей укрупнение частиц до известного предела (до 10^–4 см) не сопровождается их оседанием. Дальнейший рост частиц приводит к образованию сгустков или хлопьев (флокул), выпадающих в осадок.

 

Рис. 4. Схема коагуляции и седиментации

 

Если плотность дисперсной фазы меньше плотности дисперсионной среды, частицы поднимаются на поверхность, всплывают (например, в виде сливок молока). Когда в дисперсионной среде находится два вида частиц с плотностями больше и меньше плотности среды, то их можно таким путем отделить друг от друга.

Способность частиц удерживаться во взвешенном состоянии зависит от их размеров, массы, вязкости раствора, различия плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Очистка золей

Для очистки золей проводят диализ, основанный на диффузии и прохождении ионов и молекул через полупроницаемые мембраны (перегородки из пленок целлофана или коллодия, пленок животного происхождения, пергаментной бумаги и т.п.). Мембраны пропускают молекулы и ионы, но задерживают частицы дисперсной фазы (рис. 5).

 

Рис. 5. Схема диализа при очистке дисперсных систем от растворенных солей

Диализ применяют для обессоливания воды, очистки сточных вод, получения чистых биохимических препаратов, растворов биологически активных веществ и т.п. В медицине диализ используется для лечения отравлений, почечной недостаточности, комы и др. При острой и хронической почечной недостаточности при помощи аппарата «искусственная почка» из плазмы удаляется мочевина и другие ядовитые вещества (гемодиализ). На электродиализе основано введение лекарств через кожу (ионофорез).

Для очистки золей от электролитов применяют также фильтрование. Для этого золь промывают водой, а затем фильтруют через специальные фильтры с очень малыми размерами пор. Для ускорения фильтрации процесс проводят при повышенном давлении над фильтром или при разрежении за фильтром.

Отделение золя или осадка от раствора электролита часто проводят центрифугированием, т.е. разделением центробежной силой фаз, имеющих различные плотности. После осаждения вещества раствор сливают, осадок взбалтывают в чистой воде и снова подвергают центрифугированию. Такую операцию повторяют многократно. Однако многократное ее повторение может привести к пептизации осадка и потере части вещества.

Гели

 

Гидрофильные коллоиды при осаждении увлекают за собой жидкую фазу (иногда даже полностью), образуя с водой общую массу. Подобные осадки называются гелями, или студнями. Чтобы было легче представить себе, что такое гель, приведем примеры бытовых гелей – желе, мармелад, яичный белок, студень. Гели образуются при высаливании, испарении растворителя, увеличении концентрации лиофильного коллоида и под действием других факторов. Влияние температуры на гелеобразование может быть различным: в некоторых случаях с понижением температуры образуется гель, в других – гель разрушается.

Гелями могут быть дисперсные системы с жидкой или газообразной дисперсионной средой. Структура геля представляет собой пространственную сетку (каркас), ячейки которой заполнены дисперсионной средой, в частности водой. Гели обладают одновременно свойствами жидкости и твердого тела. Как жидкости, гели текучи и пластичны, хотя они могут сохранять форму, как твердые тела, и могут быть сравнительно прочны и упруги. Эти свойства гелей обусловлены существованием в них пространственной сетки, образованной частицами дисперсной фазы, связанными между собой силами различной природы.

Различают хрупкие и эластичные гели. Хрупкие гели – это двухфазные гетерогенные системы. К хрупким гелям относится, например, гель кремниевой кислоты Н₂SiО₃. Благодаря жесткости каркаса хрупкого геля его объем при высушивании или обезвоживании мало изменяется. После высушивания образуются хрупкие гели, имеющие сильнопористую структуру с множеством капилляров и пор. Так получают распространенные сорбенты: алюмогель из геля гидроксида алюминия и силикагель из кремниевой кислоты. Сухой торф также можно отнести к аэрогелям, он обладает высокими сорбционными свойствами.

Эластичные гели образуются из некоторых гидрофильных неорганических веществ и высокомолекулярных соединений и в отличие от хрупких гелей являются однофазными системами. Эластичные гели способны к набуханию с увеличением объема в десятки раз по сравнению с собственным объемом полимера. Эти гели обладают малой прочностью. Таковы, например, гели мыл, гидроксидов алюминия и железа.

Роговая оболочка и стекловидное тело, заполняющее всю внутренность глаза, – это гель (полимерный компонент – белки). При старении геля хрусталика происходит его помутнение, выделение частиц золя, человек видит предметы размытыми (катаракта).

Лечебные мази на основе вазелина или ланолина – гидрофобные гели и суспензии, которые не впитываются кожей и закрывают ее поры. Мази для их эффективного лечебного действия должны состоять из гидрофильной основы, например, глицерина, хорошо смачивать кожу и легко проникать через поры в ткани.

Известное противоязвенное средство альмагель представляет собой гель гидроксида алюминия, который образует защитный слой на слизистой оболочке желудка и двенадцатиперстной кишки. Одновременно альмагель снижает кислотность желудочного сока, повышает его рН.

Важнейшими веществами в природе и технологии являются кремнезем SiО₂, кремниевая кислота, а также золи и гели на их основе.

Свойства гелей

 

1. Явление обратимости в системе «гель ↔ золь» называют тиксотропией. Тиксотропия – свойство геля разжижаться под механическим воздействием и обратно восстанавливать свою структуру после прекращения этого воздействия. Тиксотропия проявляется при определенной концентрации коллоидных частиц (или концентрации полимера). Понятие тиксотропии применяют не только к дисперсным системам. Тиксотропия объясняется разрушением и образованием химических связей.

2. Состояние жидкости в гелях непрочное. Они сравнительно легко изменяют свой объем при поглощении или отдаче дисперсионной среды. С течением времени из геля самопроизвольно выделяется жидкая фаза, и объем геля уменьшается. При этом на поверхности эластичного геля (студня) выделяется разбавленные раствор ВМС, а на поверхности хрупкого геля выделяется золь. Это явление называется синерезисом, или старением геля.

3. Если в слое эластичного геля возникают условия для образования осадка, то он образуется не по всему объему геля, а в виде отдельных слоев или колец осадка. Это кольца Лизеганга. Например, при образовании осадка Ag₂Cr₂O₇ в виде колец в тонкой пленке желатина по реакции

2AgNO₃ + K₂Cr₂О₇ → Ag₂Cr₂O₇ + 2KCl

Или в толстом слое желатина при образовании колец осадка Mg(OH)₂

MgCl₂ + 2NH₄OH→ Mg(OH)₂ + 2NH₄Cl

 

ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ К ТЕМЕ IX. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Выберите один правильный ответ

Примеры тестовых заданий к разделу I

 

1. Основной характеристикой дисперсных систем является ________частиц дисперсной фазы

1) структура 2) размер  3) форма    4) количество

 

2. Коллоидные системы, в которых раствори-тель (вода) не взаимодействует с ядрами коллоидных частиц называются

1) гидрогенными            

2) гидрофобными           

3) гидрофильными                     

4) гетерогенными

 

3. Характерным признаком дисперсных систем является

1) лиофильность            

2) гомогенность 

3) постоянство массы                

4) гетерогенность

4. Молоко и майонез относятся к дисперсным системам

1) эмульсиям      

2) пенам  

3) суспензиям                 

4) золям

 

5. Дисперсной системой, в которой дисперсной фазой выступает газ, а дисперсионной средой жидкость является

1) эмульсия         

2) аэрозоль         

3) пена                

4) суспензия

 

6. Коллоидные системы отличаются от истинных растворов _____ частиц

1) большими размерами

2) отсутствием броуновского движения

3) меньшими размерами

4) постоянством состава

 

7. Система, состоящая из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела называется

1) однородной                           

2) переменной                

3) гетерогенной              

4) поверхностной

 

8. Дым и туман относятся к дисперсным системам:

1) эмульсия         

2) суспензия              

3) аэрозоль         

4) золь

9. Гетерогенная система, состоящая из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела называется

1) дисперсной                            

2) диффузионной

3) неоднородной            

4) поверхностной

 

10. Дисперсной системой, в которой дисперс-ной фазой твердое вещество, а дисперси-онной средой – газ является

1) молоко                       

2) дым                 

3) пена                                        

4) майонез

 

11. Движение частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде коллоидного раство-ра называется

1) поступательным                    

2) колебательным          

3) броуновским            

4) прямолинейным

 

12. Световой поток при прохождении через коллоидный раствор подвергается

1) флуоресценции                      

2) дифракционному рассеянию

3) интерференции                      

4) адсорбции

13. Методы получения коллоидных систем, основанные на физическом дроблении более крупных частиц, называются:

1) конденсационными                           

2) адсорбционными    

3) дисперсионными                        

4) гидролитическими

14. Образование коллоидного раствора возмож-но в результате реакции:

1) NaOH + HCl                                       

2) Zn +HCl          

3) KCl +NaNO₃                       

4) BaCl₂ + Na₂SO₄

15. Осадок гидроксида цинка обработали раствором соляной кислоты, недоста-точным для полного растворения осадка. При этом образуется золь гидроксида цинка. метод получения КДС

1) конденсационный по ОВР     

2) адсорбционной пептизации  

3) физическое диспергирование           

4) метод замены растворителя

 

16. Золь йода получен добавлением спиртового йода к эвивалентному количеству дистил-лированной воды. метод получения КДС

1) конденсационный по реакции обмена         

2) адсорбционной пептизации  

3) физическое диспергирование           

4) метод замены растворителя

 

17. Золото измельчили в растворе стабилизато-ра аурата натрия. метод получения КДС

1) конденсационный по реакции гидролиза    

2) адсорбционной пептизации  

3) механическое диспергирование                   

4) метод замены растворителя

 

18. Золь оксалата кальция получили при сливании 20мл оксалата натрия и 10мл хлорида кальция. метод получения КДС

1) конденсационный по реакции обмена         

2) адсорбционной пептизации  

3) физическое диспергирование                       

4) метод замены растворителя

19. Золь гидроксида алюминия получен реакцией гидролиза. метод получения КДС

1) конденсационный                  

2) пептизационный        

3) дисперсионный                      

4) адсорбционный

 

20. При добавлении воды к спиртовому раствору йода образуется:

1) эмульсия                                

2) раствор ВМС  

3) раствор НМС             

4) золь или суспензия    

21. Гранула мицеллы золя, полученного при взаимодействии избытка раствора хлорида бария с раствором сульфата натрия

1) заряжена отрицательно         

2) заряжена положительно        

3) не имеет заряда                     

4) имеет частичный отрицательный заряд

 

22. Заряд гранулы золя гидроокиси алюминия, полученного по реакции гидролиза

1) равен нулю    

2) отрицательный          

3) положительный

 

23. Гранула мицеллы золя серебра, стабилиза-тор нитрат серебра

1) заряжена отрицательно         

2) имеет частичный отрицательный заряд

3) не имеет заряда                     

4) заряжена положительно        

 

24. В соответствии с теорией строения кол-лоидных растворов, коллоидная частица и диффузный слой ионов образуют электро-нейтральную

1) мембрану                         2) границу     

3) мицеллу                       4) поверхность

 

25. В коллоидной частице, образующейся при действии на раствор сульфата натрия избытком раствора хлорида кальция, потенциалопределяющими ионами являют-ся

1) SO₄^2-            2) Na⁺        3) Ca²⁺       4) Cl^-

 

26. В коллоидной частице, образующейся при действии на раствор хлорида кальция избытком раствора сульфата натрия, потенциалопределяющими ионами являют-ся

1) SO₄^2-            2) Na⁺        3) Ca²⁺       4) Cl^-

 

27. При сливании равных объемов 0, 001М раст-вора нитрата серебра и 0, 002М раствора бромида калия диффузионный слой мицел-лы будет образован ионами

1) NO₃^-             2) Ag⁺        3) K⁺          4) Br^-

 

28. При сливании 10мл карбоната натрия и 20мл хлорида магния с одинаковой концент-рацией диффузионный слой мицеллы будет образован ионами

1) СO₃^2-       2) Na⁺         3) Mg²⁺                  4) Cl^-

29. В лаборатории электрофорез используют для определения___________коллоидной частицы:

1) знака заряда                2) объема      

3) массы                               4) размера

 

30. Ион, который первым адсорбируется на поверхности ядра коллоидной частицы называется

1) диффузионным                      

2) гидратированным    

3) поверхностным                     

4) потенциалопределяющим

 

31. Коллоидная частица, образующаяся при взаимодействии избытка бромида калия с нитратом серебра в электрическом поле

1) перемещается к отрицательному электроду          

2) остается неподвижной

3) перемещается к положительному электроду         

4) совершает колебательные движения

 

34. Коллоидная частица, образующаяся при взаимодействии избытка нитрата серебра с бромидом калия в электрическом поле

1) перемещается к отрицательному электроду          

2) остается неподвижной

3) перемещается к положительному электроду         

4) совершает колебательные движения

 

35. Ион, вызывающий осаждение коллоидных растворов называется

1) защитным                                          

2) коагулирующим

3) стабилизирующим                            

4) дисперсионным

 

36. Коагулирующая способность ионов зави-сит от величины их___

1) массы                         

2) скорости движения

3) заряда                         

4) поверхности

 

37. В ряду PO₄^3-; SO₄^2-; Cl^- коагулирующая способ-ность анионов

1) увеличивается                       

2) не изменяется

3) меняется неоднозначно                    

4) снижается

 

38. В ряду K⁺; Mg²⁺; Al³⁺ коагулирующая способ-ность катионов

1) увеличивается                       

2) не изменяется

3) меняется неоднозначно                    

4) уменьшается

 

39. Процесс разрушения коллоидных систем, сопровождающийся нейтрализацией элект-рического заряда и удалением гидратной оболочки коллоидных частиц, называется

1) коацервацией                         

2) коалесценцией

3) коагуляцией                                  

4) денатурацией

 

40. Коагулирующее действие на золь, получен-ный по данной реакции будут оказывать

    MgCl_{2(избыток)} + Na₂CO₃ → MgCO₃ + 2NaCl

1) катионы электролита 

2) катионы и анионы одновременно    

3) анионы электролита  

4) нейтральные молекулы

 

41. Коагулирующее действие на золь, получен-ный по данной реакции будут оказывать

    СаCl₂ + Na₂CO_{3(избыток)} → СаCO₃ + 2NaCl

1) катионы электролита      

2) катионы и анионы одновременно    

3) анионы электролита        

4) нейтральные молекулы

42. Для золя оксалата кальция, полученного по данной реакции, наилучшим коагулирую-щим действием будет обладать ион

    CaCl_{2(избыток)} + Na₂C₂O₄→ CaC₂O₄ + 2NaCl

1) PO₄^3-            2) SO₄^2-                  3) Cl^-          4) NO₃^-

 

43. Для золя оксалата кальция, полученного по данной реакции, наилучшим коагулирую-щим действием будет обладать ион

    CaCl₂+ Na₂C₂O_{4(избыток)} → CaC₂O₄ + 2NaCl

1) Mg²⁺            2) Al³⁺        3) Na⁺        4) NH₄⁺

44. Метод разделения, основанный на проник-новении молекул и ионов через мембрану, непроницаемую для коллоидных частиц, называется

1) электрофорезом                                

2) диализом        

3) коалесценцией                  

4) седиментацией

 

45. Образование колец Лизеганга возможно в реакции

1) AgNO₃ + K₂Cr₂О₇   2) AgNO₃ + NaF        

3) MgCl₂ + KCl            4) MgCl₂ + AgNO₃

 

46. Скорости перемещения частиц в колло-идном растворе в сравнении с истинным

1) различаются незначительно 

2) практически одинаковы

3) существенно больше            

4) существенно меньше

 

47. Способность многих гелей под влиянием механических воздействий разжижаться и переходить в золи, а затем в состоянии покоя вновь восстанавливать свою струк-туру называется

1) синерезис                                           

2) тиксотропия

3) структурообразование                      

4) высаливание

 

48. Отделение сыворотки при свертывании крови – это пример

1) синерезиса                                   

2) тиксотропии

3) периодических реакций                    

4) высаливания

 

49. При синерезисе на поверхности эластич-ного геля (студня) выделяется

1) вода                             2) сухой полимер     

3) разбавленный раствор ВМС 4) ксерогель

 

50. Периодические реакции – это свойства

1) раствора           2) сухого полимера  

3) ксерогеля          4) эластичного геля (студня)

Ответы к тесту на стр. 261

Тестовые задания для самоконтроля по теме IX на стр. 307

Ответы к тестовым заданиям для самоконтроля по теме IX на стр. 313

 

 

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться: