Физическая и коллоидная химия. Задачи и упражнения. Учебное пособие

Под ред. Белопухова С.Л.

Возрастное ограничение: 0+ Жанр: Наука Издательство: Проспект Дата размещения: 13.10.2015 ISBN: 9785392196135 Язык: Объем текста: 176 стр. Формат: epub

Оглавление

Предисловие

Химическая термодинамика. Термохимия

Химическая кинетика

Осмотическое давление растворов

Давление пара разбавленных растворов неэлектролитов. Первый закон Рауля

Температура кипения и замерзания растворов

Свойства растворов сильных электролитов

рН. Буферные растворы

Электрическая проводимость растворов электролитов

Электродные потенциалы и электродвижущая сила (ЭДС)

Поверхностные явления и адсорбция

Коллоидные системы и их свойства. Коагуляция коллоидов

Растворы высокомолекулярных соединений и их свойства

Приложение

Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгу

Коллоидные системы и их свойства.
Коагуляция коллоидов

Решение типовых задач

Пример 1. Золь бромида серебра получен смешиванием 25 мл 0,008 М раствора бромида калия KBr и 18 мл 0,0096 М раствора нитрата серебра AgNO3. Определить знак заряда частицы полученного золя и написать формулу его мицеллы.

Решение:

Для ответа на вопрос, какой заряд будет иметь коллоидная частица золя бромида серебра, необходимо определить, какой из реагентов был взят в избытке:

Количество вещества (n) КВr = 0,025 л ∙ 0,008 моль/л = 0,2 моль,

(n) AgNO3 = 0,018 л ∙ 0,0096 моль/л = 0,173 моль,

то есть бромид калия был взят в избытке.

Теперь напишем уравнение происходящей реакции:

КВr + AgNО3 = AgBr↓ + КNО3.

Так как бромид серебра является малорастворимым соединением, то он и будет образовывать ядро мицеллы – m(AgBr).

В избытке у нас находятся ионы К+ и Вr–. Достраивать кристаллическую решетку ядра могут лишь те ионы, которые находятся в избытке и входят в состав ядра, в нашем случае – это ионы брома, образующие слой потенциалопределяющих ионов и дающие знак заряда коллоидной частицы – nВr–.

Таким образом, поверхность частиц бромида серебра при наших условиях имеет отрицательный заряд.

Ионы К+ будут компенсировать ее заряд, образуя два слоя противоионов – (n – х)К+ – количество противоионов в неподвижном слое и хК+ – количество противоионов в диффузном слое. Следовательно, коллоидная мицелла электронейтральна.

Мицелла золя бромида серебра схематически запишется следующим образом:

{m(AgBr) ∙ nBr– ∙ (n – х)К+}х– ∙ хК+.

Пример 2. Коагуляция золя сульфида мышьяка (As2S3) вызывается катионами. Пороги коагуляции для электролитов KNO3, MgCl2 и А1Сl3 равны соответственно 50,0; 0,72 и 0,093 ммоль/л золя. Как соотносятся между собой коагулирующие силы ионов-коагуляторов, имеющих разные заряды?

Решение:

Коагулирующая сила ионов – величина, обратная порогу коагуляции. Коагулирующую силу однозарядного иона принимают равной единице. Коагулирующую силу иона большего заряда (S) вычисляют по формуле:

S = C1 / Сn,

где C1 и Сn – пороги коагуляции одно- и n-зарядного иона соответственно.

Таким образом, коагулирующая сила двухзарядного иона магния будет равна:

SMq2+ = 50 ммоль/л/0,72 ммоль/л = 69,44.

Трехзарядного иона алюминия –

SAl3+= 50/0,093 = 537,63.

Соотноситься между собой они будут как 1 : 70 : 538, что соответствует правилу Шульце-Гарди.

Правило 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.

Пример 3. Вычисление порога коагуляции электролита с учетом его концентрации.

В каждую из трех колб налито по 0,01 л золя хлорида серебра. Для коагуляции золя в первую колбу добавлено 0,002 л 1 М NaNО3, во вторую – 0,012 л 0,01 н Ca(NО3)2, а третью – 0,007 л 0,001 н Al(NО3)3. Вычислите пороги коагуляции электролитов, определите знак заряда частиц золя.

Решение:

Минимальное количество электролита, прибавляемого к золю, которое может вызвать коагуляцию золя, называют порогом коагуляции с (ммоль/л).

Порог коагуляции можно вычислить по формуле:

где с – молярная концентрация электролита, моль/л; Vэл, Vз – соответственно объем электролита и золя, выраженные в литрах.

Вычисляем пороги коагуляции добавляемых электролитов:

Добавляемые электролиты – NaNО3, Ca(NО3)2 и Al(NО3)3 – содержат анион NО3– и катионы Na+, Са2+, Аl3+ разной зарядности. Наименьший порог коагуляции у Al(NО3)3, следовательно, частицы золя хлорида серебра заряжены отрицательно.

Пример 4. Вычисление порога коагуляции электролита с учетом заряда иона-коагулятора.

Порог коагуляции раствора KNО3 для золя гидроксида алюминия, частицы которого заряжены положительно, равен 60,0 ммоль/л. Рассчитать порог коагуляции K3[Fe(CN)6] для этого золя.

Решение:

Коагуляцию золя вызывает тот из ионов прибавленного электролита, заряд которого противоположен заряду коллоидной частицы. Коагулирующая способность иона определяется его зарядом. Чем больше заряд иона, тем больше его коагулирующая способность. Значения порогов коагуляции электролитов с одно-, двух- и трехзарядными ионами относятся как числа 29 : 11 : 1. Следовательно, порог коагуляции K3[Fe(CN)6] будет в 729 раз меньше, чем у KNO3, то есть С (K3[Fe(CN)6]) = 60/729 = = 0,082 ммоль/л.

Пример 5. Вычислить величину электрокинетического потенциала, определяемую методом электрофореза, если известно, что под действием постоянного тока с напряжением Е = 95 В, в течение t = 5 минут (300 сек) смещение золя составило S = 0,5 см, расстояние между электродами L = 30 см.

Решение:

Величину дзета-потенциала вычисляют по уравнению:

где L – расстояние между электродами, см; E – ЭДС, подаваемая на электроды, В; η – вязкость дисперсионной среды; ε – диэлектрическая проницаемость среды; S – расстояние, пройденное золем за время t (сек).

После подставления постоянных величин уравнение принимает вид:

Находим величину дзета-потенциала:

Пример 6. Определение минимального объема электролита, необходимого для получения золя.

Какой объем 0,002 н раствора ВаСl2 надо добавить к 0,03 л 0,0006 н Al2(SО4)3, чтобы получить положительно заряженные частицы золя сульфата бария. Напишите формулу мицеллы золя BaSО4.

Решение:

Образование золя BaSО4 происходит по реакции:

ЗВаСl2 + Al2(SО4)3 = 3BaSО4 + 2AlCl3.

Если вещества в реакции участвуют в стехиометрическом соотношении, то для реакции необходимо

Для получения положительных частиц золя BaSО4 в растворе должен быть избыток хлорида бария по сравнению с сульфатом алюминия. Следовательно, для реакции нужно взять более 0,009 л 0,002 н раствора ВаСl2. Формула мицеллы золя сульфата бария:

[(BaSO4)m · nBa2+(n – x)Cl–]х+xCl–.

Пример 7. Определение удельной и общей площади поверхности раздробленных частиц золя.

Вычислите удельную поверхность частиц золя золота, полученного в результате дробления 0,5 г золота на частицы шарообразной формы диаметром 7,0 · 10–9 м. Плотность золота ρ = 19 320 кг/м3.

Решение:

Под удельной поверхностью Sуд. раздробленных частиц понимают суммарную площадь поверхности всех частиц вещества, общий объем которых составляет 1,0 · 10–6 м3. Удельная поверхность Sуд. равна отношению площади поверхности раздробленных частиц S к объему раздробленного вещества V:

Если раздробленные частицы шарообразной формы, то

где r – радиус шарообразной частицы.

Определяем объем, занимаемый 0,5 г золота:

Удельная поверхность раздробленных шарообразных частиц золота равна:

Находим общую площадь поверхности S частиц золя золота:

S = Sуд. · V = 0,86 · 109 · 2,58 · 10–8 = 2,22 м2.

Пример 8. Расчет радиуса частиц дисперсной фазы.

Поток света с длиной волны 528 нм, проходя через эмульсию четыреххлористого углерода CCl4, в воде толщиной слоя 5 см, ослабляется в результате светорассеяния в два раза. Рассчитать радиус частиц дисперсной фазы, если ее объемное содержание равно 0,8%, показатель преломления CCl4 n1=1,460, воды n0 = 1,333. Свет рассеивается в соответствии с уравнением Рэлея и ослабляется по закону Бугера-Ламберта-Бера.

Решение:

Уравнение Рэлея для интенсивности света, рассеиваемого единицей объема дисперсной системы во всех направлениях, имеет следующий вид:

Интенсивность света при прохождении через белый золь уменьшается в соответствии с уравнением Бугера-Ламберта-Бера:

По условию задачи I0/Iп = 2. Тогда

Подставляя полученное значение τ в уравнение Рэлея, находим радиус капель эмульсии:

Задачи и упражнения

1. Золь гумуса освещается в одном случае светом с λ = 4000 оА, в другом случае светом с ∙ λ = 7000 оА. Где интенсивность рассеянного света больше? Во сколько раз?

2. Вычислите эффективный радиус (r) частиц суспензии глины в воде, если скорость их оседания U = 4 · 10–5 м/с, плотность глины d = 2 · 103 кг/м3, вязкость воды ηH2O = 0,001 Н·с/м2, а плотность воды ρH2O = 1 · 103 кг/м3.

3. Средний эффективный радиус частиц водной суспензии арсената кальция Са3(АsО4)2 равен 1 · 10–5 м. Вычислите скорость оседания частиц этой суспензии, если плотность арсената кальция ρ = 3 · 103 кг/м3, вязкость воды ηН2О = 0,001 Н·с/м2, ее плотность равна ρ = 1 · 10–3 кг/м3.

4. Коллоидный раствор BaSO4 получен при сливании растворов ВаСl2 и Nа2SО4. В одном случае в избытке был раствор хлорида бария, а в другом – раствор сульфата натрия. Как заряжены коллоидные частицы сульфата бария, и какие ионы являются потенциалопределяющими в одном и другом случае?

5. Смешано 12 мл 0,02 М раствора иодида калия и 100 мл 0,005 М раствора AgNO3. Напишите формулу мицеллы образовавшегося золя.

6. Какой объем 0,005 М раствора нитрата серебра надо прибавить к 25 мл 0,016 М раствора иодида калия, чтобы получить отрицательно заряженные частицы иодида серебра? Напишите формулу мицеллы золя.

7. Электрофорез гидрозоля железа проводили при следующих условиях: разность потенциалов на электродах (Е) – 150 В, расстояние между электродами (L) – 30 см, перемещение частиц осуществляли за 20 минут (t), S – 24 мм. Диэлектрическая постоянная воды – 81, вязкость – 0,01 пуаз. Вычислите дзета-потенциал частиц золя.

8. Золь иодида серебра получен смешением равных объемов растворов иодида калия и нитрата серебра. Пороги коагуляции (ммоль/л) для различных электролитов имеют следующие значения:

CNaCl = 300; CNa2SO4 = 20; C(Ca(NO3)2) = 315;
CNa3PO4 = 0,6; CAlCl3 = 320.

Какой из растворов (KI или AgNO3) взят в большей концентрации для приготовления золя? Ответ поясните.

9. Пороги коагуляции электролитами для исследуемого золя оказались равными (моль/л):

CNa2SO4 = 290; CMgCl2 = 25; CAlCl3 = 0,5; CNaNO3 = 300.

Какие ионы из состава электролитов являются ионами-коагуляторами? Ответ поясните.

10. Для коагуляции 20 мл золя гумуса потребовалось 5 мл 0,1 н раствора СаСl2. Чему равен порог коагуляции гумуса данной солью?

11. Какой объем 0,005 М раствора нитрата серебра надо прибавить к 20 мл 0,015 М раствора иодида калия, чтобы получить положительный золь иодида серебра? Напишите формулу образовавшейся мицеллы.

12. Коагуляция золя сульфида мышьяка вызывается катионами. Пороги коагуляции для электролитов KNО3, MgCl2, и АlСl3 равны соответственно 50,0; 0,72 и 0,093 ммоль/л. Как соотносятся между собой коагулирующие силы ионов-коагуляторов разной валентности?

13. Для получения золя хлорида серебра смешали 15 мл 0,025 М раствора хлорида калия и 85 мл 0,005 М раствора нитрата серебра. Напишите формулу мицеллы полученного золя и определите знак ее заряда.

14. Золь сульфата бария получен смешением равных объемов нитрата бария и серной кислоты. Одинаковы ли исходные концентрации электролитов, если в электрическом поле полученный золь перемещается к аноду? Напишите формулу мицеллы золя.

15. Золь хлорида серебра получен смешением равных объемов 0,0095 М раствора хлорида калия и 0,0012 М раствора нитрата серебра. Какой из электролитов: К3[Fе(СN)6], K4[Fe(CN)6] или MgSO4 – будет иметь наибольший порог коагуляции для данного золя?

16. Пороги коагуляции электролитов (ммоль/л) для гидрофобного золя оказались равны:

CKNO3 = 50,0; CMgSO4 = 0,810; CMgCl2 = 0,717;
CAl(NO3)3 = 0,095; CNaCl = 51,0; CAlCl3 = 0,093.

Определите знак заряда частиц золя и вычислите коагулирующую силу каждого иона-коагулятора.

17. В три колбы влили по 20 мл золя Fе(ОН)3. Для коагуляции золя потребовалось добавить в первую колбу 2,1 мл 1 М КСl; во вторую – 12,5 мл 0,1 н Na2SO4; в третью – 7,4 мл 0,001 н К3[Fе(СN)6]. Вычислите пороги коагуляции данными электролитами и определите заряд частиц золя.

18. Для золя Fе(ОН)3 пороги коагуляции 0,1 моль/л раствора СаСl2 и Аl(NО3)3 в среднем равны 21 ммоль/л. Растворы Na2SO4 и К2СО3 с концентрацией 0,1 моль/л также имеют близкие пороги коагуляции, в среднем – 0,2 ммоль/л. Определите знак заряда коллоидной частицы и коагулирующую силу ионов коагуляторов.

19. Золь сульфата кальция получен смешением равных объемов растворов нитрата кальция и серной кислоты. Одинаковы ли исходные концентрации электролитов, если в электрическом поле гранула перемещается к аноду? Напишите формулу мицеллы данного золя.

20. Смешано 12 мл 0,02 М раствора хлорида калия со 100 мл 0,005 М раствора нитрата серебра. Напишите формулу мицеллы образовавшегося золя.

21. Какой объем 0,005 М раствора нитрата серебра надо прибавить к 25 мл раствора хлорида калия, чтобы получить отрицательно заряженный золь?

22. Вычислите эффективный радиус (R) частиц суспензии глины в воде, если известно, что скорость их оседания u = 4,0 · 10–5 м/с, плотность глины ρ = 2,0 · 103 кг/м3, ηH2O = 0,001 Н·с/м2, плотность воды ρ = 1,0 · 103 кг/м3.

23. Для получения золя хлорида серебра смешали 15 мл 0,025 М раствора хлорида калия и 85 мл 0,005 М раствора нитрата серебра. Напишите формулу мицеллы полученного золя и определите ее знак.

24. Пороги коагуляции золя сульфида мышьяка (III) для элекролитов КNО3, MgCl2, AlCl3 равны соответственно – 50,0; 0,72 и 0,093 ммоль/л. Как соотносятся между собой коагулирующие силы ионов-коагуляторов различной валентности?

25. Гидрозоль AgCl получен путем смешивания равных объемов 0,008 М КСl и 0,01 М AgNО3. Какой из двух электролитов – MgSО4 или К3[Fе(СN)6] – будет иметь больший порог коагуляции для данного золя?

Наука Под ред. Белопухова С.Л. Физическая и коллоидная химия. Задачи и упражнения. Учебное пособие

Наука Под ред. Белопухова С.Л. Физическая и коллоидная химия. Задачи и упражнения. Учебное пособие

В пособии приведены задачи, упражнения и примеры решения задач по основным разделам физической и коллоидной химии. Учебное пособие составлено в соответствии с программой дисциплины «Физическая и коллоидная химия» для бакалавров, обучающихся в сельскохозяйственных вузах страны, и отражает современное развитие физической и коллоидной химии. Каждый раздел содержит краткое теоретическое введение, примеры решения типовых задач, задачи и упражнения для самостоятельного решения.

Внимание! Авторские права на книгу "Физическая и коллоидная химия. Задачи и упражнения. Учебное пособие" (Под ред. Белопухова С.Л.) охраняются законодательством!