Коагуляция

Для дисперсных систем характерна кинетическая и агрегативная устойчивость. Под кинетической, или седиментационной, устойчивостью понимают способность частиц дисперсной фазы в результате диффузии и броуновского движения находиться во взвешенном состоянии. С уменьшением размера частиц такая устойчивость возрастает, поэтому коллоидно-дисперсные системы являются кинетически устойчивыми. Под агрегативной устойчивостью понимают способность частиц дисперсной фазы противодействовать их укрупнению путем слипания.

Устойчивость золя можно нарушить, устранив одноименный заряд коллоидных частиц и защитную гидратную оболочку. При введении в систему сильного электролита, имеющего противоионы по отношению к заряженным коллоидным частицам, число противоионов в коллоидной частице становится таким, что их заряд полностью нейтрализует заряд потенциалообразующих ионов, т.е. коллоидная частица становится незаряженной. Такое состояние частицы называется изоэлектрическим. Коллоидные частицы не защищены и при столкновении слипаются, укрупняются. Процесс укрупнения частиц, потеря агрегативной устойчивости золя называется коагуляцией. В результате коагуляции снижается кинетическая устойчивость системы, приводящая к седиментации хлопьев коагулята и разделению фаз. Таким образом, кинетическая неустойчивость приводит к агрегативной неустойчивости коллоидной системы.

Для начала явной, т.е. различимой глазом, коагуляции необходимо прибавить к золю некоторое минимальное количество электролита (С), называемое порогом коагуляции. При концентрациях электролита, меньших порога, коагуляция протекает в скрытом состоянии. Коагуляцию золей вызывают те из ионов прибавляемого электролита, заряд которых противоположен по знаку заряда коллоидных частиц. Коагулирующей способностью (Р) иона называется величина, обратная порогу коагуляции:

Р = (132)

Коагулирующее действие иона в значительной степени зависит от его заряда. Чем выше заряд противоиона во введенном электролите, тем при меньшей концентрации наблюдается эффект коагуляции (правило Шульце – Гарди). Коагулирующая способность ионов одного и того же заряда зависит от гидратации ионов. Чем больше гидратация, тем больше порог коагуляции и ниже коагулирующая способность иона. Порог коагуляции золей невелик и выражается в моль/дм³ или мг-экв/ дм³.

Пример 32. В три колбы было налито по 100 см³ золя Fe(OH)₃. Чтобы вызвать коагуляцию золя, потребовалось добавить в первую колбу 10,5 см³ 1 н. хлорида калия, во вторую – 62,5 см³ 0,01 н. сульфата натрия и в третью – 37,0 см³ 0,001 н. фосфата натрия. Вычислите порог коагуляции каждого электролита и определите знак заряда частиц золя.

Решение. Определяем, сколько мг-экв KCl содержится в 10,5 см3 1 н. хлорида калия:

10,5 см³ ∙ 1 мг-экв/см³ =10,5 мг-экв KCl.

Общий объём раствора (золь + раствор электролита) равен:

100 см³ + 10,5 см³ = 110,5 см³.

Вычисляем порог коагуляции (мг-экв) для хлорида калия:

С_KCl = .

Аналогично рассчитываем пороги коагуляции для электролитов Na₂SO₄ и Na₃PO₄. В 62,5 см3 0,01 н. раствора Na₂SO₄ содержится:

62,5 см³ ∙ 0,01 мг-экв/см³ =0,625 мг-экв.

Порог коагуляции равен:

С _Na2SO4 =

В 37,0 см3 0,001 н. раствора Na₃PO₄ содержится:

37,0 см³ ∙ 0,001 мг-экв/см³ =0,037 мг-экв Na₃PO₄.

Порог коагуляции равен:

С _Na3PO4 = .

Электролиты KCl, Na₂SO₄ и Na₃PO₄ содержат катионы одинакового заряда, а анионы – разного заряда. Чем больше заряд иона, тем меньше оказывается порог коагуляции. Самый минимальный порог коагуляции и наивысшая коагулирующая способность и ионов . Следовательно, частицы золя Fe(OH)₃ заряжены положительно.

Пример 33. Пороги коагуляции золя Fe(OH)₃ для электролитов KI и K₂Cr₂O₇ соответственно равны 10,0 и 0,195 ммоль/л эоля.

Во сколько раз коагулирующая способность бихромата калия больше, чем у йодида калия?

Решение. Коагулирующие способности электролитов являются величинами, обратными их порогам коагуляции (132):

Р _KI = = 0,1; Р = .

Р _KI : Р = 0,1 : 5,1 = 1 : 51.

Для золя Fe(OH)₃ коагулирующая способность бихромата калия больше, чем йодида калия, в 51 раз.

Вариант 1.

20. Пороги коагуляции электролитов для золя иодида серебра (моль/л): C_KCl=256,0; C_Ba(NO3)2=6,0; C_Al(NO3)3=0,067; C_KNO3=260,0; C_Sr(NO3)2 =7,0. Определить знак заряда частиц данного золя и вычислить коагулирующую способность каждого из электролитов.

Вариант 2.

20. Золь иодида серебра получен смешиванием равных объёмов растворов иодида калия и нитрата серебра. Пороги коагуляции С(моль/л) для различных электролитов и данного золя имеют следующие значения: С_Са(NO3)2 =315; C_NaCl=300; C_MgCl2=320; C_Na3PO4=0,6; C_Na2SO4=20; C_AlCl3=330. Какой из электролитов: KI или AgNO₃ взят в большей концентрации для приготовления золя? Дайте обоснованный ответ.

Вариант 3.

20. В три колбы налито по 50 см³ золя гидроксида железа. Чтобы вызвать коагуляцию золя, потребовалось добавить в первую колбу 5,30 см³ 1н KCl; в другую – 31,5 см³ 0,01н Na₂SO₄; в третью – 18,7 см³ 0,001н Na₃PO₄. Вычислить порог коагуляции каждого электролита и определить знак заряда золя.

Вариант 4.

20. К 5см³ золя Fe(OH)₃ для начала явной коагуляции необходимо добавить один из следующих растворов: 4см³ 3н хлорида калия; 0,5см³ 0,01н сульфата калия; 3,9см³ 0,0005н железистосинеродистого калия. Вычислить порог коагуляции для этих электролитов. Во сколько раз коагулирующая способность K₄[Fe(CN)₆] выше, чем у K₂SO₄ и KCl?

Вариант 5.

20. Концентрации коагуляции электролитов (моль/л) для данного золя оказались равными:

С = 50,0; С = 0,717; С = 0,093; С_NaCl = 51,0; С = 0,810;

С = 0,095.

Определите знак заряда золя.

Вариант 6.

20. Пороги коагуляции электролитов для золя йодида серебра:

С_KCl = 256,0; C =6,0; С =0,067; С =260,0; С = 7,0.

Определите знак заряда частиц данного золя и вычислите коагулирующую способность каждого из электролитов.

Вариант 7.

20. Золь хлорида серебра получен смешиванием равных объемов 0,0095 М хлорида калия и 0,012 н. нитрата серебра. Какой из электролитов: K₃[Fe(CN)₆], K₄[Fe(CN)₆] или MgSO₄ будет иметь наибольший порог крагуляции для данного золя?

Вариант 8.

20. К 100 см³ 0,003%-ного раствора хлорида натрия добавлено 250 см³ 0,001 н. нитрата серебра. Для изучения коагуляции к полученному золю хлорида серебра добавлены следующие электролиты: KBr, Ba(NO₃)₂, K₂CrO₄, MgSO₄, AlCl₃. Какой из добавленных электролитов имеет наименьший порог коагуляции; наименьшую коагулирующую спосоность?

Вариант 9.

20. Для положительного золя Fe(OH)₃ коагулирующими ионами являются анионы. Пороги коагуляции солей с одновалентными анионами близки между собой и составляют в среднем 10,69 ммоль/дм³. Соли с двухвалентными анионами имеют также близкие между собой пороги коагуляции 0,200 ммоль/дм³. Во сколько раз коагулирующая способность двухвалентных анионов больше, чем одновалентных?

Вариант 10.

20. Какое количество электролита 0,01 М K₂Cr₂O₇ (см³) нужно добавить к 1л золя гидроксида алюминия, чтобы вызвать его коагуляцию? Порог коагуляции 0,63 ммоль/дм³.