Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej
Wydział: Nauk o Materiałach i Środowisku
Kierunek: Inżynieria Środowiska
Temat: Wyznaczanie wartości koagulacyjnej zolu liofobowego metodą kolejnych rozcieńczeń
Wstęp teoretyczny
W danym układzie wielofazowym zjawiska powierzchniowe odgrywają tym większą rolę, im bardziej jest rozwinięta powierzchnia stanowiąca granicę faz. Układy, w których uzyskano znaczne rozwinięcie powierzchni wskutek rozdrobnienia jednej z faz, nazywamy układami dyspersyjnymi. W każdym układzie dyspersyjnym możemy wyróżnić fazę rozproszoną i fazę rozpraszającą(dyspersyjną), otaczającą i oddzielającą od siebie cząstki fazy rozproszonej. Obie fazy mogą występować w różnych stanach skupienia: stałym, ciekłym, gazowym. Biorąc pod uwagę rozmiary cząstek fazy rozproszonej wyróżniamy:
Układy o rozdrobnieniu molekularnym (roztwory właściwe), odznaczające rozmiarami cząstek mniejszymi od 1 [nm].
Układy o rozdrobnieniu koloidalnym (układy koloidalne), odznaczające rozmiarami cząstek między 1[nm] a 200[nm]].
Układy grubo dyspersyjne (zawiesiny), odznaczające rozmiarami cząstek większymi od 200 [nm].
Układy koloidalne zajmują więc pozycję pośrednią między roztworami właściwymi a zawiesinami. Zwykle zawiesinę uważa się za układ heterogeniczny, w którym cząstki fazy rozproszonej są jeszcze widoczne pod mikroskopem i ulegają sedymentacji w ziemskim polu grawitacyjnym. W przypadku roztworów właściwych mamy do czynienia z rozproszeniem molekularnym elementami budowy są atomy, jony, czy cząsteczki (zwykle solwatowane). Układy tego rodzaju uważamy za jednorodne.
Rozpatrując układy koloidalne z punktu widzenia jedności fizycznej, otrzymuje się następującą definicje:
„Układami koloidalnymi (koloidami) nazywamy układy dyspersyjne, najczęściej dwuskładnikowe, o wyglądzie układów fizycznie jednorodnych, chociaż w rzeczywistości oba składniki nie są ze sobą zmieszane cząsteczkowo.”
Jeżeli cząsteczki fazy rozproszonej mają jednakową wielkość układ nazywamy
monodyspersyjnym, jeżeli różną – polidyspersyjnym.
Stan rozproszenia koloidalnego jest bardzo rozpowszechniony zarówno w świecie przyrody ożywionej (białka, węglowodany, pektyty) i nieożywionej (gliny, mgły), jak i wśród związków otrzymywanych sztucznie. Zanieczyszczone wody i powietrze, to układy koloidalne różnych związków chemicznych. Dlatego nauka o koloidach ma duże znaczenie praktyczne.
Z definicji układów koloidalnych wynika, że są to układy zawierające co najmniej dwie fazy mimo, że mają wygląd układów jednorodnych. W koloidach liofobowych ( sa to układy, które nie ulegają solwatacji, a czynnikiem stabilizującym jest głównie ładunek elektryczny nadany przez zaadsorbowane jony) to dwufazowość występuje wyraźnie, bowiem istnieje powierzchnia rozgraniczająca obie fazy, na której zachodzi adsorpcja warunkująca powstanie ładunku elektrycznego. Istnieją jednak koloidy, które nie odpowiadają wymaganiom dwufazowości. Są to substancje, które zgodnie ze swoją naturą chemiczną mają cząsteczki o wielkości odpowiadającej cząstkom koloidalnym (1-200[nm]). Wynika stąd uzasadnienie podziału koloidów na dwie grupy: fazowe i cząsteczkowe.
W koloidach fazowych cząstka koloidalna nie jest pojedynczą cząsteczką związku chemicznego, ale agregatem cząstek małych o tym samych charakterze chemicznym. Jest to zatem układ fizycznie niejednorodny.
Koloidy cząsteczkowe (eukokoloidy) są to układy fizyczne jednorodne, a cząsteczką koloidalną jest tu cząsteczka związku chemicznego – makrocząsteczka. Charakter koloidalny jest w tym przypadku wynikiem budowy chemicznej, a nie agregacji.
Istnieje wiele prób klasyfikacji koloidów opartych na różnych kryteriach. Poszczególne rodzaje układów koloidalnych często pokrywają się ze sobą. Żadna z klasyfikacji nie jest zupełnie ostra, gdyż zawsze istnieją układy o własnościach pośrednich.
Fizykochemiczne badania zoli liofobowych wykazały, ze poszczególne cząstki (micelo) składają się z jądra o budowie krystalicznej oraz części jonogennej. Jony są albo chemicznie związane z powierzchnią jądra tzn. wbudowane w siec krystaliczną, albo najczęściej na nim zaadsorbowane i dlatego ta warstwa jonów nosi nazwę warstwy adsorpcyjnej. Jony warstwy adsorpcyjnej przyciągają pewna liczbę jonów przeciwnego znaku, tworząc podwójną warstwę elektryczną, silnie związaną z centralnym jadrem.
Trwałość koloidów liofobowych zależy od stanu warstwy dyfuzyjnej, a mianowicie maleje ze zmniejszeniem się jej grubości i równocześnie ze zmniejszeniem potencjału miedzy warstwa adsorpcyjną (sztywną) i warstwa dyfuzyjną.
Jedną z cech koloidów jest ich zdolność koagulacji. Koagulacja jest to proces przejścia zolu w żel w wyniku agregacji cząstek koloidalnych.
Najlepiej jest zbadana koagulacja zoli liofobowych pod wpływem elektrolitów. Odporność zolu na koagulację, a więc trwałość koloidu, charakteryzuje tzw. wartość koagulacji. Wartością koagulacyjną nazywamy najmniejsze stężenie dodawanego elektrolitu wystarczające do tego, aby w określonym czasie nastąpiła całkowita koagulacja zolu (przejście w żel). Działanie koagulacyjne zależy przede wszystkim od wartościowości jonu o znaku przeciwnym n iż znak cząstki koloidalnej. Wartość koagulacyjna jest tym mniejsza, im wyższa jest wartościowość jonu, który powoduje koagulację.
Obliczenia
Obliczenie wartości koagulacyjnej elektrolitu ze wzoru:
$C_{x} = \frac{V_{x} \bullet 1000 \bullet C}{20}$[mol/dm3]
Gdzie:
C - stężenie elektrolitu [mol/dm3]
Vx- objętość elektrolitu [cm3]
Korzystaliśmy z elektrolitu- 0.05M Na2SO4
Dla pierwszej serii pomiarowej:
- drugiej probówki, w której zaszła koagulacja
$C_{x} = \frac{3 \bullet 1000 \bullet 0.05}{20} = 7.5$[mol/dm3]
- trzeciej probówki, w której zaszła koagulacja
$C_{x} = \frac{5 \bullet 1000 \bullet 0.05}{20} = 12.5$[mol/dm3]
- czwartej probówki, w której zaszła koagulacja
$C_{x} = \frac{7 \bullet 1000 \bullet 0.05}{20} = 17.5$[mol/dm3]
- piątej probówki, w której zaszła koagulacja
$C_{x} = \frac{9 \bullet 1000 \bullet 0.05}{20} = 22.5$[mol/dm3]
Dla drugiej serii pomiarowej
- pierwszej probówki, w której zaszła koagulacja
$C_{x} = \frac{3.5 \bullet 1000 \bullet 0.05}{20} = 8.75$[mol/dm3]
- drugiej probówki, w której zaszła koagulacja
$C_{x} = \frac{4 \bullet 1000 \bullet 0.05}{20} = 10$mol/dm3]
- trzeciej probówki, w której zaszła koagulacja
$C_{x} = \frac{4.5 \bullet 1000 \bullet 0.05}{20} = 11.25$mol/dm3]
- czwartej probówki, w której zaszła koagulacja
$C_{x} = \frac{4.8 \bullet 1000 \bullet 0.05}{20} = 12$mol/dm3]
- piątej probówki, w której zaszła koagulacja
$C_{x} = \frac{5.2 \bullet 1000 \bullet 0.05}{20} = 13$mol/dm3]
Dla trzeciej serii pomiarowej
- pierwszej probówki, w której zaszła koagulacja
$C_{x} = \frac{3 \bullet 1000 \bullet 0.05}{20} = 7.5$mol/dm3]
- drugiej probówki, w której zaszła koagulacja
$C_{x} = \frac{2.7 \bullet 1000 \bullet 0.05}{20} = 6.75$mol/dm3]
- trzeciej probówki, w której zaszła koagulacja
$C_{x} = \frac{2.5 \bullet 1000 \bullet 0.05}{20} = 6.25$mol/dm3]
- czwartej probówki, w której zaszła koagulacja
$C_{x} = \frac{2 \bullet 1000 \bullet 0.05}{20} = 5$mol/dm3]
Tabela wyników:
I seria pomiarowa
| Nr próbówki | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | Uwagi |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Objętość elektrolitu [cm3] | 1 | 3 | 5 | 7 | 9 | Koagulacja nastąpiła w próbówkach: 2,3,4,5 |
| Objętość wody [cm3] | 9 | 7 | 5 | 3 | 1 | |
| Objętość zolu [cm3] | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | |
| Cx | - | 7.5 | 12.5 | 17.5 | 22.5 |
II seria pomiarowa
| Nr próbówki | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | Uwagi |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Objętość elektrolitu [cm3] | 3.5 | 4 | 4.5 | 4.8 | 5.2 | Koagulacja nastąpiła w próbówkach: |
| Objętość wody [cm3] | 6.5 | 6 | 5.5 | 5.2 | 4.8 | |
| Objętość zolu [cm3] | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | |
| Cx | 8.75 | 10 | 11.25 | 12 | 13 |
III seria pomiarowa
| Nr próbówki | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | Uwagi |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Objętość elektrolitu [cm3] | 3 | 2.7 | 2.5 | 2 | 1.5 | Koagulacja nastąpiła w próbówkach: 1,2,3,4 |
| Objętość wody [cm3] | 7 | 7.3 | 7.5 | 8 | 8.5 | |
| Objętość zolu [cm3] | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | |
| Cx | 7.5 | 6.75 | 6.25 | 5 |
Wnioski
W ćwiczeniu badaliśmy wartości koagulacyjne zolu liofobowego. Wraz ze wzrostem objętości elektrolitu oraz maleniem objętości wody wzrasta wartość koagulacyjna. Błędy w wynikach mogły zostać spowodowane niedokładnym odmierzeniem soli elektrolitu, zbyt krótkim czasie pozostawienia probówek w statywie, niezaobserwowaniem koagulacji w którejś z próbówek lub złym wykonanie zolu FE(OH)3.