„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
Agnieszka Taborek
Określanie właściwości krzemianów i układów
koloidalnych 311[30].Z1.02
Poradnik dla ucznia
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
1
Recenzenci:
mgr inŜ. Halina Bielecka
mgr inŜ. Małgorzata Kapusta
Opracowanie redakcyjne:
mgr Agnieszka Taborek
Konsultacja:
mgr inŜ. Gabriela Poloczek
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[30].Z1.02.
„Określanie właściwości krzemianów i układów koloidalnych”, zawartego w modułowym
programie nauczania dla zawodu technik technologii ceramicznej.
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
2
SPIS TREŚCI
1. Wprowadzenie
3
2. Wymagania wstępne
5
3. Cele kształcenia
6
4. Materiał nauczania
7
4.1. Budowa i właściwości krzemianów. Elementy chemii krzemianów
krystalicznych, struktura krzemianów i prawidłowości nią rządzące
7
4.1.1. Materiał nauczania
7
4.1.2. Pytania sprawdzające
9
4.1.3. Ćwiczenia
9
4.1.4. Sprawdzian postępów
11
4.2. Elementy chemii szkieł krzemianowych
12
4.2.1. Materiał nauczania
12
4.2.2. Pytania sprawdzające
13
4.2.3. Ćwiczenia
13
4.2.4. Sprawdzian postępów
15
4.3. Absorbenty i adsorbenty par i gazów. Sita molekularne
16
4.3.1. Materiał nauczania
16
4.3.2. Pytania sprawdzające
17
4.3.3. Ćwiczenia
17
4.3.4. Sprawdzian postępów
19
4.4. Roztwory i układy koloidalne
20
4.4.1. Materiał nauczania
20
4.4.2. Pytania sprawdzające
24
4.4.3. Ćwiczenia
24
4.4.4. Sprawdzian postępów
27
4.5. Zastosowanie technologiczne układów koloidalnych
28
4.5.1. Materiał nauczania
28
4.5.2. Pytania sprawdzające
32
4.5.3. Ćwiczenia
32
4.5.4. Sprawdzian postępów
34
5. Sprawdzian osiągnięć
35
6. Literatura
39
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
3
1.
WPROWADZENIE
Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o właściwościach krzemianów
i układach koloidalnych.
W poradniku zamieszczono:
–
wymagania wstępne, czyli wykaz niezbędnych wiadomości i umiejętności, które
powinieneś mieć opanowane, abyś mógł przystąpić do realizacji programu jednostki
modułowej,
–
cele kształcenia tej jednostki modułowej,
–
materiał nauczania – zawarty w rozdziale 4, który umoŜliwia samodzielne przygotowanie
się do wykonania ćwiczeń i zaliczenia sprawdzianów. Obejmuje on równieŜ ćwiczenia,
które zawierają wykaz materiałów, narzędzi i sprzętu, potrzebnych do realizacji ćwiczeń.
Przed ćwiczeniami zamieszczono pytania sprawdzające wiedzę potrzebną do ich
wykonania. Po ćwiczeniach zamieszczony został sprawdzian postępów. Wykonując
sprawdzian postępów powinieneś odpowiadać na pytania tak lub nie, co oznacza,
Ŝ
e opanowałeś materiał albo nie,
–
sprawdzian osiągnięć, w którym zamieszczono instrukcję dla ucznia oraz zestaw zadań
testowych sprawdzających opanowanie wiedzy i umiejętności z zakresu całej jednostki;
zamieszczona została takŜe karta odpowiedzi,
–
wykaz literatury obejmujący zakres wiadomości dotyczących tej jednostki modułowej,
która umoŜliwi Ci pogłębienie nabytych umiejętności.
JeŜeli będziesz mieć trudności ze zrozumieniem tematu lub ćwiczenia, to poproś
nauczyciela o wyjaśnienie i ewentualne sprawdzenie, czy dobrze wykonujesz daną czynność.
Bezpieczeństwo i higiena pracy
W czasie pobytu w pracowni musisz przestrzegać regulaminów, przepisów
bezpieczeństwa i higieny pracy oraz instrukcji przeciwpoŜarowych, wynikających z rodzaju
wykonywanych prac. Przepisy te poznasz podczas trwania nauki.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
4
Schemat układu jednostek modułowych
311[30].Z1
Podstawy chemii ceramicznej
311[30].Z1.01
Posługiwanie się pojęciami z zakresu
chemii stosowanej
311[30].Z1.02
Określanie właściwości krzemianów
i układów koloidalnych
311[30].Z1.03
Badanie przemian fazowych
w materiałach ceramicznych
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
5
2. WYMAGANIA WSTĘPNE
Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
−
posługiwać się podstawowymi pojęciami z zakresu fizyki i chemii, takimi jak: jon,
kation, anion, dipol elektryczny, pH roztworu, siły Van der Waalsa,
−
posługiwać się podstawowymi wzorami nieorganicznych związków chemicznych:
tlenków, wodorotlenków, kwasów i soli oraz związków organicznych,
−
określać podstawowe właściwości fizyczne ciał stałych,
−
posługiwać się podstawowymi jednostkami miar,
−
stosować
podstawowe
przepisy
bezpieczeństwa
i
higieny
pracy,
ochrony
przeciwpoŜarowej i ochrony środowiska,
−
współpracować w grupie z uwzględnieniem podziału zadań,
−
korzystać z róŜnych źródeł informacji.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
6
3. CELE KSZTAŁCENIA
W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
–
określić właściwości ciał stałych krystalicznych i szklistych,
–
określić budowę wewnętrzną i właściwości krzemianów stosowanych jako surowce
ceramiczne,
–
określić skład chemiczny krzemianów stosowanych jako surowce ceramiczne,
–
określić właściwości roztworów koloidalnych i zawiesin stosowanych do odlewania
wyrobów ceramicznych,
–
wykorzystać właściwości koloidalne mas i gęstw do regulowania ich parametrów
reologicznych,
–
określić zasady działania sit molekularnych, absorbentów i adsorbentów par i gazów,
–
określić zastosowanie absorpcji par i gazów na powierzchni ciał stałych,
–
wyjaśnić wykorzystanie zjawiska flokulacji i koagulacji do oczyszczania wód oraz
ś
cieków,
–
zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpoŜarowej oraz
ochrony środowiska w trakcie wykonywania ćwiczeń laboratoryjnych.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
7
4.
MATERIAŁ NAUCZANIA
4.1. Budowa i właściwości krzemianów. Elementy chemii
krzemianów
krystalicznych,
struktura
krzemianów
i prawidłowości nią rządzące
4.1.1. Materiał nauczania
Dwutlenek krzemu, chociaŜ nierozpuszczalny w wodzie, jest tlenkiem kwasowym
i z zasadami tworzy rozpuszczalne w wodzie krzemiany (tzw. szkło wodne):
2 NaOH + SiO
2
→ Na
2
SiO
3
+ H
2
O
4 NaOH + SiO
2
→ Na
4
SiO
4
+ 2 H
2
O
Te same krzemiany otrzymuje się równieŜ przez stapianie krzemionki z węglanem sodu:
Na
2
CO
3
, 1700 K
SiO
2
CO
2
+ Na
2
SiO
3
W reakcji tej obok Na
2
SiO
3
powstają teŜ pewne ilości ortokrzemianu. Z wodnych
roztworów metakrzemianów (Na
2
SiO
3
) i ortokrzemianów sodu (Na
4
SiO
4
) pod wpływem
kwasów wytrąca się Ŝel krzemionkowy (SiO
2
·
nH
2
O) złoŜony głównie z soli kwasu
metakrzemowego (Na
2
SiO
3
) i soli kwasu ortokrzemowego (Na
4
SiO
4
), a prawdopodobnie
równieŜ i z bardziej złoŜonych kwasów wielokrzemowych. śel krzemionkowy wiąŜe
w swych kanalikach zmienne ilości wody, dochodzące do 300 cząsteczek wody na jedną
cząsteczkę SiO
2
. Odwodniony Ŝel ma zdolność adsorbowania lotnych związków chemicznych
i jest uŜywany jako środek suszący.
Spośród ogromnej liczby krzemianów tylko sole litowców są rozpuszczalne w wodzie.
Według najczęściej obecnie stosowanej klasyfikacji rozróŜnia się sześć podstawowych
typów krzemianów i glinokrzemianów:
−
wyspowy, np. oliwin (Mg, Fe)
2
SiO
4
, wilemit Zn
2
(SiO
4
),
−
grupowy, np. hemimorfit Zn
4
(OH)
2
SiO
7
·
H
2
O,
−
łańcuchowy, np. enstatyt MgSiO
3
, tremolit Ca
5
Mg
5
(OHSi
4
O
11
)
2
,
−
pierścieniowy, np. wolastonit Ca
3
(Si
3
O
9
), benitoit BaTi(Si
3
O
9
),
−
warstwowy, np. talk Mg
3
(OH)
2
(Si
4
O
10
), kaolinit Al
2
(OH)
4
(Si
2
O
5
),
−
przestrzenny (szkieletowy), np. ortoklaz KAlSi
3
O
8
, anortyt CaAl
2
Si
2
O
8
.
Elementem budowy wszystkich krzemianów jest tetraedr SiO
4
4-
. PoniewaŜ tetraedry
łączą się z sobą mostkami tlenowymi, łańcuch zbudowany z tetraedrów SiO
4
4-
moŜna
przedstawić ogólnym wzorem (–SiO
3
–)
n
.
Rys. 1. a) Struktura tetraedru SiO
4
4-
, b) wpływ mostków tlenowych, łączących tetraedry SiO
4
4-
na wzór
krzemianów (–SiO
3
–)
n
. [7, s. 374]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
8
W strukturach warstwowych z reguły występuje przemienne ułoŜenie podstaw
tetraedrów.
Wyjątkiem jest kaolinit, w którym tetraedry są ułoŜone w jednym kierunku.
Przykładem przemiennej struktury warstwowej jest pospolita w przyrodzie mika
(muskowit): KAl
2
[AlSi
3
O
10
](OH)
2
. Na rysunku 2 widoczne są warstwy tetraedrów
krzemianowych (zaznaczone trójkątami), przedzielone na przemian warstwami jonów potasu
oraz potrójnymi warstwami OH
-
—Al
3+
—OH
-
.
Rys. 2. Schemat warstwowej budowy miki [7, s. 375]
KaŜda warstwa jonów Al
3+
wiąŜe elektrostatycznie dwie anionowe warstwy tetraedrów
SiO
4
. Doskonała łupliwość miki wzdłuŜ warstw wskazuje na niewielką siłę wiązania
elektrostatycznego w sieciach warstwowych.
Rolę krzemu w budowie litosfery (stałej powłoki Ziemi) najlepiej uwydatnia jej skład
procentowy (tabela 1).
Tabela 1. Skład litosfery [7, s. 375]
Pierwiastek
% wagowy
O
49,20
Si
26,10
Al
7,45
Fe
4,20
Ca
3,25
Na
2,40
K
2,35
Mg
2,35
H
1,00
Ti
0,61
C
0,35
Cl
0,20
P
0,12
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
9
Ponad 75% skorupy ziemskiej składa się z tlenu i krzemu o stosunku stechiometrycznym
krzemu do tlenu równym 1:3,3. Stosunek ten odpowiada w przybliŜeniu składowi
krzemianów. JeŜeli weźmiemy pod uwagę równieŜ glin, okazuje się, Ŝe podstawowym
materiałem tworzącym litosferę są glinokrzemiany – związki, w których atomy glinu
zastępują częściowo atomy krzemu. Skorupa ziemska składa się ze skał i produktów ich
wietrzenia. W zaleŜności od jakości i ilości minerałów rozróŜnia się trzy rodzaje skał:
−
magmowe – skrzepnięta magma (złoŜona z tlenków metali) pochodząca z głębi Ziemi,
−
osadowe, złoŜone głównie z węglanów berylowców (wapienie, dolomity) oraz z piasków
i piaskowców, których głównym składnikiem jest SiO
2
w postaci kwarcu,
−
metamorficzne – przewaŜnie łupki krystaliczne.
95% skorupy ziemskiej stanowi granit, główny składnik skał magmowych. Granit składa
się ze skaleni, łyszczyków (miki) i z kwarcu. Produktami wietrzenia skaleni są: krzemionka,
występująca, np. w postaci piasku morskiego oraz kaolinit Al
2
O
3
·
2SiO
2
·
2H
2
O, główny
składnik kaolinu i glin:
2NaAlSi
3
O
8
+ 2H
2
O + CO
2
→ 4 SiO
2
+ Al
2
O
3
·
2SiO
2
·
2H
2
O + Na
2
CO
3
Kaolin zanieczyszczony piaskiem i zabarwiony tlenkami Ŝelaza znany jest jako pospolita
glina i jest podstawowym surowcem przemysłu ceramicznego. Gliny ze znaczną domieszką
wapieni CaCO
3
, zwane gliną marglową, są uŜywane do wyrobu cementu.
4.1.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Co to jest szkło wodne?
2. Które krzemiany są rozpuszczalne w wodzie?
3. Jakie znasz typy krzemianów i glinokrzemianów?
4. Co jest podstawowym elementem budowy wszystkich krzemianów?
5. W jakich strukturach występuje przemienne ułoŜenie podstaw tetraedrów?
6. W jakim minerale tetraedry są ułoŜone w jednym kierunku?
7. Jaki procent skorupy ziemskiej stanowi krzem?
8. Z jakich skał zbudowana jest skorupa ziemska?
9. Z czego składa się granit?
10. Co jest produktem wietrzenia skaleni?
11. Co to jest kaolin?
4.1.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Obejrzyj zestaw minerałów krzemianowych. W tabeli zapisz nazwy obejrzanych
minerałów, ich wzory chemiczne oraz cechy charakterystyczne wyglądu zewnętrznego.
Nazwa minerału
Wzór chemiczny minerału
Cechy charakterystyczne
Mika
KAl
2
[AlSi
3
O
10
](OH)
2
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
10
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować zestaw minerałów krzemianowych,
2) zanotować w tabeli nazwy obejrzanych minerałów,
3) zapisać wzory chemiczne tych minerałów,
4) określić i zapisać cechy charakterystyczne wyglądu zewnętrznego tych minerałów,
5) zaprezentować efekty pracy.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
przybory do pisania,
−
zestaw minerałów krzemianowych,
−
zeszyt,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
Ćwiczenie 2
Na podstawie Atlasu mineralogii wypisz 6 grup krzemianów oraz podaj po 3 przykłady
minerałów i ich zastosowanie. Skorzystaj z poniŜszego przykładu.
Grupa krzemianów
Nazwa minerału
Zastosowanie
1. Dysten
Do produkcji materiałów ogniotrwałych
2.
Wyspowe
3.
Grupowe
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować wiadomości na temat struktury krzemianów i ich klasyfikacji,
2) przeanalizować w Atlasie mineralogii wiadomości dotyczące krzemianów,
3) wypisać w tabeli nazwy grup krzemianów, po 3 przykłady minerałów oraz ich
zastosowanie,
4) zaprezentować efekty pracy.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
Atlas mineralogii,
−
tabela do wypełnienia,
−
zeszyt,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
11
4.1.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) wyjaśnić, co to jest szkło wodne?
2) wymienić, krzemiany rozpuszczalne w wodzie?
3) rozróŜnić minerały i rozpoznać typy krzemianów i glinokrzemianów?
4) określić cechy zewnętrzne minerałów?
5) określić, z czego składa się granit?
6) podać, co jest produktem wietrzenia skaleni?
7) wyjaśnić, co to jest kaolin?
8) wyjaśnić, co to są zeolity?
9) wyjaśnić, co to są sita molekularne i jakie mają zastosowanie?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
12
4.2. Elementy chemii szkieł krzemianowych
4.2.1. Materiał nauczania
Zdolność tworzenia szkieł, czyli zastygania po stopieniu w sztywną, lecz bezpostaciową
masę, wykazują takie tlenki jak SiO
2
, B
2
O
3
, P
4
O
10
oraz ich stopy z tlenkami litowców,
berylowców, z PbO, Fe
2
O
3
. Zdolności szkłotwórcze wykazuje pierwiastkowy selen oraz
niektóre silnie spolimeryzowane substancje organiczne, np. polistyren. Z punktu widzenia
praktycznego szczególnie duŜą rolę odgrywają szkła krzemianowe.
W odróŜnieniu od ciał krystalicznych, anizotropowych, szkła są ciałami o własnościach
izotropowych. Obydwa rodzaje ciał róŜnią się takŜe tym, Ŝe ciała stałe krystaliczne topią się
w określonej temperaturze skokowo zmieniając swoje własności od właściwości ciała stałego
do własności cieczy, podczas gdy szkła w czasie ogrzewania stopniowo miękną i przechodzą
w sposób ciągły od stanu, w którym własności ich zbliŜone są do własności ciała stałego, do
stanu, w którym moŜna je uwaŜać za przechłodzoną ciecz o znacznej lepkości. Przejście
jednego stanu do drugiego odbywa się w stosunkowo wąskim zakresie temperatur zwanym
zakresem przeobraŜenia szkła. Zakres przeobraŜenia szkła kwarcowego zachodzi
w temperaturze około 1500
K, w przypadku szkieł krzemianowych przypada on zwykle na
znacznie niŜsze temperatury, około 800–1000 K, zaleŜnie od składu szkła. W temperaturze
odpowiadającej zakresowi przeobraŜenia stwierdza się szybką zmianę ciepła właściwego,
współczynnika załamania światła i współczynnika rozszerzalności cieplnej, przenikalności
elektrycznej.
W temperaturze niŜszej od zakresu przeobraŜenia szkło jest twarde i kruche, w wyŜszej
staje się coraz bardziej plastyczne. W trakcie jeszcze silniejszego ogrzewania zmienia się
stopniowo w coraz bardziej ruchliwą ciecz.
Szkła krzemianowe mają podobnie jak krystaliczny SiO
2
i krystaliczne krzemiany,
strukturę złoŜoną z tetraedrycznych grup [SiO
4
], które łącząc się z sobą tworzą sztywny
szkielet trójwymiarowy. Istotna róŜnica pomiędzy szkłem, a ciałem krystalicznym polega
na tym, Ŝe w przypadku substancji krystalicznej grupy krzemotlenowe tworzą uporządkowaną
sieć przestrzenną, w szkle natomiast wiąŜą się ze sobą w sposób nieuporządkowany.
Rys. 3. Schemat ułoŜenia atomów: a) w stanie krystalicznym, b) w stanie szklistym [1, s. 743]
Szkła krzemianowe, znajdujące szerokie zastosowanie w Ŝyciu codziennym i róŜnych
działach techniki, wytwarza się stapiając piasek z sodą, Na
2
CO
3
, i wapieniem, CaCO
3
,
w temperaturze około 1800 K. W ten sposób do masy wprowadza się SiO
2
, Na
2
O i CaO.
ZaleŜnie od potrzeb stosuje się dodatki potaŜu – K
2
CO
3
, boraksu – Na
2
B
4
O
7
·
10H
2
O, glejty
ołowianej – PbO lub kaolinu.
Szkło barwi się wprowadzając tlenki metali grup przejściowych.
Tlenki kobaltu barwią szkło na fioletowoniebiesko, tlenki Ŝelaza, w zaleŜności od
atmosfery panującej w piecu szklarskim, na zielono – FeO w atmosferze redukującej, na
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
13
brunatno – Fe
2
O
3
w atmosferze utleniającej, trójtlenek chromu Cr
2
O
3
– na zielono. Na kolor
rubinowy barwi szkło koloidalnie rozproszone złoto, a na kolor Ŝółty koloidalne srebro.
Skład normalnego szkła okiennego w przybliŜeniu odpowiada wzorowi Na
2
O·CaO·6SiO
2
(12,9% Na
2
O, 11,6% CaO, i 75,5% SiO
2
). Jest to szkło sodowo-wapniowe. W szkłach
potasowo-wapniowych, odznaczających się wyŜszą temperatura mięknięcia, Na
2
O zostaje
zastąpiony przez K
2
O. Ze względu na zmniejszoną nieco odporność chemiczną do szkieł tych
dodaje się więcej SiO
2
niŜ do szkła normalnego. Szkła potasowo-wapniowe znajdują
zastosowanie do wyrobu naczyń laboratoryjnych. Szkło optyczne crown jest równieŜ szkłem
potasowo-wapniowym.
Szkła sodowo-potasowo-wapniowe zawierają zarówno tlenek sodu, jak i potasu. UŜywa
się je takŜe do wyrobu naczyń laboratoryjnych, chociaŜ wykazują mniejszą odporność
chemiczną niŜ szkło potasowe.
Odporność chemiczna i termiczna szkła wzrasta bardzo znacznie, jeŜeli część SiO
2
zostanie w nim zastąpiona przez B
2
O
3
(10%) i Al
2
O
3
(14%). Dodatek tlenku boru powoduje
zmniejszenie współczynnika rozszerzalności cieplnej, tlenek glinu natomiast zmniejsza
kruchość szkła i jego tendencję do krystalizacji. Szkło jenajskie o składzie: 74,5% SiO
2
, 8,5%
Al
2
O
3
, 4,6% B
2
O
3
, 7,7% Na
2
O, 3,9% BaO, 0,8% CaO, 0,1% MgO przeznaczone początkowo
głównie na wyroby laboratoryjne, zyskało zastosowanie równieŜ do wyrobu przedmiotów
codziennego uŜytku. Podobny skład i własności, ale jeszcze większą odporność termiczną,
wykazują szkła trudno topliwe Pyrex, Duran i Supremax.
Szkła potasowo-ołowiowe zawierają K
2
O (13%) i PbO (29%) zamiast CaO. Są to szkła
łatwo topliwe, odznaczające się duŜą gęstością i duŜym współczynnikiem załamania światła.
Jest to tzw. szkło kryształowe. Optyczne szkło flint jest równieŜ szkłem potasowo-
ołowiowym. Szkło strass, bogate w PbO i B
2
O
3
, ma szczególnie duŜy współczynnik
załamania światła i znajduje zastosowanie do wyrobu sztucznej biŜuterii.
4.2.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie substancje wykazują zdolność tworzenia szkieł?
2. Czym róŜnią się ciała krystaliczne, anizotropowe, od szkieł czyli ciał o własnościach
izotropowych?
3. Czym róŜnią się ciała stałe krystaliczne od szkieł?
4. Jakie właściwości szkieł zmieniają się w zakresie przeobraŜenia?
5. Z czego wytwarza się szkła krzemianowe?
6. W jaki sposób barwi się szkło?
7. Jaki jest skład szkła sodowo-wapniowego, sodowo-wapniowego, sodowo-potasowo-
wapniowego?
8. W jaki sposób moŜna uzyskać większą odporność chemiczną i termiczną szkła?
9. Jaki skład mają i do jakich celów stosuje się szkła potasowo-ołowiowe?
4.2.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Weź udział w wycieczce do huty szkła. W czasie wycieczki zwróć uwagę na:
–
rodzaj otrzymywanego szkła, jego skład chemiczny,
–
stosowane materiały,
–
substancje zastosowane do barwienia,
–
zastosowanie otrzymywanego w tym zakładzie szkła.
Przygotuj sprawozdanie z wycieczki.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
14
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować stosowaną w tym zakładzie technologię, zwracając szczególną uwagę
na wymienione w poleceniu elementy,
2) przygotować sprawozdanie z wycieczki,
3) zaprezentować efekty pracy.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
przybory do pisania,
−
zeszyt,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
Ćwiczenie 2
Uzupełnij poniŜszą tabelę, wpisując przybliŜony skład chemiczny róŜnych typów szkieł
oraz ich zastosowanie.
PrzybliŜony skład
Typ szkła
SiO
2
Na
2
O
CaO
B
2
O
3
Al
2
O
3
K
2
O
PbO
Zastosowanie
Sodow-wapniowe
Potasowo-wapniowe
Glinokrzemianowe
Ołowiowe
Kwarcowe
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować wiadomości dotyczące szkieł,
2) uzupełnić tabelę, wpisując przybliŜony skład chemiczny róŜnych typów szkieł
oraz ich zastosowanie,
3) zaprezentować efekty pracy.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
przybory do pisania,
−
tabela do uzupełnienia,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
15
4.2.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) podać, jakie substancje wykazują zdolność tworzenia szkieł?
2) wyjaśnić, czym róŜnią się ciała krystaliczne, anizotropowe, od szkieł, czyli
ciał o własnościach izotropowych?
3) wyjaśnić, czym róŜnią się ciała stałe krystaliczne od szkieł?
4) określić, jakie właściwości szkieł zmieniają się w zakresie przeobraŜenia?
5) określić skład szkieł krzemianowych?
6) określić, w jaki sposób barwi się szkło?
7) określić skład szkła sodowo-wapniowego, sodowo-wapniowego, sodowo-
potasowo-wapniowego?
8) wyjaśnić, w jaki sposób moŜna uzyskać większą odporność chemiczną
i termiczną szkła?
9) określić, jaki skład mają i do jakich celów stosuje się szkła potasowo-
ołowiowe?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
16
4.3. Absorbenty i adsorbenty par i gazów. Sita molekularne
4.3.1. Materiał nauczania
Niektóre substancje wykazują zdolność pochłaniania gazów lub niektórych składników
roztworów. Zjawisko to nazywa się sorpcją.
Sorpcję dzieli się na absorpcję i adsorpcję. Absorpcja dotyczy pochłaniania przez całą
masę substancji pochłaniającej, natomiast adsorpcja ogranicza się do pochłaniania przez
powierzchnię.
Wydzielanie się substancji pochłoniętej nazywa się desorpcją.
Adsorpcja moŜe zachodzić zarówno na powierzchni ciał stałych, jaki i cieczy.
Substancję, na powierzchni której zachodzi adsorpcja, nazywa się adsorbentem, natomiast
substancję, która ulega adsorpcji – adsorbatem. W przypadku adsorpcji gazu na powierzchni
metalu gaz jest adsorbatem, natomiast metal – adsorbentem.
Adsorbentami są najczęściej ciała stałe o bardzo rozwiniętej powierzchni utworzonej
z róŜnych porów i kanalików. Właściwości adsorpcyjne adsorbenta charakteryzuje się za
pomocą tzw. powierzchni właściwej, która wyraŜa jego powierzchnię w cm
2
lub w m
2
,
odpowiadającą masie 1 grama adsorbenta.
Badania wykazały, Ŝe wiele adsorbentów, jak: węgiel drzewny, aktywny tlenek glinu,
silikaŜel ma powierzchnię właściwą w granicach 300–600 m
2
/g.
Zjawisko adsorpcji fizycznej spowodowane jest siłami przyciągania występującymi
pomiędzy cząsteczkami znajdującymi się na powierzchni adsorbenta. Siły te mają charakter
oddziaływań elektrostatycznych, typu dipol-dipol, jon-dipol lub są siłami dyspersyjnymi.
Adsorpcję tego typu nazywa się adsorpcją fizyczną lub fizykosorpacją.
Jeśli natomiast pomiędzy cząsteczkami adsorbatu i powierzchniowymi cząsteczkami
adsorbenta oddziaływania prowadzą do wzajemnej wymiany elektronów i powstawania
wiązań chemicznych, adsorpcję nazywa się adsorpcją chemiczną lub chemisorpcją. Ma ona
charakter nieodwracalny. Adsorpcja fizyczna w odróŜnieniu od chemisorpcji jest przewaŜnie
zjawiskiem odwracalnym.
Gazy szlachetne, takie jak argon, krypton czy hel ulegają na powierzchni ciał stałych
adsorpcji fizycznej, natomiast takie gazy jak tlen, wodór, azot w zaleŜności od warunków
ulegają adsorpcji fizycznej lub chemicznej.
W przypadku chemisorpcji na powierzchni adsorbenta tworzy się zwykle tylko
pojedyncza warstwa adsorbatu, natomiast podczas adsorpcji fizycznej warstw tych jest
zazwyczaj więcej.
Sita molekularne są to porowate związki chemiczne mające własność zatrzymywania
w wewnętrznych obszarach sieci krystalicznej cząsteczek adsorbatów o odpowiednich
rozmiarach. Sita molekularne posiadają róŜnej wielkości luki i kanały. Do najwaŜniejszych sit
molekularnych naleŜą: glinokrzemiany (zeolity, np. stylbit, natrolit), porowate polimery,
szkła, węgiel aktywny. Sita molekularne uŜywane są do oczyszczania gazów i cieczy, do
pochłaniania ze środowiska atomów promieniotwórczych oraz jako wymieniacze jonowe
i nośniki katalizatorów.
Adsorbenty krzemowe stanowią najliczniejszą klasę sorbentów tlenkowych, takich
jak silikaŜel, ziemia Fullera, diatomit, zeolity syntetyczne, sita molekularne. Najbardziej
polarne adsorbenty tlenkowe, np. tlenki glinu, rzadko są stosowane przy adsorpcyjnym
oczyszczaniu gazów odlotowych.
Adsorbenty glinowo-krzemowe są stosowane wówczas, gdy ekonomiczna jest
regeneracja ich w wysokich temperaturach, do 700 K. Adsorbentami tymi są zwykle sita
molekularne będące zeolitami syntetycznymi o strukturze, w której wolne przestrzenie tworzą
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
17
komory i kanały o ściśle określonych kształtach i wymiarach. Dzięki temu w danym złoŜu
zeolitu mogą być adsorbowane cząstki o wymiarach i kształtach dopasowanych do rozmiarów
kanałów. UmoŜliwia to selektywną sorpcję. Górna granica ich trwałości odpowiada zakresowi
880–1100 K, nie powyŜej.
Para wodna adsorbowana jest dobrze na zeolitach naturalnych krystalicznych.
Sita molekularne o średnicy porów 0,003 mikrometrów (A3) stosowane są dość
powszechnie do usuwania NH
3
i pary H
2
O z gazów obojętnych. Przy średnicy
0,004 mikrometrów (A4) jako typowe adsorbowane są CO
2
, SO
2
, H
2
S, R
x
S, C
2
H
4
. Proste
łańcuchy węglowodorów usuwane i rozdzielane są na sitach o wielkości porów
0,005 mikrometrów (A5). Przykładem adsorbentów niekrystalicznych (amorficznych) mogą
być silikaŜel, tlenek glinu i szereg innych tlenków metali, które zdolne są do adsorpcji po
aktywacji przez dodatek substancji jonowej.
Aktywowany tlenek glinu jako wysokoporowaty granulat stosowany jest najczęściej do
adsorpcji pary wodnej, po czym jest regenerowany wskutek ogrzewania do temp.460–500 K.
SilikaŜel jest bezpostaciową uwodnioną krzemionką (SiO
2
n H
2
O) otrzymywaną przez
działanie kwasu siarkowego na krzemian sodu (szkło wodne). Rozmiar granul silikaŜelu waha
się, od ułamka do kilku milimetrów. W zaleŜności od struktury wewnętrznej silikaŜel dzieli
się na szeroko i wąskoporowaty. Te ostatnie są bardziej wytrzymałe mechanicznie. SilikaŜel
jest stosowany przede wszystkim jako środek pochłaniający parę wodną. Przy duŜej
zawartości pary wodnej w gazie jest stosowany silikaŜel szeroko porowaty; często stosowany
prócz tego w preparatyce katalizatorów jako nośnik. SilikaŜel nie jest odpowiedni do pracy
w wysokich temperaturach. Jego struktura powyŜej temp. 530 K ulega degradacji. SilikaŜel
regeneruje się w zakresie temp. 390–470 K.
4.3.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Co to jest sorpcja i jak ją dzielimy?
2. Co rozumiemy pod pojęciami absorpcji i adsorpcji?
3. Czym róŜni się adsorpcja fizyczna od chemicznej?
4. Jakie są właściwości adsorbentów?
5. Jakie znasz przykłady adsorbentów?
6. Jakie jest zastosowanie sit molekularnych?
4.3.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Korzystając z dostępnych źródeł informacji (np.: materiały reklamowe, Internet)
wyszukaj informacje o otrzymywaniu syntetycznych sit molekularnych oraz ich zastosowaniu
w róŜnych dziedzinach Ŝycia.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyszukać w Internecie informacje o otrzymywaniu syntetycznych sit molekularnych,
2) wyszukać informacje o zastosowaniu sit molekularnych w róŜnych dziedzinach Ŝycia,
3) napisać notatkę na podstawie wyszukanych informacji,
4) zaprezentować efekty pracy.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
18
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
przybory do pisania,
−
materiały reklamowe firm,
−
komputer z dostępem do Internetu,
−
zeszyt.
Ćwiczenie 2
Dokonaj analizy wiadomości dotyczących zeolitów. Określ ich cechy charakterystyczne.
Materiał Źródłowy
Zeolity, grupa minerałów, uwodnione glinokrzemiany sodu i wapnia, rzadziej baru,
magnezu, manganu, potasu i strontu. NaleŜą do nich m.in.:
–
chabazyt – (Ca, Na)
2
[Al
3
Si
9
O
24
] · 9H
2
O,
–
desmin – Ca[Al
2
Si
7
O
18
] · 7H
2
O,
–
filipsyt – KCa[Al
3
Si
5
O
16
] · 6H
2
O,
–
harmotom – Ba[Al
2
Si
6
O
16
] · 6H
2
O,
–
heulandyt – Ca[Al
2
Si
7
O
18
] · 6H
2
O,
–
natrolit – Na
2
Al
2
Si
3
O
10
· 2H
2
O.
Krystalizują w układzie jednoskośnym, rzadziej rombowym lub trygonalnym. Twardość
od 3,5 do 5,5. Barwa biała, czerwonawa, Ŝółtawa lub zielonkawa, spotyka się takŜe kryształy
bezbarwne. Połysk szklisty, jedwabisty lub perłowy. Charakterystyczną cechą zeolitów jest
występowanie w ich strukturze wewnętrznej pustych przestrzeni tworzących system
kanalików wypełnionych wodą w postaci cząsteczkowej (woda zeolityczna). Podczas
suszenia woda ta zostaje usunięta nie naruszając struktury kryształów, zmianie ulegają
jedynie niektóre ich właściwości fizyczne. Woda moŜe być jednak z powrotem wchłonięta
bądź zastąpiona przez inne ciecze lub gazy. Zeolity cechuje równieŜ duŜa zdolność wymiany
kationów. Powstają w utworach hydrotermalnych, wypełniając szczeliny i pustki skał
wylewnych (np. bazaltów, melafirów), stanowią teŜ produkt przeobraŜenia skaleni
i skalenoidów. Szeroko rozpowszechnione. W Polsce spotykane w okolicach Krakowa,
w Pieninach i na Dolnym Śląsku. Obecnie zeolity otrzymuje się takŜe sztucznie (niektóre
z nich nie mają naturalnych odpowiedników w przyrodzie). Stosowane do zmiękczania
twardych wód, do rozdzielania substancji w mieszaninach gazów lub roztworach (jako sita
molekularne), a takŜe jako katalizatory.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować wiadomości z materiału źródłowego do ćwiczenia,
2) wyszukać w materiale źródłowym:
–
co to są zeolity,
–
5 przykładów minerałów, które są zeolitami,
–
właściwości fizyczne charakterystyczne dla zeolitów,
–
właściwości charakterystyczne dla zeolitów, które pozwalają wykorzystywać je jako
sita molekularne,
3) określić cechy charakterystyczne zeolitów,
4) zapisać notatkę,
5) zaprezentować efekty pracy.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
19
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
materiał źródłowy,
−
zeszyt,
−
przybory do pisania.
4.3.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) wyjaśnić, co to jest sorpcja i podać, jak ją dzielimy?
2) wyjaśnić, co rozumiemy pod pojęciami absorpcji i adsorpcji?
3) wskazać róŜnice między adsorpcją fizyczną i chemiczną?
4) scharakteryzować właściwości adsorbentów?
5) podać przykłady adsorbentów?
6) określić zastosowanie sit molekularnych?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
20
4.4. Roztwory i układy koloidalne
4.4.1. Materiał nauczania
Roztwór jest to mieszanina jednorodna makroskopowo (homogeniczna). Jeden
ze składników roztworu jest nazywany rozpuszczalnikiem, a drugi substancją rozpuszczoną.
Proces mieszania dwóch substancji prowadzący do otrzymania mieszaniny jednorodnej
makroskopowo nazywa się rozpuszczaniem.
Termin „roztwór” kojarzy się na ogół z ciekłym stanem skupienia. Rzeczywiście
większość roztworów spotykanych w Ŝyciu codziennym i w laboratoriach to ciecze, nie mniej
znane są roztwory w stanie gazowym ( np.: powietrze – mieszanina tlenu, azotu i kilku innych
gazów) czy nawet w stanie stałym (np. mosiądz – roztwór cynku w miedzi oraz inne stopy).
Dlatego teoria roztworów uwzględnia roztwory stałe, ciekłe i gazowe.
Roztwory, podobnie jak związki chemiczne, są jednorodne makroskopowo. Istotna
róŜnica tkwi w strukturze molekularnej. Roztwór jest niejednolity molekularnie, zawiera
co najmniej dwa rodzaje cząsteczek: cząsteczki rozpuszczalnika i cząsteczki substancji
rozpuszczonej. Oba rodzaje cząsteczek są zmieszane chaotycznie, poruszają się niezaleŜnie,
nie tworzą trwałych wiązań chemicznych, najwyŜej występują między nimi słabe
oddziaływania Van der Waalsa.
JeŜeli cząsteczki jakiejkolwiek substancji zostają rozprowadzone równomiernie
w jakiejkolwiek innej substancji, to mieszanina taka jest nazywana układem dyspersyjnym.
Zbiór cząsteczek substancji rozpuszczonej nosi nazwę fazy rozproszonej, a substancja,
w której te cząsteczki są rozproszone – fazy dyspersyjnej (rozpraszającej). Układy
dyspersyjne róŜnią się stopniem dyspersji (stopniem rozdrobnienia), czyli rozmiarami cząstek.
Im mniejsze są cząstki, tym większy jest stopień dyspersji i odwrotnie. JeŜeli faza
rozproszona jest rozdrobniona, aŜ do pojedynczych cząstek chemicznych (atomów,
cząsteczek lub jonów), jak np. w wodnym roztworze cukru lub soli, to układ dyspersyjny nosi
nazwę roztworu właściwego (rzeczywistego). Wymiary cząstek fazy rozproszonej
w roztworze właściwym nie przekraczają 1 nm. Układ dyspersyjny, w którym cząsteczki fazy
rozproszonej są większe od 300 nm, wykazuje cechy mieszaniny heterogenicznej i jest
nazywany zawiesiną, gdy fazę rozproszoną stanowią cząstki ciała stałego, albo emulsją –
w przypadku rozproszenia cząsteczek cieczy. Przykładem zawiesiny jest mieszanina wody
z gliną, przykładem emulsji – mleko, w którym fazą rozproszoną są bardzo drobne kropelki
tłuszczu. Miejsce pośrednie między zawiesiną i roztworami właściwymi zajmują koloidy.
Koloid – mieszanina niejednorodna o rozdrobnieniu koloidalnym. Cząstki koloidalne
nie są widoczne pod zwykłym mikroskopem i przechodzą przez pory w bibule, dlatego
koloidów nie da się rozdzielić przez sączenie.
Granica między zawiesiną, a układem koloidalnym oraz granica między koloidami
i roztworami właściwymi ma charakter orientacyjny. Przejścia te mają charakter stopniowy,
a o zaliczeniu danego układu do określonej grupy decydują przede wszystkim jego
właściwości.
Kryterium podziału roztworów na te trzy kategorie stanowi wielkość cząstek substancji
tworzących mieszaninę.
Tabela 2. Kryteria podziału roztworów [4, s.103]
Typ
roztworu
homogeniczny
(właściwy)
koloidalny
heterogeniczny
(zawiesina)
Rozmiar
cząstek
cząstki bardzo małe,
poniŜej 1 nm
cząstki średniej wielkości,
1–300 nm
cząstki bardzo duŜe,
powyŜej 300 nm
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
21
Specyficzne właściwości wykazują koloidy. Jedną z charakterystycznych cech róŜniącą
koloidy od roztworów właściwych i zawiesin, stanowi zjawisko optyczne, zwane efektem
Tyndalla. Wiązka światła skierowana na zawiesinę zostaje odbita i rozproszona, czyli,
mówiąc potocznie, zawiesina jest nieprzezroczysta. Roztwór właściwy jest przezroczysty,
a obserwator postrzega, Ŝe promienie przechodzą przez roztwór bez widocznej drogi światła.
Jeszcze inaczej światło oddziałuje z roztworem koloidalnym. Cząstki koloidalne powodują
rozpraszanie światła, dzięki czemu droga promienia przybiera widoczną formę smugi.
Rodzaje układów koloidalnych
Koloidy moŜemy klasyfikować w zaleŜności od:
1. Wymiarów cząstek koloidalnych:
–
monodyspersyjne – wszystkie trzy wymiary cząsteczek są jednakowe,
–
polidyspersyjne – cząsteczki mają róŜne wymiary.
2. Stosunku fazy rozproszonej do ośrodka rozpraszającego:
–
koloidy liofilowe,
–
koloidy liofobowe.
3. Stanu skupienia fazy rozproszonej i rozpraszającej.
Tabela 3. Rodzaje układów koloidalnych [5, s. 204]
Faza rozproszona
Faza rozpraszająca
Koloid
Przykład
gaz
ciecz
ciało stałe
gaz
gaz
gaz
nie istnieje
aerozole ciekłe
aerozole stałe
–
mgła
dym, pył mikrokryształów
gaz
ciecz
ciało stałe
ciecz
ciecz
ciecz
piana
emulsja
zole (roztwory
koloidalne
piana mydlana
mleko, majonez, kremy
farby, roztwory wielkocząsteczkowych
polimerów
gaz
ciecz
ciało stałe
ciało stałe
ciało stałe
ciało stałe
piany trwałe
emulsje stałe
zole stałe
pumeks
opale, galaretka
szkło rubinowe, barwne kryształy, barwne
glazury zdobiące wyroby ceramiczne
Roztwory koloidalne w zaleŜności od temperatury i stęŜenia mogą występować w formie
ciekłej jako zole lub w formie elastycznego ciała stałego, jako Ŝele. Podczas odparowywania
rozpuszczalnika lub ochładzaniu koloidu, substancja rozpuszczona nie przechodzi w typową
krystaliczną fazę stałą, jak w przypadków roztworów właściwych, lecz tworzy układ
o wyglądzie zbliŜonym do ciała stałego, często miękki i elastyczny. Ten stan układu
koloidalnego nosi nazwę Ŝelu (od typowego przykładu Ŝelatyny).
Koagulacja jest to proces przejścia koloidu (zolu) w Ŝel, związany z określonymi
przejściami strukturalnymi. Cząsteczki koloidalne łączą się w większe agregaty tworzące
nieregularną sieć z licznymi porami i pustymi przestrzeniami. Pory częściowo lub w całości
wypełnione są cząsteczkami rozpuszczalnika, dzięki czemu Ŝele wykazują duŜą elastyczność.
Wprowadzając Ŝel do czystego rozpuszczalnika moŜna, choć nie zawsze, doprowadzić
go do ponownego przejścia w zol.
Peptyzacja jest procesem odwrotnym do koagulacji, czyli:
koagulacja
koloid (zol)
koagulant (Ŝel)
peptyzacja
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
22
Budowa i koagulacja cząsteczek koloidalnych
Stan koloidalny jest określoną postacią rozdrobnienia materii, którą przez stosowny
zabieg moŜe przyjąć kaŜda substancja. Konsekwencją silnego rozdrobnienia w układzie
koloidalnym jest znaczne rozwinięcie powierzchni fazy rozproszonej, a co za tym idzie,
zwiększenie energii powierzchniowej cząsteczek koloidalnych.
Cząsteczki koloidalne mimo swych duŜych rozmiarów nie ulegają skupieniu. Koloidy
liofobowe dzięki temu, Ŝe na skutek zaadsorbowania duŜej ilości jonów jednego rodzaju
z ośrodka rozpraszającego wszystkie posiadają ten sam ładunek elektryczny. W przypadku
koloidów liofilowych, ich cząsteczki, zostają otoczone cząsteczkami rozpuszczalnika,
tworzącymi warstwę uniemoŜliwiającą ich wzajemne stykanie.
Rys. 4. Budowa koloidów liofilowych (hydrofilowych) i liofobowych [8, s. 191]
Zmniejszenie energii powierzchniowej układy koloidalne mogą osiągać jeszcze w inny
sposób, a mianowicie łącząc swe cząsteczki w większe agregaty, łączenie to zwane
koagulacją, powoduje, Ŝe cząsteczki koloidalne po osiągnięciu odpowiedniej wielkości tracą
zdolność do utrzymywania się w roztworze i opadają na dno naczynia.
RóŜnice w budowie cząsteczek sprawiają, Ŝe koagulacja koloidów liofobowych
i liofilowych
ma
odmienny
charakter.
W
przypadku
koloidów
hydrofobowych
(gdy rozpuszczalnikiem jest woda), najpierw tworzy się polimolekularne jądro, które moŜe
składać się nawet z miliona atomów (np. Ŝelaza) lub kilku tysięcy cząsteczek (np.: S
8
, Fe
2
O
3
,
AgI), na którym adsorbują się z roztworu elektrolitu jony jednakowego znaku, nadając
całemu układowi wyraźny ładunek, dodatni lub ujemny. Niewielka część jonów
o przeciwnym znaku do tych zaadsorbowanych na powierzchni jądra koloidalnego, a przez
to zwanych przeciwjonami, łączy się trwale z polimerycznym jądrem i tworzy granulę,
tj. naładowaną cząstkę koloidalną. Pozostała część przeciwjonów zobojętniających ładunek
granuli, ale znajdujących się z dala od jądra koloidalnego i luźno z nim związana, tworzy tak
zwaną zewnętrzną powłokę dyfuzyjną i wraz z granulą stanowi micelę koloidalną.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
23
Rys. 5. Micela koloidalna [5, s. 205]
Gdy chcemy doprowadzić do koagulacji koloidu hydrofobowego, to musimy zobojętnić
ładunek
elektryczny
nagromadzony
na
powierzchni
ich
cząstek.
Osiągamy
to przez dodanie do roztworu koloidu nawet nieduŜych ilości elektrolitu, o ładunku jonów
przeciwnym ładunkowi granuli i o jak najwyŜszym ładunku dodawanych jonów.
Koloidy hydrofilowe, które zbudowane są z olbrzymich cząsteczek (np. białka), swą trwałość
zawdzięczają zaadsorbowanym cząsteczkom wody. Koagulacja koloidów hydrofilowych,
polega głównie na usunięciu otaczającej cząsteczki warstwy hydratacyjnej, zwanej teŜ
otoczką
lub
„płaszczem wodnym”. MoŜemy to uzyskać przez wprowadzenie
do roztworu koloidu hydrofilowego substancji odwadniającej (np. acetonu) lub duŜych ilości
łatwo rozpuszczalnych elektrolitów, i to takich, których jony ulegają silnej hydratacji,
np.: siarczanu (VI) amonu (NH
4
)
2
SO
4
i soli metali lekkich – Na
2
SO
4
, MgSO
4
. Między
cząsteczkami koloidalnymi i jonami elektrolitu dochodzi wtedy do konkurencji o cząsteczki
wody. Dodane jony elektrolitu, same ulegają hydratacji, powodując zmniejszenie ilości
cząsteczek wody tworzących otoczki cząsteczek koloidalnych. W ten sposób obniŜają
trwałość układu koloidalnego i powodują jego koagulację.
Peptyzacja i koagulacja roztworów i zawiesin stosowanych do odlewania wyrobów
ceramicznych są zaleŜne od potencjału elektrycznego powierzchni cząstki i od rozkładu
jonów w cieczy. Dlatego chemiczna i elektronowa struktura ciała stałego, pH cieczy
i obecność elektrolitów wprowadzanych w postaci upłynniaczy lub przypadkowo w postaci
zanieczyszczeń są istotnymi zagadnieniami dla przygotowania gęstwy do odlewania.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
24
4.4.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Co nazywamy roztworem?
2. Jak nazywamy składniki roztworu?
3. Co oznacza, Ŝe roztwór jest niejednolity molekularnie?
4. Co to jest roztwór właściwy?
5. Jak dzielimy roztwory?
6. Jakie znasz kryteria podziału roztworów?
7. Co to są roztwory koloidalne?
8. Jakie fazy wyróŜniamy w roztworze koloidalnym?
9. Jakie cechy koloidów wynikają z wielkości stopnia rozproszenia?
10. Na czym polega zjawisko Tyndalla?
11. Jakie znasz kryteria podziału koloidów?
12. Jakie znasz rodzaje układów koloidalnych w zaleŜności od stanu skupienia fazy
rozproszonej i rozpraszającej?
13. Co to jest koagulacja?
14. Na czym polega proces koagulacji?
15. Jak nazywa się proces odwrotny do koagulacji?
16. Jaka jest róŜnica w budowie koloidów liofilowych i liofobowych?
17. Jak jest zbudowana micela koloidalna?
18. Na czym polega koagulacja koloidów hydrofilowych?
19. W jaki sposób przebiega koagulacja koloidów hydrofobowych?
20. Jakie czynniki mogą przyspieszyć proces koagulacji?
4.4.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Sporządź wodne roztwory następujących substancji:
a) siarczanu(VI) miedzi(II),
b) białka jaja kurzego,
c) gliny,
d) mydła,
e) soli kuchennej.
Obejrzyj otrzymane mieszaniny i odpowiedz na pytania:
1. Czy otrzymałeś jeden rodzaj roztworów?
2. Czy wszystkie otrzymane roztwory są jednorodne?
Następnie zbadaj przechodzenie promieni świetlnych przez otrzymane roztwory.
Na podstawie obserwacji, wyciągnij wnioski i podziel roztwory na trzy grupy: roztwory
właściwe, koloidy i zawiesiny.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować wiadomości na temat roztworów i układów koloidalnych,
2) przygotować stanowisko pracy zgodnie z przepisami bezpieczeństwa i higieny pracy,
3) sporządzić wodne roztwory wymienionych substancji,
4) dokonać obserwacji otrzymanych mieszanin,
5) odpowiedzieć na pytania,
6) przepuścić wiązkę promieni świetlnych przez otrzymane roztwory,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
25
7) dokonać obserwacji, w jaki sposób wiązka światła przechodzi przez poszczególne
roztwory,
8) wyciągnąć wnioski,
9) podzielić roztwory na trzy grupy: roztwory właściwe, koloidy i zawiesiny,
10) zapisać obserwacje i wnioski z doświadczenia w zeszycie,
11) zlikwidować i uporządkować stanowisko pracy,
12) zaprezentować efekty pracy.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
przybory do pisania,
−
substancje: siarczan(VI) miedzi(II), białko jaja kurzego, glina, mydło, sól kuchenna,
woda destylowana,
−
zlewki,
−
bagietki,
−
latarka i soczewka skupiająca,
−
zeszyt,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
Ćwiczenie 2
Otrzymaj koloidalny roztwór siarki, określ jego wygląd i zbadaj, czy koloidalną siarkę
moŜna usunąć z otrzymanego roztworu za pomocą sączenia.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować wiadomości na temat charakterystyki stanu koloidalnego,
2) przygotować stanowisko pracy zgodnie z przepisami bezpieczeństwa i higieny pracy,
3) otrzymać nasycony, alkoholowy roztwór siarki,
4) wlać do kolby stoŜkowej 50 cm
3
alkoholu etylowego i wsypać 5 g drobno sproszkowanej
siarki,
5) zamknąć kolbę korkiem i wstrząsać energicznie przez 5 minut,
6) przenieść zawartość kolby na sączek,
7) uŜyć klarownego roztworu do otrzymania siarki koloidalnej,
8) otrzymać roztwór siarki koloidalnej,
9) wlać do 100 cm
3
wody 5 cm
3
alkoholowego roztworu siarki,
10) określić wygląd otrzymanego roztworu,
11) przenieść zawartość kolby na sączek,
12) prowadzić obserwacje,
13) wyciągnąć wnioski, czy koloidalną siarkę moŜna usunąć z otrzymanego roztworu
za pomocą sączenia,
14) zapisać obserwacje i wnioski z doświadczenia w zeszycie,
15) zlikwidować i uporządkować stanowisko pracy,
16) zaprezentować efekty pracy.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
26
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
przybory do pisania,
−
odczynniki: alkohol etylowy, drobno sproszkowana siarka, woda destylowana,
−
kolba stoŜkowa z korkiem,
−
cylinder miarowy,
−
zestaw do sączenia,
−
zeszyt,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
Ćwiczenie 3
Zbadaj wpływ temperatury, stęŜonego roztworu chlorku ołowiu(II) oraz roztworu
siarczanu(VI) amonu na wodny roztwór białka kurzego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować wiadomości na temat charakterystyki stanu koloidalnego,
2) przygotować stanowisko pracy zgodnie z przepisami bezpieczeństwa i higieny pracy,
3) przygotować roztwór białka kurzego w wodzie i rozlać do trzech probówek,
4) pierwszą probówkę ogrzać, a do kolejnych dodać odpowiednie roztwory,
5) dokonać obserwacji i wyciągnąć wnioski,
6) zapisać obserwacje i wnioski z doświadczenia w zeszycie,
7) zlikwidować i uporządkować stanowisko pracy,
8) zaprezentować efekty pracy.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
przybory do pisania,
−
odczynniki: białko jaja kurzego, stęŜony roztwór chlorku ołowiu(II), 5% roztwór
siarczanu(VI) amonu, woda destylowana,
−
probówki,
−
palnik,
−
zeszyt,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
27
4.4.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) zdefiniować pojęcie roztwór?
2) wymienić składniki roztworu?
3) zdefiniować roztwór właściwy?
4) podzielić roztwory ze względu na stopień dyspersji fazy rozproszonej?
5) określić, co to są koloidy?
6) wyróŜnić fazy, jakie występują w roztworze koloidalnym?
7) wymienić cechy koloidów, które wynikają z wielkości stopnia rozproszenia?
8) wymienić właściwości koloidów, które odróŜniają je od roztworów właściwych
i zawiesin?
9) wyjaśnić, na czym polega zjawisko Tyndalla?
10) podać kryteria podziału koloidów?
11) zdefiniować pojęcie koagulacja?
12) zdefiniować pojęcie peptyzacja?
13) wyjaśnić, na czym polega proces koagulacji?
14) opisać, jak jest zbudowana micela koloidalna?
15) wyjaśnić róŜnice w budowie koloidów liofilowych i liofobowych?
16) wyjaśnić, w jaki sposób przebiega koagulacja koloidów hydrofobowych?
17) wyjaśnić, na czym polega koagulacja koloidów hydrofilowych?
18) podać czynniki, które mogą przyspieszyć proces koagulacji?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
28
4.5. Zastosowanie technologiczne układów koloidalnych
4.5.1. Materiał nauczania
Koagulacja w oczyszczaniu wody i ścieków
Koagulacja jest procesem powszechnie stosowanym w oczyszczaniu ścieków, większości
wód powierzchniowych, rzadziej podziemnych. Jest to metoda oczyszczania wód
zawierających koloidy oraz zawiesiny trudno opadające. Istotą procesu jest zmniejszenie
stopnia dyspersji układu koloidalnego w wyniku łączenia się pojedynczych cząstek fazy
rozproszonej w większe skupiska, które następnie mogą być skutecznie usuwane z wody
w procesach sedymentacji i filtracji.
W wyniku koagulacji usuwane są z wody cząstki trudno opadające oraz koloidalne
decydujące o mętności wody lub intensywności jej barwy. Wśród koloidów powodujących
mętność dominują koloidy hydrofobowe, zaś wśród decydujących o intensywności barwy –
koloidy hydrofilowe. Tak więc z wód usuwane muszą być zarówno koloidy hydrofobowe
(cząstki zawiesin nieorganicznych i bezwodne tlenki metali), jak i hydrofilowe (cząstki
organiczne zawieszone, Ŝywe i martwe mikroorganizmy oraz uwodnione tlenki metali).
Powierzchniowy ładunek elektryczny usuwanych z wody koloidów jest wynikiem sorpcji
na ich powierzchni kationów i anionów obecnych w wodzie.
Do naturalnych składników koloidalnych powodujących mętność wody naleŜą cząstki:
glin (zawierających głównie glinokrzemiany o wzorze xAl
2
O
3
·
ySiO
2
· zH
2
O), krzemionki
koloidalnej, iłów oraz koloidalne formy niektórych związków chemicznych wytrącających się
w środowisku wodnym. Natomiast naturalne koloidalne domieszki barwne, to głównie
związki humusowe, których stopień dysocjacji, a tym samym intensywność barwy, zwiększa
się wraz z wartością pH oczyszczanej wody.
Coraz częściej z wód zanieczyszczonych poza koloidami pochodzenia naturalnego
usuwane muszą być koloidy obce (np. skrobia, białka, celuloza, barwniki organiczne, itp.)
trafiające do wód, np. ze ściekami.
Koagulację zoli moŜna spowodować przez:
–
dodanie koloidu o znaku przeciwnym do znaku koloidów obecnych w oczyszczanej
wodzie,
–
dodanie elektrolitu,
–
działanie promieni
β
i
γ
,
–
ogrzewanie,
–
działanie mechaniczne, np. wytrząsanie,
–
wymraŜanie.
W oczyszczaniu wód praktyczne znaczenie mają dwie pierwsze metody, których
wykorzystanie wymaga dodawania do oczyszczanej wody koloidów lub elektrolitów.
Koagulacja zachodzi w dwóch fazach: w pierwszej, występującej bezpośrednio po dodaniu
koagulanta, a trwającej sekundy, przebiegają reakcje chemiczne i fizyczne prowadzące do
destabilizacji cząstek koloidalnych; podczas drugiej fazy (trwającej znacznie dłuŜej), zwanej
flokulacją, w wyniku transportu i zderzeń cząstek zdestabilizowanych powstają kłaczki, które
mogą być skutecznie usuwane z wody w procesach sedymentacji i filtracji.
Do koagulantów najczęściej stosowanych w oczyszczaniu wody naleŜą sole glinu i Ŝelaza
tworzące w wyniku hydrolizy dodatnio naładowane połączenia skutecznie destabilizujące
zanieczyszczenia koloidalne obecne w oczyszczanej wodzie. Do związków tych naleŜą np.:
–
siarczan(VI) glinu – Al
2
(SO
4
)
3
· 18H
2
O,
–
siarczan(VI) glinu i potasu – Al
2
(SO
4
)
3
· K
2
SO
4
· 24H
2
O,
–
siarczan(VI) Ŝelaza(II) – Fe
2
(SO
4
)
3
· 9H
2
O,
–
siarczan(VI) Ŝelaza(III) – FeSO
4
· 7H
2
O,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
29
–
spolimeryzowany chlorek glinu,
–
glinian sodu – Na
2
Al
2
O
4
,
–
chlorek Ŝelaza (III) – FeCl
3
·
6H
2
O.
W procesach oczyszczania wody metodą koagulacji stosuje się środki wspomagające
koagulację. Celem stosowania tych środków jest przyspieszenie powstawania kłaczków i ich
sedymentacji, zmniejszenie ujemnego ładunku, wpływu niskich temperatur wody,
rozszerzenie optymalnego dla koagulacji zakresu pH i zmniejszenie dawki koagulanta.
Substancjami wspomagającymi koagulację mogą być substancje nieorganiczne
lub organiczne. Część ze stosowanych substancji działa jako obciąŜniki kłaczków, a inne
wspomagają flokulację i nazywane są flokulantami.
Parametry reologicze mas i gęstw
Reologia jest nauką o płynięciu i deformacji wszystkich form materii pod wpływem
napręŜeń. Wyjaśnia szczegóły procesów wytwarzania mas, formowania oraz suszenia
półfabrykatów ceramicznych. UmoŜliwia sterowanie tymi procesami w celu uzyskania
moŜliwie optymalnych parametrów technicznych lub ekonomicznych.
W szczególności, reologia zajmuje się takimi zagadnieniami jak:
–
zmienną lepkością,
–
relacjami między napręŜeniem i odkształceniem,
–
odrywaniem i mieszaniem się cząstek substancji poddawanych napręŜeniom,
–
układaniu się substancji względem podłoŜa lub naczynia,
–
prędkością tłoczenia substancji,
–
formowaniem jej powierzchni.
Do odlewania wyrobów ceramicznych stosuje się roztwory koloidalne i zawiesiny, które
są układami dyspersyjnymi, składającymi się z dwu lub więcej faz ciała stałego i cieczy,
z występowaniem fazy gazowej. Większość z nich stanowią zawiesiny i emulsje.
W zaleŜności od udziału fazy ciekłej (rozpuszczalnika) zawiesiny będą zachowywać się
podobnie jak ciała stałe lub podobnie jak ciecze. W zakresie pośrednim zmiana własności
będzie zaleŜeć od wielu czynników dodatkowych.
Formowanie wyrobów ceramicznych za pomocą odlewania gęstw lejnych jest szeroko
wykorzystywane ze względu na moŜliwość uzyskania skomplikowanych kształtów.
W przypadku gęstwy niezwykle pomocnym jest znajomość jej właściwości reologicznych
tj. charakterystyki płynięcia gęstwy lejnej opisanej ilościowo w kategorii lepkości.
Zmniejszanie wielkości cząstek przy nie zmienionym ich składzie objętościowym
w gęstwie, powoduje wzrost lepkości z powodu intensywnego oddziaływania cząska-cząstka.
Istotny wpływ na lepkość zawiesiny ma równieŜ kształt cząstek. Niekuliste cząstki,
szczególnie pręty lub płytki, zbliŜają się do siebie w zawiesinie bardziej niŜ czynią to kuliste
cząstki o równowaŜnej objętości. Uwaga ta dotyczy szczególnie zawiesin cząstek minerałów
ilastych, z których składają się gliny.
Masy ceramiczne tworzą mieszaniny wodne (lub układy niewodne) minerałów ilastych,
surowców nieplastycznych i róŜnych dodatków modyfikujących. Konsystencja tych mas
określa sposób formowania z nich wyrobów, który w duŜym stopniu określa strukturę
i teksturę półfabrykatu ceramicznego. Ze względu na konsystencję masy ceramiczne moŜna
podzielić na: lejne, plastyczne, sypkie.
Charakterystyka reologiczna poszczególnych mas jest róŜna i zaleŜy nie tylko od udziału
fazy ciekłej, ale i od wielu czynników związanych ze specyfiką formowania. Odpowiednio
do konsystencji mas, formowanie półfabrykatów moŜna wykonać z mas lejnych, plastycznych
lub sypkich.
Masy lejne sporządza się korzystając z wykazywanej przez zawiesiny minerałów ilastych
i innych surowców ceramicznych właściwości upłynniania się.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
30
Przez dodatek pewnych elektrolitów moŜna wpływać na procesy zachodzące w układzie
koloidalnym. Na tym właśnie opiera się teoria upłynniania ceramicznych mas lejnych.
Gliny zmieszane z odpowiednią ilością wody ulegają rozluźnieniu, aŜ do powstawania
zawiesiny z oddzielnych cząsteczek gliniastych. Proces rozdzielania gliny w wodzie
na poszczególne cząstki nazywa się peptyzacją lub deflokulacją. JeŜeli do wody doda się
związków: LiOH, Na
2
CO
3
, NaOH, K
2
CO
3
, KOH, RbOH lub szkła wodnego, to proces
peptyzacji następuje szybciej i z mniejszą ilością wody. To działanie wymienionych
substancji nazywamy upłynnieniem, a substancje – upłynniaczami lub deflokulatorami.
Wymienione upłynniacze mają róŜną skuteczność upłynniania. Najsilniej działają
wodorotlenki sodu i litu. Działanie węglanów jest około pięciokrotnie słabsze
niŜ wodorotlenków przy równowaŜnych ich dodatkach molowych. Oznacza to, Ŝe naleŜy
ich dodać pięć razy więcej, aby przy tej samej ilości wody uzyskać masę (gęstwę) o tej samej
lepkości. Upłynniaczami mogą być takŜe pewne substancje organiczne.
Tabela 4. Zestawienie róŜnych substancji upłynniających [6, s. 84]
Nieorganiczne
Nazwa
Wzór
Organiczne
Węglan sodu (soda bezwodna)
Na
2
CO
3
Węglan sodu krystaliczny (soda krystaliczna)
Na
2
CO
3
·
10H
2
O
Wodorotlenek sodu (soda kaustyczna)
NaOH
Krzemian sodu (szkło wodne)
najlepsze wyniki
Na
2
O·nSiO
2
gdzie n = 1–6,
przy n = 3,3
Pirofosforan czterosodowy
Na
4
P
2
O
4
Heksametafosforan sodu (tetrafosforan sodu)
Na
4
P
4
O
12
Metaglinian sodu
Na
2
OAl
2
O
3
(NaAlO
2
)
Szczawian sodu
Na
2
C
2
O
4
Szczawian amonu
(NH
4
)
2
C
2
O
4
·
H
2
O
Wodorotlenek litu
LiOH
Węglan litu
Li
2
CO
3
Glinian litu
LiAlO
2
Cytrynian litu
LiCH
5
O
7
·
4H
2
O
dietyloamina
propyloamina
amyloamina
izo-butyloamina
trietyloamina
pirydyna
piperydyna
etyloamina
poliwinyloamina
pantarin
poliakrylan sodu
poliaktylan amonu
Optymalną ilość upłynniacza dla kaŜdego rodzaju surowca i kaŜdego rodzaju upłynniacza
wyznacza się doświadczalnie. Dodanie mniejszej lub większej jego ilości nie daje
oczekiwanych wyników.
Działanie odwrotne do upłynniania wykazują dodatki kwasów (wprowadzają jony H
+
),
powodujące skupienie cząsteczek gliny w większe zespoły, szybkie ich opadanie
w zawiesinie.
Istotę zjawiska upłynniania i koagulacji moŜna tłumaczyć na podstawie teorii wymiany
jonowej, która wynika z luźnego wiązania jonów (głównie kationów), niezbędnych
do zobojętniania ładunku elektrycznego ziaren.
Rys. 6. Schemat koagulacji: a) „chmura jonowa”, b) koagulacja „krawędź-ściana”, c) „ściana do ściany” [6, s. 85]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
31
Adsorbowanie jonów przez cząstki minerałów ilastych zachodzi pod wpływem
nienasycenia ich powierzchni ładunkami lub w wyniku nierównowaŜenia ładunków w sieci
minerału na skutek podstawień izomorficznych kationów o innej wartościowości,
np. w miejscu jonów Si
4+
- jonów Al
3+
.
W układzie glina – woda cząstki gliny mają ładunek ujemny. JeŜeli koncentracja jonów
w wodzie jest dostateczna, to w pobliŜu i na powierzchni cząstek gromadzą się jony dodatnie,
które tworzą wokół cząstki „chmurę”, przez co częściowo neutralizują jej ładunek ujemny.
Cząstki gliny mają miejsca naładowane dodatnio i ujemnie. Przy małej wartości pH
(poniŜej 6) krawędzie płytki kaolinu mają ładunki dodatnie, podczas gdy ich płaszczyzny
głównie ujemne. W wyniku takiego rozkładu ładunków zachodzi między ziarnami koagulacja
typu krawędź – ściana. Ten rodzaj koagulacji daje osad pulchny o duŜej objętości.
Przy wartości pH około 7 zanika ładunek przy krawędziach, podczas gdy na ścianach
pozostaje ładunek ujemny. Te ujemne cząstki gliny w roztworze zdysocjowanym przyciągają
jony dodatnie, otaczając się ich chmurą. Wzajemnie odpychające oddziaływanie tych chmur
daje w wyniku upłynnienie (deflokulację). Dalsze zwiększenie stęŜenia upłynniacza (pH
powyŜej 8) lub wprowadzenie jonów o wyŜszej wartościowości (Ca
2+
, Mg
2+
) powoduje
zmniejszenie grubości chmury. W tych warunkach słabe siły van der Waalsa wystarczają
do wzajemnego przyciągania cząsteczek, co objawia się koagulacją (flokulacją) typu ściana
do ściany. Blaszki kaolinu przylegają do siebie duŜymi ścianami. Daje to osad zwarty i gęsty.
Ilość dodawanego upłynniacza zawarta jest w granicach 0,1 do 0,3% ilości suchej gliny.
JeŜeli stosuje się szkło wodne, to po dodaniu go do zawiesiny rozpada się ono wskutek
hydrolizy na wolne alkalia i kwas krzemowy, który jest koloidem ochronnym, stabilizującym
cząstki koloidalne gliny. Niektóre gliny plastyczne zawierają substancje organiczne
(np. ligniniany), będące koloidami ochronnymi. Stąd wynika zasada, aby do glin mało
plastycznych, zawierających małe ilości koloidów ochronnych, stosować jako upłynniacza
substancje dające w wyniku hydrolizy koloidy ochronne. I odwrotnie: do glin zawierających
koloidy ochronne – stosować substancje nie dające koloidu ochronnego.
W praktyce najczęściej stosuje się upłynniacze mieszane. W tym wypadku kolejność
dodawania poszczególnych upłynniaczy nie jest obojętna. Rozpatrzmy to na przykładzie
upłynniacza złoŜonego z 3 części Na
2
CO
3
i 4 części szkła wodnego. Najbardziej płynną masę
uzyska się wprowadzając jako pierwszy upłynniacz – węglan. Największa lepkość masy
występuje, jeŜeli oba upłynniacze zostaną wprowadzone równocześnie. Pośrednia wartość
lepkości masy wystąpi, gdy pierwsze doda się szkło wodne.
Nie zawsze moŜna uzyskać odpowiednio płynną masę przez działanie tylko upłynniacza
i koloidów ochronnych. Na przeszkodzie upłynniania stoją koagulatory w postaci jonów
SO
4
2-
, Mg
2+
, Ca
2+
oraz Ŝelazo i aluminium, często występujące w glinach naturalnych i prawie
wszystkich wodach. Deflokulacji najbardziej przeciwdziałają siarczany. Zawartość ich bywa
róŜnaw glinach, zwykle w glinach plastycznych 0,01–0,28%, w kaolinach 0,002–0,015%,
a w bentonitach do 0,194%. Koagulacyjnemu działaniu siarczanów moŜna zapobiec
wprowadzając do masy jony baru. Zazwyczaj dodatek 0,02–0,1% węglanu baru (BaCO
3
) jest
wystarczający.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
32
4.5.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie jest zastosowanie technologiczne układów koloidalnych?
2. Jakie zanieczyszczenia wód usuwane są w czasie koagulacji?
3. Na czym polega istota procesu koagulacji w oczyszczaniu wód?
4. Jakie znasz naturalne składniki wód powodujące mętność?
5. Jakie znasz metody koagulacji?
6. Jakie metody koagulacji mają największe znaczenie praktyczne w oczyszczaniu wód?
7. Jakie koagulanty są najczęściej stosowane w oczyszczaniu wody?
8. Co to są flokulanty?
9. Na czym polega działanie substancji wspomagających koagulację?
10. Jakie jest zastosowanie układów koloidalnych w przemyśle ceramicznym?
11. Jakie właściwości mas i gęstw obejmują pomiary reologiczne?
12. Jakie czynniki wpływają na zachowanie reologiczne zawiesin?
13. Co to są upłynniacze i w jaki sposób działają?
14. Jak wyznacza się optymalną dawkę upłynniacza?
15. Które z upłynniaczy są najbardziej skuteczne?
16. Jakie upłynniacze stosuje się najczęściej?
4.5.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Zbadaj skuteczność koagulacji pod kątem usuwania z wody zanieczyszczeń
powodujących barwę i mętność. Jako koagulant zastosuj sól glinu, np. Al
2
(SO
4
)
3
.
18 H
2
O
w postaci 1% roztworu.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować wiadomości na temat zastosowania koagulacji w procesach uzdatniania
wody,
2) przygotować stanowisko pracy zgodnie z przepisami bezpieczeństwa i higieny pracy,
3) wlać do 4 zlewek po 200 cm
3
badanej wody,
4) umieścić zlewki na mieszadle magnetycznym,
5) mieszać próbki z prędkością 300 obrotów na minutę,
6) wprowadzić do zlewek następujące dawki koagulanta: do pierwszej 1 cm
3
, do drugiej
2 cm
3
, trzeciej – 3 cm
3
, czwartej – 4 cm
3
,
7) mieszać próbki przez około 1 minutę, a następnie zmniejszyć prędkość mieszania
do około 100 obrotów na minutę,
8) mieszać, z taką prędkością, przez około 15 minut,
9) odstawić próbki do opadnięcia na około 30 minut,
10) zdekantować ciecz znad osadu (w razie potrzeby przesącz przez sączek bibułowy),
11) przenieść klarowne roztwory do cylindrów Nesslera o pojemności 100 cm
3
,
12) porównać wizualnie barwę i mętność próbek wód po koagulacji z wodą surową,
umieszczoną w takim samym cylindrze,
13) wyciągnąć wnioski,
14) zapisać obserwacje i wnioski w zeszycie,
15) zlikwidować i uporządkować stanowisko pracy,
16) zaprezentować efekty pracy.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
33
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
przybory do pisania,
−
mieszadło magnetyczne,
−
zlewki,
−
cylindry Nesslera,
−
1% roztwór Al
2
(SO
4
)
3
.
18 H
2
O,
−
woda do badania
−
zestaw do sączenia,
−
zeszyt,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
Ćwiczenie 2
Otrzymaj gęstwę ceramiczną i zbadaj jej właściwości reologiczne.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować wiadomości na temat zastosowania technologicznego układów koloidalnych,
2) przygotować stanowisko pracy zgodnie z przepisami bezpieczeństwa i higieny pracy,
3) rozdrobnić porcję proszku w moździerzu i przesiać przez sito,
4) przygotować gęstwę lejną z 200 g proszku porcelany elektrotechnicznej (ilość wody
i upłynniacza określa prowadzący),
5) oznaczyć wskaźnik lepkości za pomocą wiskozymetru wypływowego,
6) wlać gęstwę do zatkanego zatyczką lepkościomierza umieszczonego w statywie,
7) ustawić cylinder pomiarowy pod otworem wypływu,
8) wyjąć zatyczkę i jednocześnie uruchomić stoper,
9) zmierzyć czas wypływu 100 ml gęstwy,
10) wykonać dwa kolejne pomiary, mieszając gęstwę przed kaŜdym pomiarem,
11) wyznaczyć wskaźnik tiksotropii – ocenę stopnia zgęstnienia,
12) umieścić gęstwę w cylindrze pomiarowym na 5 minut, a następnie zmierzyć czas
wypływu 100 ml gęstwy,
13) wykonać pomiary czasu wypływu 100 ml wody,
14) wyznaczyć wskaźnik lepkości ze wzoru:
W
η =
t
1
/t
2
gdzie: t
1
– oznacza czas wypływu 100 ml gęstwy [s],
t
2
– oznacza średni czas wypływu 100 ml wody [s],
15) wyciągnąć wnioski,
16) zapisać obliczenia i wnioski w zeszycie,
17) zlikwidować i uporządkować stanowisko pracy,
18) zaprezentować efekty pracy.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
–
przybory do pisania,
–
200 g proszku porcelany elektrotechnicznej, woda, upłynniacz,
–
moździerz,
–
sito,
–
wiskozymetr wypływowy (kubek Forda),
–
stoper,
–
cylinder pomiarowy,
–
zeszyt,
–
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
34
4.5.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) określić zastosowanie technologiczne układów koloidalnych?
2) scharakteryzować zastosowanie układów koloidalnych w przemyśle
ceramicznym?
3) scharakteryzować zanieczyszczenia wód, które usuwane są w czasie
koagulacji?
4) wyjaśnić, na czym polega istota procesu koagulacji w oczyszczaniu wód?
5) wymienić metody koagulacji?
6) scharakteryzować metody koagulacji, które mają największe znaczenie
praktyczne w oczyszczaniu wód?
7) podać przykłady koagulantów najczęściej stosowanych w oczyszczaniu
wody?
8) wyjaśnić działanie substancji wspomagających koagulację?
9) określić właściwości mas i gęstw, które wchodzą w zakres pomiarów
reologicznych?
10) wymienić czynniki, które wpływają na zachowanie reologiczne zawiesin?
11) wyjaśnić, co to są upłynniacze i jak działają?
12) wyjaśnić, jak wyznacza się optymalną dawkę upłynniacza?
13) wymienić najbardziej skuteczne upłynniacze?
14) wymienić najczęściej stosowane upłynniacze?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
35
5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ
INSTRUKCJA DLA UCZNIA
1. Przeczytaj uwaŜnie instrukcję.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi.
5. Test zawiera 20 zadań wielokrotnego wyboru, z których:
−
zadania od 1 do 14 są z poziomu podstawowego,
−
zadania od 15 do 20 są z poziomu ponadpodstawowego.
6. Za kaŜdą poprawną odpowiedź moŜesz uzyskać 1 punkt.
7. Dla kaŜdego zadania podane są cztery moŜliwe odpowiedzi: a, b, c, d. Tylko jedna
odpowiedź jest poprawna; wybierz ją i zaznacz kratkę z odpowiadającą jej literą, znakiem
X.
8. JeŜeli się pomylisz i błędnie zaznaczysz odpowiedź, otocz ją kółkiem i zaznacz ponownie
odpowiedź, którą uwaŜasz za poprawną.
9. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
10. Kiedy udzielenie odpowiedzi będzie sprawiało Ci trudność, wtedy odłóŜ rozwiązanie
zadania na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci czas wolny.
11. Po rozwiązaniu testu sprawdź, czy zaznaczyłeś wszystkie odpowiedzi na KARCIE
ODPOWIEDZI.
12. Na rozwiązanie testu masz 45 minut.
Powodzenia!
ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH
1. Elementem budowy wszystkich krzemianów jest
a) tetraedr SiO
4
.
b) sześcian SiO
4
.
c) sześcian SiO
2
.
d) tetraedr SiO
2
.
2. Zeolity otrzymywane sztucznie nazywa się
a) kaolinem.
b) cementem.
c) katalizatorami.
d) sitami molekularnymi.
3. Szkła krzemianowe wytwarza się stapiając piasek z
a) Na
2
CO
3
i Ca.
b) NaCl i CaCO
3
.
c) Na
2
CO
3
i CaCO
3
.
d) Na
2
CO
3
i CaCO
3
.
4. Rysunek przedstawia schemat ułoŜenia atomów
a) a – w stanie ciekłym, b – w stanie stałym.
b) a – w stanie gazowym, b – w stanie ciekłym.
c) a – w stanie gazowym, b – w stanie szklistym.
d) a – w stanie krystalicznym, b – w stanie szklistym.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
36
5. Przejście zolu w Ŝel nosi nazwę
a) koagulacji.
b) peptyzacji.
c) upłynniania.
d) deflokulacji.
6. Porowate związki chemiczne mające własność zatrzymywania w wewnętrznych
obszarach sieci krystalicznej cząsteczek adsorbatów o odpowiednich rozmiarach moŜemy
określić mianem
a) cementów.
b) adsorbentów.
c) katalizatorów.
d) kaolinów.
7. Przykładami adsorbentów są
a) węgiel drzewny, aktywny tlenek glinu, silikaŜel.
b) krzemionka, aktywny tlenek glinu, silikaŜel.
c) węgiel kamienny, aktywny tlenek glinu, silikaŜel.
d) węgiel drzewny, tlenek sodu, silikaŜel.
8. Proces rozdzielania gliny w wodzie na poszczególne cząstki nazywa się
a) koagulacją lub flokulacją.
b) peptyzacją lub deflokulacją.
c) peptyzacją lub flokulacją.
d) koagulacją lub deflokulacją.
9. Rysunek przedstawia schemat cząsteczek
a) a – w roztworze nienasyconym, b – w roztworze nasyconym.
b) a – w roztworze właściwym, b – w mieszaninie.
c) a – koloidu hydrofobowego, b – koloidu hydrofilowego.
d) a – koloidu hydrofilowego, b – koloidu hydrofobowego.
10. Mieszanina fizycznie jednorodna to
a)
koloid.
b)
zawiesina.
c)
mieszanina homogeniczna.
d)
mieszanina heterogeniczna.
11. Faza rozproszona to
a) roztwór.
b) mieszanina niejednorodna.
c) zbiór cząsteczek substancji rozpuszczonej.
d) przestrzeń, w której nastąpiło rozproszenie.
12. Roztwór będący w równowadze dynamicznej z osadem nazywamy
a) stanem koloidalnym.
b) roztworem właściwym.
c) roztworem nasyconym.
d) roztworem nienasyconym.
a)
b)
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
37
13. Efektem rozpuszczania nierozpuszczalnej cieczy w cieczy jest powstawanie
a) piany.
b) emulsji.
c) koloidu.
d) zawiesiny.
14. Rozmiar cząstek w układzie koloidalnym wynosi
a) poniŜej 1 nm.
b) 1–300 nm.
c) 1–3000 nm.
d) powyŜej 3000 nm.
15. Adsorpcja
a) w odróŜnieniu od absorpcji jest przewaŜnie zjawiskiem nieodwracalnym.
b) w odróŜnieniu od absorpcji jest przewaŜnie zjawiskiem odwracalnym.
c) dotyczy pochłaniania przez powierzchnię, a absorpcja przez całą masę substancji.
d) dotyczy pochłaniania przez powierzchnię, a absorpcja przez całą masę substancji.
16. Skład normalnego szkła okiennego w przybliŜeniu odpowiada wzorowi Na
2
O·CaO·6SiO
2
i odpowiada w przybliŜeniu następującemu składowi procentowemu
a) 11,6% Na
2
O, 12,9% CaO i 75,5% SiO
2
.
b) 12,9% Na
2
O, 11,6% CaO i 75,5% SiO
2
.
c) 75,5% Na
2
O, 11,6% CaO i 12,9% SiO
2
.
d) 8,5% CaO, 74,5% SiO
2
oraz inne tlenki.
17. Koagulacja koloidów hydrofilowych polega głównie na
a) zobojętnianiu
ładunku
elektrycznego
nagromadzonego
na
powierzchni
ich cząsteczek.
b) usunięciu otaczającej cząsteczki warstwy hydratacyjnej.
c) powstawaniu kłaczków i ich sedymentacji.
d) adsorpcji z roztworu elektrolitu jonów jednakowego znaku.
18. Na proces koagulacji najbardziej niekorzystnie wpływają siarczany, działaniu których
moŜna zapobiec wprowadzając do masy jony
a) litu.
b) sodu.
c) boru.
d) baru.
19. Koagulację zoli moŜna spowodować przez
a) tylko działanie promieni
β
.
b) dodanie koloidu o znaku przeciwnym do znaku koloidów obecnych w roztworze.
c) mieszanie.
d) działanie wyłącznie promieni
γ
.
20. Najsilniej działającym upłynniaczem jest
a) węglan sodu.
b) szkło wodne.
c) wodorotlenek sodu.
d) wodorotlenek rubidu.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
38
KARTA ODPOWIEDZI
Imię i nazwisko ................................................................................................
Określanie właściwości krzemianów i układów koloidalnych
Zakreśl poprawną odpowiedź.
Nr
zadania
Odpowiedź
Punkty
1
a
b
c
d
2
a
b
c
d
3
a
b
c
d
4
a
b
c
d
5
a
b
c
d
6
a
b
c
d
7
a
b
c
d
8
a
b
c
d
9
a
b
c
d
10
a
b
c
d
11
a
b
c
d
12
a
b
c
d
13
a
b
c
d
14
a
b
c
d
15
a
b
c
d
16
a
b
c
d
17
a
b
c
d
18
a
b
c
d
19
a
b
c
d
20
a
b
c
d
Razem:
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
39
6. LITERATURA
1. Bielański A.: Podstawy chemii nieorganicznej. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
1998
2. Błaszczak K., Handke M., Stuss W.: Ćwiczenia z chemii krzemianów. Skrypty uczelniane
Nr 620 AGH w Krakowie, Kraków 1977
3. Drapała T.: Podstawy chemii. WSiP, Warszawa 1991
4. Hejwowska S., Marcinkowski R., Staluszka J.: Chemia 1. Podręcznik. Zakres rozszerzony.
OPERON, Gdynia 2005
5. Kędryna T.: Chemia ogólna z elementami biochemii. ZamKor, Kraków 2006
6. Kordek M.: Technologia ceramiki. Cz. 1. WSiP, Warszawa 1974
7. Pajdowski L.: Chemia ogólna. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1993
8. Pazdro K. M.: Chemia dla kandydatów na wyŜsze uczelnie. PWN, Warszawa 1989