„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 inż. Halina Bielecka
mgr inż. Małgorzata Kapusta


Opracowanie redakcyjne:
mgr Agnieszka Taborek



Konsultacja:
mgr inż. 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 umożliwia samodzielne przygotowanie
się do wykonania ćwiczeń i zaliczenia sprawdzianów. Obejmuje on również 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,
ż

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 także karta odpowiedzi,

–

wykaz literatury obejmujący zakres wiadomości dotyczących tej jednostki modułowej,
która umożliwi Ci pogłębienie nabytych umiejętności.

Jeżeli 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 przeciwpożarowych, 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

przeciwpożarowej i ochrony środowiska,

−

współpracować w grupie z uwzględnieniem podziału zadań,

−

korzystać z różnych 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 przeciwpożarowej 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, chociaż 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 również 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 też pewne ilości ortokrzemianu. Z wodnych

roztworów metakrzemianów (Na

2

SiO

3

) i ortokrzemianów sodu (Na

4

SiO

4

) pod wpływem

kwasów wytrąca się żel krzemionkowy (SiO

2

·

nH

2

O) złożony głównie z soli kwasu

metakrzemowego (Na

2

SiO

3

) i soli kwasu ortokrzemowego (Na

4

SiO

4

), a prawdopodobnie

również i z bardziej złożonych kwasów wielokrzemowych. śel krzemionkowy wiąże
w swych kanalikach zmienne ilości wody, dochodzące do 300 cząsteczek wody na jedną
cząsteczkę SiO

2

. Odwodniony żel ma zdolność adsorbowania lotnych związków chemicznych

i jest używany jako środek suszący.

Spośród ogromnej liczby krzemianów tylko sole litowców są rozpuszczalne w wodzie.
Według najczęściej obecnie stosowanej klasyfikacji rozróżnia 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-

. Ponieważ tetraedry

łączą się z sobą mostkami tlenowymi, łańcuch zbudowany z tetraedrów SiO

4

4-

można

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 ułożenie podstaw

tetraedrów.

Wyjątkiem jest kaolinit, w którym tetraedry są ułożone 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]

Każda warstwa jonów Al

3+

wiąże elektrostatycznie dwie anionowe warstwy tetraedrów

SiO

4

. Doskonała łupliwość miki wzdłuż 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 przybliżeniu składowi
krzemianów. Jeżeli weźmiemy pod uwagę również glin, okazuje się, że 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 zależności od jakości i ilości minerałów rozróżnia się trzy rodzaje skał:

−

magmowe – skrzepnięta magma (złożona z tlenków metali) pochodząca z głębi Ziemi,

−

osadowe, złożone głównie z węglanów berylowców (wapienie, dolomity) oraz z piasków
i piaskowców, których głównym składnikiem jest SiO

2

w postaci kwarcu,

−

metamorficzne – przeważnie 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 żelaza znany jest jako pospolita

glina i jest podstawowym surowcem przemysłu ceramicznego. Gliny ze znaczną domieszką
wapieni CaCO

3

, zwane gliną marglową, są używane 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 ułożenie podstaw tetraedrów?
6. W jakim minerale tetraedry są ułożone 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.

Wyposażenie 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 poniższego 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.

Wyposażenie 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) rozróżnić 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 dużą rolę odgrywają szkła krzemianowe.

W odróżnieniu od ciał krystalicznych, anizotropowych, szkła są ciałami o własnościach

izotropowych. Obydwa rodzaje ciał różnią się także tym, że 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 zbliżone są do własności ciała stałego, do
stanu, w którym można je uważać za przechłodzoną ciecz o znacznej lepkości. Przejście
jednego stanu do drugiego odbywa się w stosunkowo wąskim zakresie temperatur zwanym
zakresem przeobrażenia szkła. Zakres przeobrażenia szkła kwarcowego zachodzi
w temperaturze około 1500

K, w przypadku szkieł krzemianowych przypada on zwykle na

znacznie niższe temperatury, około 800–1000 K, zależnie od składu szkła. W temperaturze
odpowiadającej zakresowi przeobrażenia stwierdza się szybką zmianę ciepła właściwego,
współczynnika załamania światła i współczynnika rozszerzalności cieplnej, przenikalności
elektrycznej.

W temperaturze niższej od zakresu przeobrażenia szkło jest twarde i kruche, w wyższej

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 złożoną z tetraedrycznych grup [SiO

4

], które łącząc się z sobą tworzą sztywny

szkielet trójwymiarowy. Istotna różnica pomiędzy szkłem, a ciałem krystalicznym polega
na tym, że w przypadku substancji krystalicznej grupy krzemotlenowe tworzą uporządkowaną
sieć przestrzenną, w szkle natomiast wiążą się ze sobą w sposób nieuporządkowany.

Rys. 3. Schemat ułożenia atomów: a) w stanie krystalicznym, b) w stanie szklistym [1, s. 743]

Szkła krzemianowe, znajdujące szerokie zastosowanie w życiu codziennym i różnych

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.

Zależnie od potrzeb stosuje się dodatki potażu – 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 żelaza, w zależności 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 żółty koloidalne srebro.

Skład normalnego szkła okiennego w przybliżeniu 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 wyższą 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

niż do szkła normalnego. Szkła potasowo-wapniowe znajdują

zastosowanie do wyrobu naczyń laboratoryjnych. Szkło optyczne crown jest również szkłem
potasowo-wapniowym.

Szkła sodowo-potasowo-wapniowe zawierają zarówno tlenek sodu, jak i potasu. Używa

się je także do wyrobu naczyń laboratoryjnych, chociaż wykazują mniejszą odporność
chemiczną niż szkło potasowe.

Odporność chemiczna i termiczna szkła wzrasta bardzo znacznie, jeżeli 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 również do wyrobu przedmiotów
codziennego użytku. 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 dużą gęstością i dużym współczynnikiem załamania światła.
Jest to tzw. szkło kryształowe. Optyczne szkło flint jest również szkłem potasowo-
ołowiowym. Szkło strass, bogate w PbO i B

2

O

3

, ma szczególnie duży współczynnik

załamania światła i znajduje zastosowanie do wyrobu sztucznej biżuterii.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie substancje wykazują zdolność tworzenia szkieł?
2. Czym różnią się ciała krystaliczne, anizotropowe, od szkieł czyli ciał o własnościach

izotropowych?

3. Czym różnią się ciała stałe krystaliczne od szkieł?
4. Jakie właściwości szkieł zmieniają się w zakresie przeobrażenia?
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 można 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.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

przybory do pisania,

−

zeszyt,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Uzupełnij poniższą tabelę, wpisując przybliżony skład chemiczny różnych typów szkieł

oraz ich zastosowanie.

Przybliżony 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 przybliżony skład chemiczny różnych typów szkieł

oraz ich zastosowanie,

3) zaprezentować efekty pracy.

Wyposażenie 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 różnią się ciała krystaliczne, anizotropowe, od szkieł, czyli

ciał o własnościach izotropowych?

3) wyjaśnić, czym różnią się ciała stałe krystaliczne od szkieł?

4) określić, jakie właściwości szkieł zmieniają się w zakresie przeobrażenia?

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 można 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 może 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 różnych porów i kanalików. Właściwości adsorpcyjne adsorbenta charakteryzuje się za
pomocą tzw. powierzchni właściwej, która wyraża jego powierzchnię w cm

2

lub w m

2

,

odpowiadającą masie 1 grama adsorbenta.

Badania wykazały, że wiele adsorbentów, jak: węgiel drzewny, aktywny tlenek glinu,

silikażel 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 odróżnieniu od chemisorpcji jest przeważnie
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 zależności 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 różnej wielkości luki i kanały. Do najważniejszych sit
molekularnych należą: glinokrzemiany (zeolity, np. stylbit, natrolit), porowate polimery,
szkła, węgiel aktywny. Sita molekularne używane 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 silikażel, 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 złożu
zeolitu mogą być adsorbowane cząstki o wymiarach i kształtach dopasowanych do rozmiarów
kanałów. Umożliwia to selektywną sorpcję. Górna granica ich trwałości odpowiada zakresowi
880–1100 K, nie powyżej.

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 silikażel, 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.
Silikażel jest bezpostaciową uwodnioną krzemionką (SiO

2

n H

2

O) otrzymywaną przez

działanie kwasu siarkowego na krzemian sodu (szkło wodne). Rozmiar granul silikażelu waha
się, od ułamka do kilku milimetrów. W zależności od struktury wewnętrznej silikażel dzieli
się na szeroko i wąskoporowaty. Te ostatnie są bardziej wytrzymałe mechanicznie. Silikażel
jest stosowany przede wszystkim jako środek pochłaniający parę wodną. Przy dużej
zawartości pary wodnej w gazie jest stosowany silikażel szeroko porowaty; często stosowany
prócz tego w preparatyce katalizatorów jako nośnik. Silikażel nie jest odpowiedni do pracy
w wysokich temperaturach. Jego struktura powyżej temp. 530 K ulega degradacji. Silikażel
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 różni 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 różnych dziedzinach życia.

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 różnych dziedzinach życia,
3) napisać notatkę na podstawie wyszukanych informacji,
4) zaprezentować efekty pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

18

Wyposażenie 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. Należą 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, żółtawa lub zielonkawa, spotyka się także 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 może być jednak z powrotem wchłonięta
bądź zastąpiona przez inne ciecze lub gazy. Zeolity cechuje również duża zdolność wymiany
kationów. Powstają w utworach hydrotermalnych, wypełniając szczeliny i pustki skał
wylewnych (np. bazaltów, melafirów), stanowią też produkt przeobrażenia skaleni
i skalenoidów. Szeroko rozpowszechnione. W Polsce spotykane w okolicach Krakowa,
w Pieninach i na Dolnym Śląsku. Obecnie zeolity otrzymuje się także 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 także 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

Wyposażenie 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 różnice 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 życiu 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

różnica 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 niezależnie,
nie tworzą trwałych wiązań chemicznych, najwyżej występują między nimi słabe
oddziaływania Van der Waalsa.

Jeżeli 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 różnią się stopniem dyspersji (stopniem rozdrobnienia), czyli rozmiarami cząstek.
Im mniejsze są cząstki, tym większy jest stopień dyspersji i odwrotnie. Jeżeli faza
rozproszona jest rozdrobniona, aż 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,

poniżej 1 nm

cząstki średniej wielkości,

1–300 nm

cząstki bardzo duże,

powyżej 300 nm

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

21

Specyficzne właściwości wykazują koloidy. Jedną z charakterystycznych cech różniącą

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, że 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 możemy klasyfikować w zależności od:

1. Wymiarów cząstek koloidalnych:

–

monodyspersyjne – wszystkie trzy wymiary cząsteczek są jednakowe,

–

polidyspersyjne – cząsteczki mają różne 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 zależności od temperatury i stężenia mogą występować w formie

ciekłej jako zole lub w formie elastycznego ciała stałego, jako żele. 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 zbliżonym do ciała stałego, często miękki i elastyczny. Ten stan układu
koloidalnego nosi nazwę żelu (od typowego przykładu żelatyny).

Koagulacja jest to proces przejścia koloidu (zolu) w żel, 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 żele wykazują dużą elastyczność.
Wprowadzając żel do czystego rozpuszczalnika można, choć nie zawsze, doprowadzić
go do ponownego przejścia w zol.

Peptyzacja jest procesem odwrotnym do koagulacji, czyli:

koagulacja

koloid (zol)

koagulant (żel)

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 może przyjąć każda 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 dużych rozmiarów nie ulegają skupieniu. Koloidy

liofobowe dzięki temu, że na skutek zaadsorbowania dużej 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 uniemożliwiającą 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, że cząsteczki koloidalne po osiągnięciu odpowiedniej wielkości tracą
zdolność do utrzymywania się w roztworze i opadają na dno naczynia.

Różnice w budowie cząsteczek sprawiają, że koagulacja koloidów liofobowych

i liofilowych

ma

odmienny

charakter.

W

przypadku

koloidów

hydrofobowych

(gdy rozpuszczalnikiem jest woda), najpierw tworzy się polimolekularne jądro, które może
składać się nawet z miliona atomów (np. żelaza) 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 niedużych ilości elektrolitu, o ładunku jonów
przeciwnym ładunkowi granuli i o jak najwyższym 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 też
otoczką

lub

„płaszczem wodnym”. Możemy to uzyskać przez wprowadzenie

do roztworu koloidu hydrofilowego substancji odwadniającej (np. acetonu) lub dużych 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 obniżają
trwałość układu koloidalnego i powodują jego koagulację.

Peptyzacja i koagulacja roztworów i zawiesin stosowanych do odlewania wyrobów

ceramicznych są zależne 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, że 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 wyróżniamy 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 zależności 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 różnica 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.

Wyposażenie 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

można 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 stożkowej 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) użyć 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 można 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

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

przybory do pisania,

−

odczynniki: alkohol etylowy, drobno sproszkowana siarka, woda destylowana,

−

kolba stożkowa z korkiem,

−

cylinder miarowy,

−

zestaw do sączenia,

−

zeszyt,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Zbadaj wpływ temperatury, stężonego 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.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

przybory do pisania,

−

odczynniki: białko jaja kurzego, stężony 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) wyróżnić fazy, jakie występują w roztworze koloidalnym?

7) wymienić cechy koloidów, które wynikają z wielkości stopnia rozproszenia?

8) wymienić właściwości koloidów, które odróżniają 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 różnice 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, żywe 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 należą 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 można 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,

–

wymrażanie.
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 dłużej), 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 należą sole glinu i żelaza

tworzące w wyniku hydrolizy dodatnio naładowane połączenia skutecznie destabilizujące
zanieczyszczenia koloidalne obecne w oczyszczanej wodzie. Do związków tych należą 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) żelaza(II) – Fe

2

(SO

4

)

3

· 9H

2

O,

–

siarczan(VI) żelaza(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 żelaza (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 obciążniki 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

naprężeń. Wyjaśnia szczegóły procesów wytwarzania mas, formowania oraz suszenia
półfabrykatów ceramicznych. Umożliwia sterowanie tymi procesami w celu uzyskania
możliwie optymalnych parametrów technicznych lub ekonomicznych.

W szczególności, reologia zajmuje się takimi zagadnieniami jak:

–

zmienną lepkością,

–

relacjami między naprężeniem i odkształceniem,

–

odrywaniem i mieszaniem się cząstek substancji poddawanych naprężeniom,

–

układaniu się substancji względem podłoża 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 zależności od udziału fazy ciekłej (rozpuszczalnika) zawiesiny będą zachowywać się
podobnie jak ciała stałe lub podobnie jak ciecze. W zakresie pośrednim zmiana własności
będzie zależeć od wielu czynników dodatkowych.

Formowanie wyrobów ceramicznych za pomocą odlewania gęstw lejnych jest szeroko

wykorzystywane ze względu na możliwość 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 również kształt cząstek. Niekuliste cząstki,
szczególnie pręty lub płytki, zbliżają się do siebie w zawiesinie bardziej niż czynią to kuliste
cząstki o równoważnej 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 różnych dodatków modyfikujących. Konsystencja tych mas
określa sposób formowania z nich wyrobów, który w dużym stopniu określa strukturę
i teksturę półfabrykatu ceramicznego. Ze względu na konsystencję masy ceramiczne można
podzielić na: lejne, plastyczne, sypkie.

Charakterystyka reologiczna poszczególnych mas jest różna i zależy nie tylko od udziału

fazy ciekłej, ale i od wielu czynników związanych ze specyfiką formowania. Odpowiednio
do konsystencji mas, formowanie półfabrykatów można 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 można 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, aż do powstawania

zawiesiny z oddzielnych cząsteczek gliniastych. Proces rozdzielania gliny w wodzie
na poszczególne cząstki nazywa się peptyzacją lub deflokulacją. Jeżeli 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 różną skuteczność upłynniania. Najsilniej działają

wodorotlenki sodu i litu. Działanie węglanów jest około pięciokrotnie słabsze
niż wodorotlenków przy równoważnych ich dodatkach molowych. Oznacza to, że należy
ich dodać pięć razy więcej, aby przy tej samej ilości wody uzyskać masę (gęstwę) o tej samej
lepkości. Upłynniaczami mogą być także pewne substancje organiczne.

Tabela 4. Zestawienie różnych 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 każdego rodzaju surowca i każdego 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 można 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 nierównoważenia 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. Jeżeli koncentracja jonów

w wodzie jest dostateczna, to w pobliżu 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

(poniżej 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 dużej 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 stężenia upłynniacza (pH
powyżej 8) lub wprowadzenie jonów o wyższej 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 dużymi ścianami. Daje to osad zwarty i gęsty.

Ilość dodawanego upłynniacza zawarta jest w granicach 0,1 do 0,3% ilości suchej gliny.

Jeżeli 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 złożonego 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, jeżeli oba upłynniacze zostaną wprowadzone równocześnie. Pośrednia wartość
lepkości masy wystąpi, gdy pierwsze doda się szkło wodne.

Nie zawsze można 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 żelazo i aluminium, często występujące w glinach naturalnych i prawie

wszystkich wodach. Deflokulacji najbardziej przeciwdziałają siarczany. Zawartość ich bywa
różnaw glinach, zwykle w glinach plastycznych 0,01–0,28%, w kaolinach 0,002–0,015%,
a w bentonitach do 0,194%. Koagulacyjnemu działaniu siarczanów można 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

Wyposażenie 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 każdym 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.

Wyposażenie 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 uważnie 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 każdą poprawną odpowiedź możesz uzyskać 1 punkt.
7. Dla każdego zadania podane są cztery możliwe odpowiedzi: a, b, c, d. Tylko jedna

odpowiedź jest poprawna; wybierz ją i zaznacz kratkę z odpowiadającą jej literą, znakiem
X.

8. Jeżeli się pomylisz i błędnie zaznaczysz odpowiedź, otocz ją kółkiem i zaznacz ponownie

odpowiedź, którą uważasz za poprawną.

9. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
10. Kiedy udzielenie odpowiedzi będzie sprawiało Ci trudność, wtedy odłóż 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 ułożenia 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 żel 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 możemy
określić mianem
a) cementów.
b) adsorbentów.
c) katalizatorów.
d) kaolinów.

7. Przykładami adsorbentów są

a) węgiel drzewny, aktywny tlenek glinu, silikażel.
b) krzemionka, aktywny tlenek glinu, silikażel.
c) węgiel kamienny, aktywny tlenek glinu, silikażel.
d) węgiel drzewny, tlenek sodu, silikażel.

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) poniżej 1 nm.
b) 1–300 nm.
c) 1–3000 nm.
d) powyżej 3000 nm.

15. Adsorpcja

a) w odróżnieniu od absorpcji jest przeważnie zjawiskiem nieodwracalnym.
b) w odróżnieniu od absorpcji jest przeważnie 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 przybliżeniu odpowiada wzorowi Na

2

O·CaO·6SiO

2

i odpowiada w przybliżeniu 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

można zapobiec wprowadzając do masy jony
a) litu.
b) sodu.
c) boru.
d) baru.

19. Koagulację zoli można 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 wyższe uczelnie. PWN, Warszawa 1989