Biotechnologia

TEMAT: Roztwory koloidalne i nefelometria.

CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest zbadanie szybkości tworzenia się zolu siarki w reakcji kwasu solnego z tiosiarczanem sodowym przy zastosowaniu metody nefelometrycznej, oraz wyznaczenie nieznanego stężenia zolu kalafonii metoda nefelometryczna.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA:

Układ koloidalny (koloid, układ koloidowy, roztwór koloidalny) – niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym jedna z substancji jest rozproszona w drugiej. Rozdrobnienie (czyli dyspersja) substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek.
Typowy układ koloidalny (tzw. koloid fazowy) składa się z dwóch faz:

• fazy ciągłej, czyli substancji rozpraszającej, zwanej też ośrodkiem dyspersyjnym albo dyspergującym,

• fazy rozproszonej, czyli substancji zawieszonej (zdyspergowanej) w ośrodku dyspersyjnym i w nim nierozpuszczalnej (liofobowej, hydrofobowej).

Do układów koloidalnych zaliczamy nie tylko te, w których cząstki fazy rozproszonej mają wszystkie trzy wymiary „koloidalne”, ale także układy o cząstkach „blaszkowatych” – jeden wymiar „koloidalny” a dwa makroskopowe oraz „nitkowate” – dwa wymiary koloidalne, a jeden makroskopowy. Jest to jeden z podziałów układów koloidalnych.
Drugi podział jest ze względu na rodzaj stanu skupienia poszczególnych faz. Tylko dwa składniki będące w fazie gazowej nie mogą tworzyć koloidów, gdyż zawsze łączą się cząsteczkowo. Pozostałe kombinacje są możliwe, dlatego istnieje 8 rodzajów układów koloidalnych, przy czym najbardziej rozpowszechnione są układy koloidalne z ciekłym ośrodkiem dyspersyjnym.
W podziale ze względu na zachowanie się fazy zdyspergowanej do ośrodka dyspersyjnego wyróżniamy koloidy liofilowe(cząstki fazy rozproszonej łączą się z cząsteczkami ośrodka dyspersyjnego, czyli ulegają solwatacji) i liofobowe(nie ulegają solwatacji, stabilizowane przez ładunek elektryczny).

Podział Bungenberga de Jonga:

• Koloidy cząsteczkowe

• Koloidy fazowe

• Koloidy asocjacyjne

U = U_e + U_D

Gdy dwie naładowane cząstki w ośrodku dyspersyjnym zbliżają się do siebie, wówczas w chwili przenikania się ich rozmytych podwójnych warstw elektrycznych, wystąpi odpychanie elektrostatyczne, ponieważ w obszarze przenikania powstaje większe stężenie jonów.

Nefelometria jest metodą analityczną opartą na pomiarze intensywności światła rozproszonego (lub odbitego) przez cząstki koloidalne w kierunku prostopadłym do kierunku padania światła. Pomiar intensywności światła rozproszonego nie może być wykonany w świetle przechodzącym, jak ma to miejsce w spektrometrii, lecz pod katem 90˚ lub 45˚ w stosunku do wiązki światła padającego na badany roztwór koloidalny.

PRZYGOTOWANIE I WYKONANIE ĆWICZENIA:

1. Aparatura i odczynniki:

1. Aparatura: Spektrofotometr SPEKOL z przystawką nefelometryczną.

2. Sprzęt:

• Zlewki o pojemności 50 cm³ – 2 szt.

• Kolba Erlenmayera o pojemności 100 cm³.

• Kolba miarowa o pojemności 100 cm³.

• Kolby miarowe o pojemności 25 cm³ – 6 szt.

• Pipety miarowe: 5 i 10 cm³.

• Pipety pełne: 5 cm³ – 2 szt.

• Kuwety o grubości d = 0,5 cm (0,5 x 2 x 3 cm).

1. Odczynniki: wodne roztwory 0,02 i 0,05 M HCl oraz roztwory 0,01 i 0,25 Na₂S₂O₃; alkoholowy roztwór kalafonii – 2%.

1. Program ćwiczenia:

1. Przygotowanie spektrofotometru do pomiarów.

2. Przygotowanie mieszaniny reakcyjnej (HCl + Na₂S₂O₃).

3. Pomiar wartości transmitancji mieszaniny reakcyjnej (HCl + Na₂S₂O₃) w funkcji czasu.

4. Przygotowanie roztworu podstawowego kalafonii oraz roztworów do sporządzenia krzywej kalibracyjnej.

5. Pomiar wartości transmitancji roztworów kalafonii do krzywej wzorcowej oraz roztworu o nieznanym stężeniu.

6. Opracowanie uzyskanych wyników.

1. Sposób wykonania ćwiczenia:

1. Do zlewek o pojemności 50 cm³ odmierzyć po 5 cm³ 0,05 M HCl i 0,025 M Na₂S₂O₃. Moment zmieszania roztworów z 2. zlewek przyjmujemy za t = 0 [min]. Następnie napełnić czystą kuwetę badanym roztworem, umieścić w wolnym uchwycie przystawki nefelometrycznej i wykonywać pomiar. Wartość zmętnienia mierzymy przy długości fali
   λ = 471 nm zaczynając od t = 2 min od momentu zmieszania roztworów. Następnie mierzymy wartość zmętnienia początkowo co 1 minutę przy maksymalnym wzmocnieniu, a później co 2 min, przy końcu pomiaru (kiedy zmiany T są już niewielkie) co 5 min. W trakcie pomiaru należy zmniejszać w razie potrzeby wzmocnienie pokrętłem. Drugą serię pomiarów powtarzamy dla roztworów 0,02 M HCl i 0,01 M Na₂S₂O₃.

2. Do erlenmajerki z wodą destylowaną (ok. 50 cm³ wody) odmierzyć intensywnie mieszając 10 cm³ alkoholowego roztworu kalafonii. Roztwór odstawić na 15 minut, po czym przelać do kolby miarowej na 100 cm³ i dopełnić do kreski wodą destylowaną. Otrzymany w ten sposób zol kalafonii zawiera 10^-3 g fazy zdyspergowanej w 1 cm³. W kolbach miarowych o pojemności 25 cm³ sporządzić 5 roztworów o stężeniach: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0
   [•10⁻⁴ g/cm³]. Dokonać pomiaru wartości zmętnienia przygotowanych próbek.

1. Opracowanie wyników:

1. Wartości zmętnienia uzyskane dla roztworu zolu siarki:

cHCl = 0, 05 M cNa2S2O3 = 0, 025 M
t [min.]
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
14
16
18
20
25
30

1. Wartości zmętnienia uzyskane dla zolu kalafonii:

$$c \bullet 10^{- 4}\lbrack\frac{g}{\text{cm}^{3}}\rbrack$$	Wzmocnienie	T	TW
0,2	1000	69	0,069
0,4	500	55	0,110
0,6		78	0,156
0,8		85	0,170
1,0	200	37	0,185
x	500	66	0,132

Na₂S₂O₃ + 2HCl → SO₂ + S + H₂O + 2NaCl ∖ n ∖ n

• Wartość zmętnienia roztworu (T_W) rośnie wraz z upływem czasu, jednak po osiągnięciu wartości maksymalnej, zaczyna maleć.

• Im wyższe stężenie substancji tworzących roztwór koloidalny, tym szybciej zachodzi proces koagulacji (co obrazuje wykres nr 1).

• Większym stężeniom reagentów towarzyszy niższy stosunek liczby wszystkich zderzeń do zderzeń efektywnych (współczynnik koagulacji), więc taki układ nie jest stabilny (zachodzi koagulacja szybka).

• Mniejszym stężeniom reagentów odpowiada niższy współczynnik koagulacji, więc taki układ jest stabilny i zachodzi w nim koagulacja wolna.

• Stężenie c_X zolu kalafonii wynosi $0,5 \bullet 10^{- 4}\lbrack\frac{g}{\text{cm}^{3}}\rbrack$ (co obrazuje wykres nr 2).