LABOLATORIUM Z CHEMI FIZYCZNEJ

sprawozdanie zbiorcze

otrzymywanie i własności

koloidów

Katarzyna Augustyn i Agnieszka Przytocka gr.34 zesp. VI

SPIS TREŚCI:

1. WSTĘP TEORETYCZNY

1. WSTĘP TEORETYCZNY

Układy koloidalne są mieszaninami fizycznie i chemicznie niejednorodnymi i charakteryzują się określonym stopniem rozdrobnienia faz przy czym jedna faza jest rozproszona w drugiej. Faza rozproszona (dyspersyjna) występuje w niewielkiej ilości w porównaniu z ilością drugiej, która stanowi ciągły ośrodek dyspersyjny. Zarówno faza rozproszona jak i rozpraszająca mogą występować w dowolnych stanach skupienia. Jeśli wymiary fazy rozproszonej wynoszą od 1 do 300 nm to taki stan nazywamy koloidalnym. Koloidy są układami termodynamicznie nietrwałymi. Jednym z podstawowych warunków stabilizacji większości układów koloidalnych jest ładunek elektryczny cząstek fazy rozproszonej. Na powierzchni każdej cząstki występuje tzw. warstwa elektryczna:

• warstwa nieruchoma utworzona z silnie zaabsorbowanych jonów lub dipoli bezpośrednio na powierzchni cząstki koloidalnej.

• Warstwa dyfuzyjna w której jony i dipole są rozmieszczone w określony sposób lecz znajdują się w pewnej odległości od powierzchni cząstek, są słabiej z nią związane i mogą zmieniać położenie.

W wyniku takiego rozmieszczenia jonów i dipoli powstaje różnica potencjału na granicy faz cząsteczka koloidalna - ośrodek dyspersyjny. Szczególne znaczenie w badaniach ma potencjał elektrokinetyczny. Zobojętnienie ładunków elektrycznych koloidów często prowadzi do zniszczenia stanu koloidalnego przez wydzielenie fazy zdyspergowanej w postaci większych skupisk. Zjawisko to to koagulacja.

Koloidy można podzielić na dwie grupy:

• liofobowe - nie ulegają solwatacji. Układy te nie są trwałe gdyż zobojętnienie ładunku prowadzi do koagulacji zolu.

• liofilowe - ulegają silnej solwatacji i na ich powierzchni powstaje zwarta warstwa utworzona z cząstek rozpuszczalnika, która działa stabilizująco na cząstki liofilowe. Na powierzchni cząstki liofilowej występuje także odpowiednie rozmieszczenie ładunków elektrycznych ale ich zobojętnienie nie prowadzi do koagulacji. Dopiero usunięcie otoczki solwatacyjnej powoduje koagulacji.

Stan koloidu w którym jego cząstki nie mają ładunku elektrycznego nazywany jest punktem izoelektrycznym koloidu. Koloidy liofilowe wykazują zawsze większą lepkość od lepkości czystego rozpuszczalnika. Lepkość ich może ponadto zależeć od wielkości ładunku elektrycznego zgromadzonego na cząstkach. Wielkość i znak ładunku cząstki zależą od pH roztworu żelatyny. Mierząc lepkość roztworów o różnych wartościach pH i jednakowych stężeniach żelatyny można określić warunki w których cząstki są elektrycznie obojętne, można więc określić pH punktu izoelektrycznego gdyż w punkcie tym lepkość roztworu jest najmniejsza.

2. Otrzymywanie koloidalnych roztworów siarki i badanie własności koloidów ochronnych.

• Zol siarki można otrzymać przez utlenienie tiosiarczanu sodu kwasem siarkowym

Na₂S₂O₃+H₂SO₄=Na₂SO₄+H₂O+SO₂+S_koloid

do próbki zawierającej 0,1n roztwór tiosiarczanu sodu szybko wprowadzono roztwór 0,1n kwasu siarkowego i obserwowano próbkę w świetle bocznym do momentu koagulacji każdej z mieszaniny. Czasy koagulacji dla poszczególnych próbek przedstawia tabelka.

V H2SO4 [cm^3]	V Na2S2O3 [cm^3]	t
10	10	1min 8s
10	5	1min 30s
15	2	3min 57s
5	10	50s
2	15	37s

• zbadano wpływ dodatku elektrolitu na szybkość przebiegu koagulacji. W tym celu sporządzono roztwór nr 2 i miareczkowano go roztworem CaCl₂ mierząc czas rozpoczęcia koagulacji oraz ilość zużytego elektrolitu. Aby zbadać właściwości ochronne sporządzono jednoprocentowy roztwór żelatyny i do roztworu 2 dodano 0,5cm³ żelatyny poczym miareczkowano j.w. Zestawienie zużycia elektrolitu przedstawia tabelka.

	V CaCl2 [cm^3]	Orientacyjny czas rozpoczęcia koagulacji
Bez dodatku r-ru żelatyny	6	1min
	7,5	2 min12s
	6,5	1 min5s
Z dodatkiem r-ru żelatyny	9	1 min20s
	10,8	1 min45s
	9,5	1 min30s

2.1. Wnioski

• zol siarki powstał na drodze utleniania tiosiarczanu sodu kwasem siarkowym, co zostało zaobserwowane dzięki zjawisku Tyndalla --tzn. przepuszczany przez układ koloidalny strumień światła obserwowany z boku tworzy jasną smugę (stożek Tyndalla).

• Najszybciej zol siarki powstał przy znacznym nadmiarze tiosiarczanu sodu w stosunku do ilości kwasu siarkowego, zaś proces koagulacji zachodził najwolniej gdy zmieszano 15 cm³ kwasu z 2cm³ tiosiarczanu.

• Przyśpieszenie procesu koagulacji spowodowano przez dodanie elektrolitu CaCl₂. Stosunkowo dobra zdolność koagulacyjna jest spowodowana wartościowością jonu Ca²⁺

• Wykazano także ochronne działanie żelatyny polegające na opóźnieniu momentu rozpoczęcia koagulacji roztworu. Cząstki koloidu ochronnego zostały w dużym stopniu zaadsorbowane przez cząstki zolu hydrofobowego w skutek czego na ich powierzchni powstała warstewka o właściwościach hydrofilowych, dlatego cząstki koloidu hydrofobowego (siarki) nabrały pewnych cech koloidy hydrofilowego przez co układ stał się bardziej odporny na działanie koagulujące elektrolitu.

3. Otrzymywanie zolu uwodnionego tlenku żelazowego i jego koagulacja.

Celem ćwiczenia jest otrzymanie zolu uwodnionego tlenku żelazowego poprzez hydrolizę FeCl₃ , a następnie jego koagulację pod wpływem elektrolitu. Reakcja przeprowadzana jest w temp. 100° poprzez wkroplenie roztworu 0,25n FeCl₃ do wrzącej wody.

Podczas hydrolizy powstają stopniowo sole zasadowe o coraz niższej rzędowości, aż do powstania Fe(OH)₃, praktycznie nierozpuszczalnego w H₂O

FeCl₃ + H₂O => Fe(OH)Cl₂ + HCl

Fe(OH)Cl₂ + H₂O => Fe(OH)₂Cl + HCl

Fe(OH)₂Cl + H₂O => Fe(OH)₃ + HCl

Strącający się Fe(OH)_3, wydziela się z roztworu w postaci submikroskopowych kryształów Fe₂O₃ * nH₂O.

Jednocześnie z tym procesem zachodzi adsorbcja jonów Fe³⁺ na powierzchni kryształów (z wbudowaniem ich w sieć krystaliczną), oraz reakcje, w wyniku których do roztworu uwolnione zostają jony Cl^- (adsorbcja Fe³⁺ na powierzchni kryształów soli zasadowych, reakcje powierzchniowe Fe(OH)₃ z solami żelaza). Wszystkie te procesy powodują, że cząstki hydratu Fe(OH)₃ uzyskują na tyle duży ładunek dodatni, aby pod wpływem wprowadzonego elektrolitu tworzą zol.

	Vśr (ml)	Objętość mieszaniny w kolbce w momencie koagulacji	Stężenie elektrolitu powodujące koagulacje
K4(Fe(CN)6) 0,001n	0,3	10,3	0,00893
	0,3	10,3	0,00893
		0,3	10,3	0,00893
K4(Fe(CN)6) 0,0008n	8,07	18,07	2,85 10^-4
K3(Fe(CN)6) 0,001n	0,5	10,5	0,0104
	0,9	10,9	0,0098
		0,7	10,7	0,0101
Na2SO4 0,02n	0,3	10,3	0,0156
	0,87	10,87	2,25 10^-4
	0,3	10,3	2,25 10^-3
	0,87	10,87	0,01
		0,585	10,585	7,019 10^-3
CaCl2 4n	1,93	11,93	19,82
KCl 4n	3,07	13,07	4

3.1. Obliczenie stężenia elektrolitu powodującego koagulację (val/l).

gdzie:

C- stężenie molowe [mol/l]

V- objętość [l]

Eq- gramorównoważnik [val ]

1. Obliczenie siły jonowej mieszaniny (elektrolit + FeCl₃)

gdzie:

J- siła jonowa

C_i- stężenie molowe jonu

z_i - ładunek jonu

3.3. Obliczenie współczynników aktywności zgodnie z prawem Debye'a - Hückla.

gdzie:

f - współczynnik aktywności

z₊- ładunek kationu

z_- - ładunek anionu

J - siła jonowa

3.4. Obliczenie względnych wartości koagulacyjnych przeciwjonów przyjmując wartość koagulacyjną Fe(CN)₆^{4 -} za równą jednostce

gdzie

x- względna wartość koagulacyjna

C_z- wartość koagulacyjna poszczególnych przeciwjonów

	z+ (mol/l)	z-(mol/l)	J	J^0,5	-log(f)	f	x
K4(Fe(CN)6) 0,001n	10^-3	2,5 10^-4	0,5	0,71	-1,425	0,037	1
		0,09	0,94	0,969	-7,897		0,918
	10^-3	2,5 10^-4	0,5	0,707	-1,44	0,036	1
	3,57 10^-4	8,9 10^-5	2,3 10^-3	0,048	-0,39	0,41	1
		7,86 10^-4	0,0226	0,486	0,609	-2,788	0,16	0,9795
K3(Fe(CN)6) 0,001n	10^-3	3,34 10^-4	0,5	0,71	-1,07	0,085	1,34
	10^-3	3,34 10^-4	0,5	0,71	-1,083	0,083	1,34
	3,54 10^-4	1,18 10^-4	1,9 10^-3	0,044	-0,2	0,63	1,32
		7,84 10^-4	2,62 10^-4	0,334	0,488	-0,784	0,266	1,333
Na2SO4 0,02n	2 10^-2	9,93 10^-3	0,53	0,73	-0,74	0,18	39,7
	1,6 10^-3	8 10^-4	3,1 10^-3	0,056	-0,11	0,77	8,96
	2 10^-2	1 10^-2	0,528	0,73	-0,74	0,18	40
		1,149	3,45	0,86	-3,78		1
		0,014	0,292	1,128	0,844	-1,342	0,376	22,415
KCl 4n		0,326	0,326	0,57	-0,291	0,52	0,716
CaCl2 4n	0,65	1,3	2,93	1,71	-0,87	0,135	1,4

3.5. Wnioski

• Ze wzrostem mocy elektrolitu zwiększa się szybkość procesu koagulacji (najszybciej w przypadku Fe(CN)₆^4-, najwolniej dla SO₄^2-).

• Wielkość względnej wartości koagulacyjnej określa ilość dodanego elektrolitu w odniesieniu do elektrolitu wzorcowego (Fe(CN)₆^4-) i mówi o ile więcej trzeba go zużyć, aby wywołać ten sam efekt koagulacyjny.

• Współczynnik aktywności dla roztworów bardzo rozcieńczonych jest mniejszy od 1 i odwrotnie-proporcjonalny do mocy elektrolitu a wprost-proporcjonalny do stężenia elektrolitu

4. Własności koloidów ochronnych.

Badany elektrolit	Zużyta objętość	Objętość próbki	Stężenie powodujące koagulację
K4(Fe(CN)6) 0,001n	5,4	15,4	5,61 10^-5
K4(Fe(CN)6) 0,0008n	6,75	16,75	3,22 10^-4
		4,73	14,73	2,57 10^-4
		5,74	15,74	2,89 10^-4
K4(Fe(CN)6) 8n + żelatyna	10	20	3,8 10^-4
K3(Fe(CN)6) 0,001n	4	14	2,86 10^-4
		3,23	13,23	2,44 10^-4
		3,615	13,61	2,65 10^-4
K3(Fe(CN)6) 0,001n + żelatyna	10,5	20,5	4,8 10^-4
Na2SO4 0,002n	1,05	11,05	0,19 10^-4
		0,63	10,63	0,118 10^-4
		0,7	10,7	4,95 10^-4
		0,793	10,79	0,268 10^-4
	Na2SO4 0,002n + żelatyna	13	23	1,13 10^-1
		6,1	16,1	0,71 10^-4
		14,6	25,6	0,0104
		11,23	21,57	0,0435
KJ 2n	2,4	12,4	0,797
KCl 4n	1,2	11,2	0,358

	stężenie kationu.	stężenie anionu	I	I^0,5	log(f)	f	x
K4(Fe(CN)6) 0,001n	7,23 10^-10	1,8 10^-10	1,8 10^-9	4,2 10^-5	-3,4 10^-^4	1
K4(Fe(CN)6) 0,0008n	2,57 10^-4	2,35 10^-5	6,42 10^-5	8 10^-3	-0,016	0,98	1
		3,22 10^-4	8 10^-5	8 10^-4	2,8 10^-2	-0,337	0,46	1
		2,89 10^-4	1,03 10^-4	4,32 10^-4	1,82 10^-2	-0,1765	0,77	1
	K3(Fe(CN)6) 0,001n	2,86 10^-4	9,53 10^-5	5,64 10^-4	2,37 10^-2	-0,231	0,588	0,89
		2,44 10^-4	1,22 10^-5	1,22 10^-4	1,1 10^-2	-0,017	0,983	5,15
		2,65 10^-4	5,37 10^-5	3,43 10^-4	1,7 10^-2	-0,124	0,785	3,02
	Na2SO4 0,002n	0,19 10^-4	9,5 10^-4	2,85 10^-3	5,34 10^-2	-0,231	0,587	5,9
		1,5 10^-7	7,49 10^-8	2,25 10^-7	4,7 10^-4	-9,6 10^-4	0,998
		1,118 10^-3	5,9 10^-4	5,9 10^-4	2,4 10^-2	-0,024	0,976	25,17
		1,03 10^-3	5,13 10^-4	9,5 10^-4	2,6 10^-2	-0,085	0,854	15,53
	Na2SO4 0,002n + żelatyna	0,113	5,65 10^-2	0,17	0,412	-0,642	0,228	350,9
		3,58 10^-7	1,79 10^-7	5,37 10^-7	7,3 10^-4	-1,5 10^-3	0,997
		0,056	1,3 10^-2	0,085	0,206	-0,322	0,612	350,9
KJ 2n	5,9 10^-5	5,9 10^-5	5,9 10^-5	7,7 10^-3	-3,9 10^-3	0,991
KCl 4n	5,4 10^-5	5,4 10^-5	5,4 10^-5	7,3 10^-3	-3,7 10^-3	0,995

4.1. Wnioski

Działanie koagulacyjne elektrolitu wzrasta ze wzrostem ładunku przeciwjonu. Działanie elektrolitu zależy od ładunku anionu gdyż uwodniony tlenek żelowy stanowi zol dodatni. Najlepszym z badanych elektrolitów jest heksacjanożelazian potasu. Dodatek roztworu żelatyny powoduje zwiększenie ilości elektrolitu potrzebnego do koagulacji zolu. Z tego wynika że dodatek żelatyny jako koloidu liofilowego stabilizuje układ liofobowy i opóźnia efekt koagulacji.

5. Podsumowanie

Błędy i rozbieżności w uzyskanych pomiarach spowodowane były głównie niedokładnością wykonania roztworów elektrolitów oraz brakiem ostrego efektu wizualnego przy przejściu zolu w żel.

1

1

---