§ VI.8. УСТОЙЧИВОСТЬ И КОАГУЛЯЦИЯ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ

Кинетическая и агрегативная устойчивость коллоидных систем.

Следствием кинетических свойств коллоидных растворов является их кинетическая устойчивость, которая состоит в том, что концентрация коллоидных растворов одинакова по всему объему системы и при правильном хранении не изменяется во времени.

Электрические свойства коллоидных растворов объясняют их агрегативную устойчивость, которая проявляется в том, что частицы дисперсной фазы в коллоидном растворе не укрупняются, не слипаются. Сохранение коллоидной степени дисперсности во времени обусловлено прежде всего наличием одноименного электрического заряда частиц дисперсной фазы, вызывающего их взаимное отталкивание. С увеличением значения электрокинетического потенциала растет устойчивость коллоидных систем.

Наличие электрического заряда у частиц дисперсной фазы приводит к их значительной гидратации (полярные молекулы воды определенным образом ориентируются относительно заряженных частиц и вступают с ними во взаимодействие). Гидратная оболочка заметно снижает поверхностную энергию дисперсной фазы и тем самым уменьшает Стремление частиц к укрупнению. Гидратная оболочка приводит также к разобщению частиц в коллоидном растворе, что повышает агрегативную устойчивость, а иногда даже обеспечивает сохранение коллоидной степени дисперсности.

Частицы дисперсной фазы некоторых веществ, склонных к образованию золей, проявляют большое сродство к молекулам среды адсорбируя их в первую очередь. Ядро коллоидной частицы таких золей имеет собственную гидратную оболочку Формула мицеллы золя

Такие коллоидные растворы называют гидрофильными. Гидрофильные коллоидные растворы приближаются по свойствам к истинным растворам. Это, как правило, золи органического происхождения. Коллоидные растворы большинства неорганических веществ имеют гидрофобный характер.

Агрегативная устойчивость гидрофильных золей особенно велика, так как при наличии защитного действия одноименного

заряда коллоидных частиц и общей гидратной оболочки добавляется еще защитное действие гидратной оболочки ядра

Гели и твердые коллоиды.

При длительном хранении гидрофильные золи переходят в особое «студнеобразное» коллоидное состояние. В таком виде их называют гелями. Структура геля такова, что мицеллы не разрушаются, а просто связываются друг с другом, образуя своеобразные ячейки, внутри которых сохраняется среда Гель можно высушить, превратив его в твердый коллоид (рис. VI.7).

Примером гидрофильного золя может служить золь желатина. В продаже имеется твердый коллоид желатина. При набухании в воде образуется гель. При нагревании геля («студня») образуется золь. Все процессы обратимы:

Сохранение во всех состояниях мицеллярной структуры связано с высокой устойчивостью гидрофильной коллоидной системы.

Коагуляция и седиментация. Устойчивость золя можно нарушить, устранив одноименный заряд коллоидных частиц и защитную гидратную оболочку. На границе раздела коллоидная частица — среда устанавливаются два равновесия:

Если сместить равновесие (1) влево, то возрастет число противоионов в коллоидной частице и уменьшится ее заряд. Уменьшение заряда частицы приведет, в свою очередь, к уменьшению числа молекул воды в гидратной оболочке коллоидной частицы, т. е. к смещению равновесия (2) в правую сторону. Устойчивость коллоидной системы нарушится. При некоторых условиях число противоионов в коллоидной частице может стать таким, что их заряд полностью нейтрализует заряд зарядообразующих ионов,

Рис. VI.7. Обратимые процессы перехода золя в гель и геля в твердый коллоид

т. е. коллоидная частица станет незаряженной. При этом -потенциал становится равным нулю. Такое состояние коллоидной частицы называется изоэлектрическим состоянием. Гидратная оболочка частицы в изоэлектрическом состоянии в значительной мере разрушена. Коллоидные частицы не защищены и при столкновениях слипаются, укрупняются. Процесс укрупнения частиц, потеря агрегативной устойчивости золя называется коагиляцией. Коагуляция золя приводит к потере его кинетической устойчивости, которая выражается в образовании осадка. Этот процесс называют седиментацией.

Рассмотрим схему нарушения устойчивости коллоидного раствора на примере золя

На границе раздела дисперсная фаза — дисперсионная среда устанавливаются равновесия согласно (1) и (2):

Коагуляция золя связана со смещением равновесия (1а) в левую сторону, а равновесия (2а) в правую. Состав частиц при этом изменяется: они теряют заряд и защитную гидратную оболочку:

Нейтральные частицы укрупняются (коагулируют) и образуют осадок (седиментируют). Состав осадка

где — число слипшихся частиц в коагуляте.

Один из методов разрушения коллоидной системы — пропускание постоянного электрического тока через коллоидный раствор. При этом происходит электрохимическое снятие заряда с коллоидной частицы на одном из электродов и последующая потеря частицей гидратной оболочки.

Другой метод разрушения коллоидной системы — введение в коллоидную систему твердого электролита или его концентрированного раствора. При этом происходит гидратация ионов электролита за счет молекул из дисперсионной среды. Равновесие нарушается и смещается в сторону пополнения воды в среде: что приводит к ослаблению защитной гидратной оболочки частицы. Одновременно смещается противоионное равновесие в сторону увеличения числа связанных противоионов. Это происходит потому, что введение электролита в систему резко повышает концентрацию ионов в дисперсионной среде и они проникают внутрь коллоидной частицы, снижая ее заряд. Результатом смещения указанных равновесий является нарушение устойчивости золя, сопровождающееся его коагуляцией и седиментацией.

Коагуляция в процессе водоподготовки.

В природных водах, служащих источником водоснабжения различных промышленных предприятий, всегда содержится некоторое количество органических примесей. Органические примеси, находящиеся в природных водах, создают в основном коллоидные системы. Как правило, их частицы несут отрицательный заряд.

Наличие органических коллоидов в воде затрудняет некоторые процессы подготовки воды для паросиловых установок, а также и процессы самой генерации (получения) пара. В связи с этим водоподготовка предусматривает удаление коллоидных примесей из природных вод. Удаление их фильтрированием воды через какие-либо механические фильтры невозможно, так как размеры коллоидных частиц слишком малы. Поэтому удаление проводят коагуляцией.

Коагуляция осуществляется с помощью специальных реагентов — коагулянтов, обычно сульфатов алюминия или железа. Эти соли, вводимые в определенных количествах в очищаемую воду, подвергаются гидролизу с образованием соответствующих труднорастворимых гидроксидов Последние в процессе образования дают коллоидные растворы, частицы которых несут заряд, обратный по знаку заряду органических коллоидных частиц, т. е. положительный.

В результате осуществляется процесс взаимной коагуляции: при взаимодействии двух коллоидных систем происходит уменьшение заряда, дегидратация и, наконец, укрупнение частиц. Образующиеся при этом крупные хлопья могут быть легко удалены с помощью фильтрования или отстаивания.

Электрогазоочистка.

Дымовые газы несут с собой много пылевидных частиц коллоидной степени дисперсности. Особенно много коллоидных примесей выносится при сжигании низкосортного топлива (например, на ТЭЦ). Дымовые газы представляют собой аэрозоли (дисперсионная среда — газ).

При развитом теплоэнергетическом хозяйстве, при большом количестве ТЭЦ окружающее пространство загрязняется дымом. Вследствие высокой дисперсности твердой фазы в дымах очистка их обычными методами (механическими) не может быть обеспечена. Поэтому используются электрические свойства дыма как коллоидной системы. Частицы дымов обладают зарядом, который легко образуется при адсорбции ионов, но заряд этих частиц невелик и может быть разного знака в связи с различным химическим составом частиц. Для очистки дымовых газов используется электрофорез, который проводится при очень больших напряжениях (порядка десятков тысяч вольт). При этом катод, который расположен обычно в середине специальных газовых камер, служит источником сильного потока электронов, ионизирующих газ, благодаря чему частицы дыма получают больший и всегда

отрицательный заряд и быстро переносятся к аноду, которым служат стенки камеры. Со стенок камеры масса пыли оседает на дно.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1. а) Определите эквивалент в реакциях нейтрализации

б) Определите эквивалент в обменной реакции

в) Определите эквивалент в реакции

Решение, а) В приведенных кислотно-основных реакциях в молекуле замещаются три иона водорода, а молекула взаимодействует с двумя иоиами водорода. Согласно определению (см. § VI.2), эквиваленты фосфорной кислоты и гидроксида магния в этих реакциях равны соответственно.

б) Эквивалент соли в обменной реакции можио определить, пользуясь вспомогательными реакциями, протекающими с участием ионов водорода-.

Как видно, одна молекула соли эквивалентна шести иоиам водорода. Следовательно,

в) В приведенной реакции ион восстанавливается одним электроном и, согласно определению (см. § VI.2),

Пример 2. Сколько цинка растворится в кислоте, если при и 101 кПа выделится объемом

Решение. Ионное уравнение реакции растворения цинка в кислоте

Отсюда эквивалент цинка равен атома цинка, а фактор эквивалентности водорода — молекулы водорода:

Для решения задачи определим количество молей эквивалентов выделившегося водорода при н. у. Для этого приведем объем газа к н. у.:

где и у — объемы водорода при н. у. и заданных условиях соответственно; Т — заданная температура, — давление при н. у. и заданных условиях соответственно.

Так как объем моля при н. у. равен то в данном случае выделилось 112/22 моль или моль эквивалентов

По закону эквивалентов моль эквивалентов одного вещества реагирует с молем эквивалентов другого вещества. Массу моля эквивалентов называют молярной массой эквивалента Таким образом с 0,01 моль эквивалентов водорода должно прореагировать 0,01 моль эквивалентов цинка. Так как

, то а масса 0,01 моль эквивалентов:

Пример 3. В воде объемом растворили массой Вычислите массовую долю кислоты в растворе, титр молярную и нормальную концентрацию моляльность Плотность раствора

Решение. Принимая массу воды равной рассчитываем массу раствора:

Следовательно,

По известным массе и плотности раствора найдем его объем: а титр:

Зная титр раствора, найдем массу раствора и молярную концентрацию раствора:

Так как то Нормальная концентрация раствора:

Для расчета моляльности найдем сначала массу растворителя:

Тогда

Пример 4. Какой объем серной кислоты потребуется для приготовления н. раствора?

Решение. Масса моля эквивалентов равна

Для приготовления н. раствора требуется Масса -ной кислоты Масса раствора:

Следовательно, для приготовления надо взять -ной серной кислоты.

Пример 5. Определите концентрацию ионов в . Рассчитайте pH этого раствора при 295 К.

Решение. Гидроксид аммония — слабый электролит и диссоциирует обратимо: . В соответствии с законом Оствальда степень диссоциации а равна

Подставляя значение из табл. VI. 1, получаем

Равновесная концентрация ионов равна

Водородный показатель равен

Можно считать, что в растворе слабого электролита активность ионов равна их концентрации. Тогда

Соответственно

Пример 6. Рассчитайте pH раствора, содержащего

Решение. Так как сильные электролиты, то они диссоциируют полностью:

Соответственно pH раствора определяем по формуле

Для расчета коэффициента активности необходимо определить ионную силу раствора:

На основании табл. VI.3 путем интерполяции находим следовательно,

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)