ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ ИЗДÀТЕЛЬСТВО ТГТУ Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ Лабораторные работы для студентов 3 курса специальности 240901 «Пищевая биотехнология» Тамбов Издательство ТГТУ 2006 УДК 541.18 ББК 24.6 М15 Р е це н зе н т кандидат химических наук Н.Ф. Гладышев Автор ы-со ст ав ите ли: Е.И. Муратова, А.А. Ермаков М15 Поверхностные явления и дисперсные системы: Лабораторные работы / Авт.-сост.: Е.И. Муратова, А.А. Ермаков. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. 48 с. Даны лабораторные работы по изучению особенностей поверхностных явлений и свойств многочисленных дисперсных систем – объектов пищевой биотехнологии. Представлен широкий спектр методов, приборов и установок для исследования поверхностных явлений (поверхностного натяжения, адсорбции) и дисперсных систем (золей, суспензий, эмульсий, пен и др.). Лабораторные работы составлены в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профес- сионального образования для специальности 240901 «Пищевая биотехнология» и программой дисциплины «Поверхност- ные явления и дисперсные системы» и предназначены для студентов 3 курса. УДК 541.18 ББК 24.6  Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ), 2006 Учебное издание ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ Лабораторные работы Авторы-составители: Муратова Евгения Ивановна, Ер ма ков Александр Анатольевич Редактор З.Г. Чер но ва Компьютерное макетирование Е.В. Кораблево й Подписано к печати 30.01.2006 Гарнитура Тimes New Roman. Формат 60 × 84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем: 2,79 усл. печ. л.; 2,9 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. С. 25М Издательско-полиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14 ВВЕДЕНИЕ В последние годы произошло значительное расширение ассортимента пищевых продуктов, получили широ- кое распространение комбинированные продукты питания функционального назначения, продукты-аналоги, гид- робионты и др. Проектирование рецептур таких продуктов и разработка технологий их получения должны вестись с учетом коллоидно-химических свойств пищевых масс. Дисциплина «Поверхностные явления и дисперсные системы» (коллоидная химия) входит в федеральный компонент государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования специальности «Пищевая биотехнология». Необходимость ее изучения вызвана тем, что практически все пищевые массы пред- ставляют собой дисперсные системы, физико-химические свойства которых следует учитывать при производстве и хранении продовольственных продуктов. По выражению Бехгольда «приемы кулинарии являются ничем иным как практическим применением коллоидной химии». В соответствии с квалификационными требованиями государственного образовательного стандарта выпуск- ники специальности «Пищевая биотехнология» должны знать теоретические и технологические основы образова- ния и разрушения пищевых дисперсных систем, коллоидно-химические свойства пищевого сырья и готовой про- дукции; владеть методами исследования пищевых дисперсных систем и иметь практические навыки работы с со- ответствующим лабораторным оборудованием; уметь использовать полученные знания и практические навыки для проектирования комбинированных продуктов питания, выбора оптимальных технологических режимов работы оборудования, получения продукции высокого качества. Представленные в пособии лабораторные работы охватывают наиболее значимые для пищевых производств разделы коллоидной химии. Их выполнение позволит будущему инженеру-биотехнологу познакомиться со спосо- бами получения и свойствами суспензий, золей, эмульсий, пен; освоить современные методики, приборы и уста- новки; исследовать влияние рецептурных и технологических параметров на величину поверхностного натяжения, удельную адсорбцию, полную обменную емкость ионитов, реологические свойства различных пищевых дисперс- ных систем. Надеемся, что полученные знания и навыки будут способствовать более глубокому пониманию сту- дентами специальных технологических курсов. Лабораторная работа 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ Цель работы: измерение поверхностного натяжения; определение зависимости поверхностного натяжения жидкостей от температуры, природы и концентрации растворенного вещества. Общие теоретические положения Поверхностное натяжение σ является важной характеристикой поверхности раздела фаз и поверхностных яв- лений. Оно характеризует избыток поверхностной энергии, приходящейся на единицу межфазной поверхности и выражается в Дж/м2 или Н/м. Чем больше различия в интенсивности межмолекулярных взаимодействий гранича- щих фаз, тем больше поверхностное натяжение. При температуре 20 °С поверхностное натяжение ртути составля- ет 485,0 мДж/м2, воды – 72,8 мДж/м2, этанола – 22,0 мДж/м, подсолнечного масла – 33,0 мДж/м, сливок – 42,0 мДж/м, вина – 45…55 мДж/м2. 2 2 2 Поверхностное натяжение раствора σ почти всегда отличается от поверхностного натяжения растворителя σ0, так как растворенные вещества в зависимости от их природы могут концентрироваться на поверхности раствора или переходить в объем раствора. Вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение, называются поверхностно- активными (ПАВ). ПАВ относительно воды являются спирты, органические кислоты, амины и др. Поверхностное натяжение индивидуальных веществ на границе с газом повышается с повышением темпера- туры, причем температурный коэффициент α имеет практически постоянное отрицательное значение. Для боль- шинства полярных жидкостей σT = σ 0 − α∆T , где σT и σ0 – поверхностное натяжение при температуре Т и стан- дартной температуре; ∆T – разность температур; α = –dσ/dt. Наиболее доступными для экспериментального измерения поверхностного натяжения являются системы жидкость–газ и жидкость–жидкость. Наиболее часто используют статические или полустатические методы, позво- ляющие измерять равновесные значения поверхностного натяжения жидкостей. К статическим относятся методы капиллярного поднятия жидкости и висячей (лежащей) капли. Полустатическими являются методы максимального давления в капле (пузырьке), отрыва кольца или пластины и сталагмометрический метод. Наиболее часто для оп- ределения поверхностного натяжения применяют следующие методы: наибольшего давления, сталагмометриче- ский, отрыва кольца и уравновешивания пластинки (метод Вильгельми). Метод наибольшего давления основан на продавливании пузырька газа или воздуха под воздействием внеш- нею давления р через калиброванный капилляр радиусом r0 (рис. 1.1, а). С увеличением давления пузырек растет, а радиус кривизны его поверхности R превышает радиус капилляра (положение 1: R > r0). Дальнейшее увеличение объема пузырька будет происходить до тех пор, пока внутреннее давление достигнет своего максимального значе- ния; радиус кривизны при этом будет минимальным, т.е. R = r0 (положение 2). а) б) в) г) Рис. 1.1 Методы определения поверхностного натяжения: а – наибольшего давления; б – сталагмометрический; в – отрыва кольца; г – уравновешивания пластинки В этот момент пузырек потеряет устойчивость: при увеличении его объема он отрывается от капилляра. Если в момент отрыва пузырька измерить давление р, то поверхностное натяжение можно выразить следующим обра- зом: 2σ pr p= →σ= 0 . (1.1) r0 2 Для того чтобы не измерять радиус капилляра, можно определить р для жидкости, поверхностное натяжение которой известно. В качестве эталонной жидкости часто используют воду. Тогда вместо формулы (1.1) можно за- писать p σ = σ H 2O . (1.2) p H 2O В сталагмометрическом методе определяют вес капли, которая отрывается от капилляра (см. рис 1.1, б) под действием силы тяжести или в результате выдавливания микрошприцом. Приближенно считают, что при отрыве вес капли Рк уравновешивается силой, равной поверхностному натяжению, умноженному на длину окружности капилляра радиусом r0 т.е. r0 σ Pk 1 P = 2π →σ= ; (1.3) k1 2πr0 σ = km , (1.4) где k – постоянная сталагмометра; m – масса одной капли. При измерении поверхностного натяжения методом наибольшего давления и сталагмометрическим методом пузырек и капля формируются сравнительно быстро за время, недостаточное для образования адсорбционного слоя растворенных молекул ПАВ, особенно, если они имеют сравнительно большую молекулярную массу. В этих условиях не успевает установиться равновесное поверхностное натяжение. Для подобных растворов рекомендует- ся увеличивать время формирования пузырька или капли до тех пор, пока давление или число капель станут по- стоянными. В методе отрыва кольца (см. рис. 1.1, в) измеряют силу F, которой противодействует поверхностное натяже- ние жидкости, смачивающей периметр поверхности кольца, r0 σ F = 4π . (1.5) k Коэффициент k является поправочным, он учитывает что поднимающийся при отрыве кольца столб жидкости не имеет формы правильного полого цилиндра. В методе уравновешивания пластинки (или методе Вильгельми) определяют силу F, необходимую для из- влечения из жидкости погруженной в нее тонкой пластинки шириной h (см. рис. 1.1, г), F = 2σh . (1.6) Перечисленные выше методы определения поверхностного натяжения доступны, но имеют один общий не- достаток – низкую точность измерений. Более точным является метод капиллярного поднятия в том случае, если капилляр хорошо смачивается водой, а его диаметр не изменяется по высоте, что в лабораторных условиях не все- гда соблюдается. Причем, чем меньше радиус капилляров, тем точнее результаты измерений поверхностного на- тяжения. В основе метода капиллярного поднятия лежит зависимость высоты поднятия жидкости h в узком капилляре от ее поверхностного натяжения. В соответствии с уравнением Лапласа избыточное давление связано с высотой h жидкости в капилляре соотношениями 2σ ∆p = ; (1.7) rm ∆ p = ∆ ρ gh , (1.8) где rm – радиус кривизны мениска жидкости в капилляре; ∆ρ – разность плотностей жидкости и газовой фазы; g – уско- рение свободного падения. Вводя так называемую капиллярную постоянную а, 2σ а2 = = rm h , (1.9) ∆ρg и учитывая угол смачивания θ жидкостью стенок капилляра радиусом r, из уравнений (1.8) и (1.9) получаем ∆ρgrh a 2 ∆ρg σ= = . (1.10) 2 cos θ 2 cos θ Последнее соотношение известно как уравнение Жюрена. Таким образом, для определения поверхностного натяжения жидкостей этим методом экспериментально находят высоту поднятия h, радиус капилляра r и угол сма- чивания θ. Метод капиллярного поднятия является одним из наиболее точных (относительная погрешность менее 0,01 %). Порядок выполнения лабораторной работы 1 Прежде чем приступить к выполнению практической части лабораторной работы, следует внимательно прочитать материалы теоретической части и изучить схему лабораторной установки (рис. 1.2). 2 Заполните сталагмометр исследуемой жидкостью (в том числе и носик) и закройте кран сталагмометра. 3 По секундомеру установите скорость истечения жидкости 15 – 20 капель в минуту. 4 Произведите подсчет капель истекающей из сталагмометра жидкости в мерный цилиндр объемом 10 мл. 5 Результат измерения числа капель исследуемой жидкости запишите в табл. 1.1. Для расчета используйте формулы (1.4) и данные табл. 1.2. 6 Вновь заполните сталагмометр исследуемой жидкостью. Установите следующую температуру в термоста- те и повторите измерение согласно пп. 3-4. Таким же образом проведите отсчет капель жидкости при всех указан- ных температурах. Результаты внесите в табл. 1.1. 20 °С 20 0 С 40 °С 1 40 0 С 1 60 °С 60 0 С 2 2 3 3 4 4 Рис. 1.2 Схема лабораторной установки: 1 – термостат; 2 – сталагмометр; 3 – мерный цилиндр; 4 – штатив 1.1 Результаты исследования зависимости σ от температуры Постоян- ная Объем Масса № Количество капель Поверхностное сталагмометра k, Темпера-тура t, °С жидкости одной опыта n, шт. натяжение σ, Дж/м2 Дж/(м2·кг) V, мл капли m, кг 1 20 2 40 3 60 1.2 Плотность некоторых жидкостей при различных температурах Плотность, кг/м3, при 7 Повторите измерения при по- Вещество 20 °С 40 °С 60 °С стоянной температуре, но при изме- нении концентрации исследуемой Вода 998 992 983 жидкости. Заполните табл. 1.3. Уксусная кислота 1048 1027 1004 8 Постройте графики зависимо- Этанол 789 772 754 сти поверхностного натяжения от температуры (σ = f (t °С)) и от кон- центрации (σ = f (с)) и сформулируйте выводы. 1.3 Результаты исследования зависимости σ от концентрации Постоянная ста- Концентрация Объем Поверхностное № Количество ка- Масса одной лагмо-метра k, исследуемой жидкости натяжение σ, опыта пель n, шт. капли m, кг Дж/(м2·кг) жидкости с, % V, мл Дж/м2 1 2 3 4 Вопросы для самоконтроля 1 Какова причина возникновения избыточной поверхностной энергии? 2 Что называется поверхностным натяжением? В каких единицах оно измеряется? 3 От чего зависит величина поверхностного натяжения? 4 Какие вещества называют поверхностно-активными? Приведите примеры ПАВ. 5 Какие методы измерения поверхностного натяжения Вы знаете? 6 В чем заключается сталагмометрический метод определения σ? 7 На чем основан метод капиллярного поднятия, использующийся для определения σ? 8 Какие величины в выполненной лабораторной работе являются экспериментальными (справочными, рас- четными)? Лабораторная работа 2 ИССЛЕДОВАНИЕ АДСОРБЦИИ ИЗ БИНАРНЫХ РАСТВОРОВ НА ТВЕРДЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ Цель работы: определение гиббсовской (избыточной) адсорбции на твердом адсорбенте из бинарных рас- творов; расчет гиббсовской адсорбции компонентов раствора по изменению состава раствора при адсорбции; по- строение изотерм избыточных величин адсорбции и их анализ. Общие теоретические положения Дисперсные системы характеризуются сильно развитой поверхностью раздела фаз, следовательно, ∆G = σS > 0. В любых дисперсных системах ∆G стремится к уменьшению за счет уменьшения σ или S. Адсорбция относится к поверхностным явлениям, приводящим к самопроизвольному уменьшению σ, т.е ∆G = σS < 0. Адсорбцией называется самопроизвольное перераспределение (сгущение, концентрирование) растворенного вещества из объема фазы на поверхность раздела фаз, отнесенное к единице поверхности. Процесс, обратный ад- сорбции, называется десорбцией. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсор- бентом (как правило, это вещество с большей плотностью). Вещество, которое может адсорбироваться, называет- ся адсорбтив, а которое уже адсорбировалось – адсорбат (как правило, это газообразные или жидкие вещества). В зависимости от агрегатного состояния адсорбента и адсорбтива различают адсорбцию на границе твердое тело – газ (т-г), жидкости и газа (ж-г) и твердого тела и жидкости (т-ж). При установлении равновесия адсорбция ↔ десорбция количество адсорбированного вещества в поверхностном слое зависит от концентрации, давления и температуры. Адсорбцию выражают в абсолютных и избыточных величинах. Абсолютная адсорбция (А) – это количество адсорбата на единице поверхности адсорбента. Она равна концентрации адсорбата в поверхностном слое сS ум- ноженной на толщину этого слоя h: А = cSh. (2.1) Избыток адсорбата в поверхностном слое по сравнению с его первоначальным количеством в этом слое ха- рактеризует избыточную, или так называемую гиббсовскую адсорбцию (Г). Она показывает, насколько увели- чилась концентрация адсорбата в результате адсорбции: Г = A – ch = Г – N, (2.2) где с – равновесная концентрация адсорбтива в объеме; N – количество адсорбата в адсорбционном слое, когда его концентрация на поверхности соответствует концентрации в объемной фазе. Когда концентрация адсорбата на поверхности адсорбента значительно превышает его концентрацию в объе- ме, т.е. сS >> с, то величиной N можно пренебречь и считать, что Г = А. В случае адсорбции на границе раздела жидкость – газ и адсорбции на твердых гладких поверхностях вели- чины Г и А определяют относительно единицы площади границы раздела фаз, т.е. размерность Г и А будет моль/м2. Для твердого и особенно пористого порошкообразного адсорбента, имеющего значительную поверх- ность раздела фаз, адсорбцию выражают по отношению к единице массы адсорбента, т.е. в этом случае величины Г и А имеют размерность моль/кг. Таким образом, величина адсорбции для i-го компонента Г i = n/S (моль/м 2) или Г i = n/т (моль/кг), (2.3) где n – избыточное число молей адсорбата i-го компонента на поверхности по сравнению с eго содержанием в объеме; S – площадь поверхности раздела фаз, м2; т – масса пористого порошкообразного адсорбента, кг. В случае адсорбции одного компонента уравнения (2.3) упрощаются: Г = n/S или Г = n/т, (2.4) Зависимости количества адсорбированного вещества от его концентрации в растворе при постоянной темпе- ратуре называют изотермами адсорбции (рис. 2.1). ГГ С S Рис. 2.1 Изотерма адсорбции (Т = const) Адсорбция на твердых поверхностях имеет большое практическое значение. Ее используют в пищевой хи- мической, металлургической и других отраслях промышленности. При повышении пористости адсорбента увели- чивается степень извлечения вещества из смеси. В пищевой промышленности процесс адсорбции используют для ос- ветления сиропов, соков, бульонов и т.д. На практике используется более 200 различных адсорбентов. Порядок выполнения лабораторной работы Ча сть 1 Адсорбция уксусной кислоты активированным углем 1 В соответствии с табл. 2.1. приготовьте 10 колб с растворами уксусной кислоты различной концентрации из исходного раствора концентрацией 0,3 М СН3СООН и дистиллированной воды. 2 Взвесьте 10 навесок активированного угля массой 1 г. 3 В колбы с растворами внесите навески адсорбента (по одной в каждую колбу) и оставьте на 45 мин, перио- дически взбалтывая, для установления адсорбционного равновесия в системе. 4 Отделите растворы от адсорбента фильтрованием. 5 Отберите пипеткой 10 мл фильтрата в стаканчик и титруйте раствором 0,1н NaОН, в присутствии 0,1 % раствора фенолфталеина до появления устойчивой бледно-розовой окраски. 2.1 Приготовление растворов и результаты исследования адсорбции уксусной кислоты активированным углем 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Объем исследуемой жидкости 0,3 М 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 СН3СООН, мл Объем растворите- – 5 10 15 20 25 30 35 40 45 ля, мл Объем щелочи по- шедшей на титро- вание 10 мл фильт- рата, мл Концентрация ук- сусной кислоты после адсорбции, г/м3 6 Вычислите концентрацию уксусной кислоты, оставшейся в растворе после адсорбции, и сравните ее с ис- ходной концентрацией. Постройте график зависимости и сформулируйте выводы. 7 Рассчитайте гиббсовскую адсорбцию и постройте изотерму адсорбции в координатах Г2 = f (х2). Ча сть 2 Адсорбция красителя активированным углем 1 В соответствии с табл. 2.2 приготовьте 10 колб с растворами бромфенол синего различной концентрации из исходного раствора концентрацией 0,005 г/л и дистиллированной воды. 2.2 Приготовление растворов и результаты исследования адсорбции бромфенола синего активированным углем 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Объем исследуемой 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 жидкости, мл Объем растворите- – 5 10 15 20 25 30 35 40 45 ля, мл Оптическая плот- ность, D 2 Взвесьте 10 навесок активированного угля массой 1 г. 3 В колбы с растворами внесите навески адсорбента (по одной в каждую колбу) и оставьте на 45 мин, перио- дически взбалтывая, для установления адсорбционного равновесия в системе. 4 Отделите растворы от адсорбента фильтрованием. 5 Измерьте величину оптической плотности при помощи ФЭК-56, с кюветами толщиной 10 мм и оранжевым светофильтром № 8. 6 Постройте график зависимости оптической плотности от концентрации красителя. 7 По калибровочной кривой определите содержание красителя после адсорбции. 8 Рассчитайте гиббсовскую адсорбцию и постройте изотерму адсорбции в координатах Г2 = f (х2). Вопросы для самоконтроля 1 Дайте определение процессу адсорбции. Какие виды адсорбции Вы знаете? 2 Что называют адсорбатом, адсорбтивом, адсорбентом? 3 В чем отличие адсорбции на твердых поверхностях от адсорбции на поверхности жидкости? 4 Приведите примеры адсорбентов, которые применяют в пищевой промышленности. 5 Какие уравнения используются для описания процессов адсорбции? 6 Почему при некоторых пищевых отравлениях рекомендуют принимать таблетки активированного угля? 7 Как рассчитать гиббсовскую адсорбцию из раствора и построить изотерму адсорбции? 8 Какие факторы влияют на величину гиббсовской адсорбции? Лабораторная работа 3 ИОННООБМЕННАЯ АДСОРБЦИЯ Цель работы: определение полной обменной емкости катионита и константы ионного обмена. Общие теоретические положения Ионообменная адсорбция представляет собой процесс обмена ионов между раствором и твердой фазой – ад- сорбентом. Вещества, способные к ионному обмену, получили название ионитов. В зависимости от того какой вид ионов участвует в обмене, иониты делят на катиониты и аниониты. Широкое применение ионообменная адсорбция получила с развитием синтетических ионитов на основе органических смол, сульфоуглей, ионцеллюлоз. Наиболее важное техническое использование ионитов – это получение в производственных условиях деми- нерализованной воды, т.е. воды, не содержащей растворенных солей, в том числе солей жесткости. Для полного обессоливания воды ее последовательно пропускают через катионитовый и анионитовый фильтры. В сахарной промышленности иониты применяют для очистки диффузионного сока от электролитов – патокообразователей, что позволяет повысить выход сахара и уменьшить количество менее ценной патоки. В молочной промышленно- сти катиониты используют для частичного удаления из молока ионов кальция и магния с заменой их на ионы ка- лия и натрия и удаления радиоактивных веществ. Анионитной обработкой можно заменить во фруктовых соках кислоты, имеющие неприятный вкус, например яблочную. Иониты нашли также широкое применение для очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов. Ионообменная адсорбция имеет большое значение для земле- делия, так как от природы поглощенных почвой катионов зависит ее плодородие. Количественной характеристикой ионита является полная обменная емкость (ПОЕ): V с ПОЕ = общ, (3.1) m где Vобщ – суммарный объем раствора, содержащий вытесненную из смолы кислоту; с – концентрация кислоты; m – масса ионита смолы в колонке. ПОЕ можно определить статическим или динамическим методом, основанным обычно на реакциях, проте- кающих в водных растворах: − − RS О 3 H+ + NaOH → RS О 3 Na+ + H2O; − − RN Н 3 OH+ + HCl → RN Н 3 Cl+ + H2O. При статическом методе смолу, например катионит в Н+-форме, титруют раствором щелочи. При динамиче- ском методе через колонку с ионообменной смолой пропускают раствор электролита и регистрируют зависимость концентрации поглощаемого иона в выходящем растворе (элюате) от объема пошедшего раствора (выходная кри- вая). В работе ПОЕ сульфокатионита в Н+-форме определяют динамическим методом по количеству кислоты в элюате, образующейся в результате вынесения из смолы ионов Н+ ионами Na+: − − RS О 3 H+ + Na+ + Cl– → RS О 3 Na+ + H+ + Cl–.

Цельработы

Знакомство с методами получения дисперсных систем, строением мицелл, устойчивостью коллоидных растворов.

Краткиетеоретическиесведения

Дисперсные системы – это гетерогенные системы, состоящие как минимум из двух фаз, одна из которых (дисперсная фаза ) является раздробленной, прерывной, а другая (дисперсионная среда ) представляет собой нераздробленную, непрерывную часть.

По размеру частиц дисперсные системы классифицируются так:

	Название системы	Характер и размеры	Гетерогенность и
		частиц, м	устойчивость
	Грубодисперсные системы	Крупные частицы,	Гетерогенны, неустойчивы
	(суспензии, эмульсии, аэрозоли)	10–5 –10–7
	Коллоидно-дисперсные	Коллоидные частицы,	Микрогетерогенны,
	системы (золи)	10–7 –10–9	довольно устойчивы
	Истинные растворы	Молекулы, ионы,	Гомогенны, устойчивы
		10 –10

Коллоидными растворами называют высокодисперсные гетерогенные системы, в которых хотя бы одно вещество находится в коллоидном состоянии. Вещество раздроблено до частиц размером 10–7 –10–9 м (дисперсная фаза), невидимых в оптический микроскоп, распределенных в дисперсионной среде.

Коллоидные растворы по размеру частиц занимают промежуточное положение между истинными растворами (10–10 м) и грубодисперсными системами (более 10–7 м), поэтому методы получения коллоидных систем можно разделить на две основные группы:

1) диспергирование – дробление крупных частиц до коллоидной дисперсности;

2) конденсация – соединение отдельных частиц растворенного вещества в более крупные частицы (агрегаты) коллоидных размеров.

Диспергационные методы включают прежде всего механические способы измельчения. Это истирание, дробление, удар, расщепление. В лабораториях и промышленности для этих целей используются дробилки, жернова

и мельницы различного типа (шаровые, коллоидные).

Химия. Лаб. практикум

Для уменьшения затрат энергии применяют поверхностно-активные вещества, присутствие которых облегчает диспергирование и наблюдается эффект адсорбционного понижения прочности, или эффект П. А.Ребиндера.

В настоящее время широко используется ультразвуковой метод, в котором разрывающие усилия возникают вследствие чередующихся локальных сжатий и расширений жидкости при прохождении волны.

Находит применение также метод вольтовой дуги, возникающей между электродами в жидкости (электрическое диспергирование ). Таким образом получают гидрозоли щелочных металлов.

В основе конденсационных методов получения дисперсных систем лежат процессы образования новой фазы из молекул, ионов, атомов в гомогенной среде. При этом система должна находиться в пересыщенном состоянии. Если химический потенциал вещества в новой фазе меньше, чем в исходной, то процесс возможен

По природе сил, вызывающих конденсацию, различают физическую и химическую конденсацию.

Физическая конденсация требует создания условий, при которых молекулы или ионы будут конденсироваться, образуя дисперсную фазу, причем конденсация должна прекратиться, когда частицы достигнут коллоидных размеров. Физическая конденсация может осуществляться из паров или путем замены растворителя.

Конденсация из паров достигается изменением параметров системы. Например, при понижении температуры пар становится пересыщенным и частично конденсируется, что приводит к возникновению новой фазы.

В методе замены растворителя изменяют состав и свойства среды. Например, в насыщенный раствор молекулярной серы в этиловом спирте вливают большой объем воды. Новый смешанный раствор оказывается пересыщенным, молекулы серы образуют частицы новой фазы. Этим методом получают золи серы, фосфора, мышьяка, канифоли, ацетилцеллюлозы, органических веществ. При этом исходные растворы веществ в этиловом спирте или ацетоне вливают в воду.

Методы химической конденсации также основаны на выделении новой фазы из пересыщенного раствора, но она образуется в результате химической реакции, например, реакций окисления, гидролиза, диссоциации, двойного обмена. Размер образующихся частиц зависит от соотношения скоростей образования зародыша и его роста. Для того чтобы получались мелкие частицы, первый фактор должен быть преобладающим. Реакцию надо

вести в разбавленном растворе, чтобы снизить скорость роста кристаллических частиц. Это позволяет получить частицы размером 10–7 –10–9 м, что обеспечивает седиментационную устойчивость системы.

Другое условие: одно из реагирующих веществ необходимо взять в избытке, чтобы сформировать на поверхности двойной электрический слой (ДЭС), который обеспечит агрегативную устойчивость. Например, реакция

AgNO3 + KCl = AgCl + KNO3 при определенных условиях приводит к получению новой фазы. При избытке хлорида калия на поверхности кристаллов

Химия. Лаб. практикум

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Краткие теоретические сведения

хлорида серебра образуется двойной электрический слой. Кристалл вместе с двойным электрическим слоем называется мицеллой. Его изображают в виде формулы мицеллы, в нашем случае она имеет вид

{m nCl– (n – x)K+ }x– xK+ .

В центре мицеллы находится кристаллическое тело, называемое агрегатом, на нем адсорбируются ионы, способные достраивать его кристаллическую решетку. Эти ионы сообщают агрегату электрический заряд и называются потенциалопределяющими, вместе они образуют ядро мицеллы. Ядро создает электростатическое поле, под действием которого к нему притягиваются из раствора противоионы, образующие адсорбционный и диффузный слои. Выражение в фигурных скобках представляет собой коллоидную частицу. Она состоит из кристалла m, потенциалопределяющих ионов nCl– , противоионов адорбционного слоя (n – x)K+ и ионов диффузного слоя мицеллы xK+ .

Мицелла электронейтральна, но коллоидная частица имеет заряд. Если заряды ионов внутренней и наружной обкладки неодинаковы, в формуле ставятся коэффициенты. Например, коллоидный раствор берлинской лазури можно получить по реакции

4FeCl3 + 3K4 = Fe4 3 + 12 KCl

Для случая избытка хлорида железа (III) формула мицеллы имеет вид

{m3 ] nFe3+ 3(n – x)Cl– } 3xCl–

Для получения дисперсных систем используется физико-химическое дробление осадков, или пептизация . Формально пептизацию можно отнести к методам диспергирования, но пептизируемый осадок – это уже диспергированный материал, доведенный до коллоидной степени измельчения, в котором частицы в результате слипания образовали крупные агрегаты. Существует три способа перевода такого осадка в коллоидный раствор.

Первый способ – адсорбционная пептизация . К осадку добавляется пептизатор, ионы которого образуют двойной электрический слой на поверхности частиц, что способствует их отталкиванию друг от друга. Например, к свежему рыхлому осадку гидроксида железа (III) прибавляют раствор хлорида железа (III), при этом возникает двойной электрический слой, и частицы уходят в раствор.

Второй способ – пептизация путем поверхностной диссоциации. При добавлении кислоты или щелочи к амфотерному гидроксиду алюминия образуются растворимые соединения, которые формируют двойной электрический слой.

Третий способ – пептизация путем промывания осадка. Он использу-

ется в том случае, когда из-за высокой концентрации электролита двойной электрический слой на поверхности частиц сжат. Промывание способствует снижению концентрации электролита и, как следствие, росту толщины двой-

Химия. Лаб. практикум

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Краткие теоретические сведения

ного электрического слоя, что приводит к увеличению расстояния действия сил отталкивания, а это вызывает коллоидное растворение осадка.

Важнейшей и сложнейшей проблемой коллоидной химии является устойчивость дисперсных систем. В коллоидных системах различают два вида устойчивости – седиментационную и агрегативную.

Дисперсная система считается седиментационно-устойчивой , если частицы не оседают и находятся в стабильном равновесии. Это возможно, если размеры частиц постоянны. Но частицы дисперсной фазы склонны укрупняться путем их слипания или перекристаллизации, что приводит к нарушению седиментационной устойчивости и выпадению осадка.

Агрегатная устойчивость – способность дисперсной системы сохранять неизменными размеры частиц. Устойчивость может быть потеряна за счет коагуляции , которая представляет собой процесс слипания частиц с образованием более крупных агрегатов. При этом теряется седиментационная устойчивость и наступает разрушение дисперсной системы с образованием осадков различной структуры, которые называются коагулятами. Коагуляция может наступить под воздействием температуры (нагревание, замораживание), химических агентов, механических факторов и других причин, способных разрушить энергетический барьер.

Все электролиты вызывают коагуляцию после достижения критического значения концентрации Ск , которое называют порогом коагуляции – это минимальная концентрация электролита в коллоидном растворе, вызывающая его коагуляцию. Коагулирующим действием обладает тот ион электролита, который имеет заряд, одинаковый с зарядом противоионов мицеллы. Коагулирующая способность ионов возрастает с ростом их заряда и размера.

Различают концентрационную и нейтрализационную коагуляции электролитами.

Концентрационная коагуляция наблюдается при увеличении концентрации электролита, при этом диффузный слой противоионов мицеллы сжимается, переходя в адсорбционный слой. В результате уменьшается электрокинетический потенциал, что приводит к коагуляции.

При нейтрализационной коагуляции ионы прибавляемого электролита нейтрализуют потенциалопределяющие ионы, они теряют заряд и слипаются.

Современная теория устойчивости дисперсных систем или теория ДЛФО (Дерягин, Ландау, Фервей, Овербек) утверждает, что между частицами дисперсной фазы действуют силы межмолекулярного притяжения и отталкивания. Их баланс определяет поведение системы. Согласно этой теории порог коагуляции определяется по формуле

Сk = const/z6 ,

где z – валентность иона – коагулятора.

Если принять Ск для одновалентного иона за единицу, то согласно уравнению

Химия. Лаб. практикум

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Краткие теоретические сведения

C1 k : С2 k : С3 k = 729: 114: 1

Как правило, экспериментальные и теоретические данные хорошо совпадают.

Экспериментальнаячасть

Опыт 1 Приготовлениедисперсныхсистем

методомфизическойконденсации(заменарастворителя)

Золь канифоли . К 10 мл дистиллированной воды добавьте при взбалтывании 15 капель 5 %-го раствора канифоли в этиловом спирте. Образуется молочно-белый золь канифоли в воде с отрицательным зарядом частиц. Почему в спирте канифоль образует истинный раствор, а в воде – коллоидный?

Золь серы . К 50 мл воды добавьте при взбалтывании 1 мл насыщенного раствора серы в ацетоне. Образуется голубовато-белый опалесцирующий золь серы с отрицательным зарядом коллоидных частиц.

Золь серы . К 50 мл воды добавьте при взбалтывании 4-5 мл насыщенного раствора серы в этиловом спирте. Образуется голубоватый опалесцирующий золь серы в виде отрицательно заряженных коллоидных частиц.

Золь антрацена . К 50 мл воды добавьте из капельницы при взбалтывании 0,5 мл насыщенного раствора антрацена в этиловом спирте. Образуется бело-голубой опалесцирующий золь антрацена в воде с отрицательно заряженными коллоидными частицами.

Золь парафина . К 50 мл воды добавьте из капельницы при взбалтывании 1 мл насыщенного раствора парафина в этиловом спирте. Образуется опалесцирующий золь парафина в виде отрицательно заряженных коллоидных частиц.

Опыт 2 Приготовлениедисперсныхсистем методомхимическойконденсации

Золь металлического серебра . Соль серебра восстановите танином в щелочной среде до металла. Для этого 2 мл 1,7 %-го раствора нитрата серебра разбавьте водой до 100 мл и введите 1 мл 0,1 %-го раствора танина, затем 3-4 капли 1 %-го раствора карбоната калия. Образуется красно-коричневый отрицательный золь металлического серебра. Реакция в щелочной средебудет

6AgNO3 + C76 H52 O46 + 3K2 CO3 =

6Ag + C76 H52 O49 + 6KNO3 + 3CO2

Химия. Лаб. практикум

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Экспериментальная часть

Внутренняя обкладка ДЭС образована, видимо, ионами ОН– , которые адсорбированы на серебре.

Золь диоксида марганца. 5 мл 1 %-го раствора перманганата калия разбавьте водой до 50 мл и по каплям добавьте 2 мл 1 %-го раствора тиосульфата натрия. Образуется вишнево-красный золь диоксида марганца.

Золь диоксида марганца . 5 мл 1,5 %-го раствора перманганата калия разбавьте водой до 100 мл, нагрейте до кипения. В течение 15 мин введите небольшими порциями (по 0,5 мл) 5 мл концентрированного аммиака. Образуется красно-коричневый золь диоксида марганца.

Золь иодида серебра . 10 капель 1,7 %-го раствора нитрата серебра разбавьте водой до 100 мл и добавьте по каплям при взбалтывании 1 мл 1,7 %-го раствора иодида калия. Образуется голубоватый опалесцирующий золь иодида серебра.

Золь берлинской лазури . 0,1 мл насыщенного раствора FeCl3 разведите в 100 мл воды. В разбавленный раствор введите при взбалтывании 1 каплю 20 %-го раствора K4 . Образуется золь берлинской лазури синего цвета Fe4 3 .

Золь гидроксида железа . К 50 мл кипящей дистиллированной воды прибавьте небольшими порциями 5–10 мл 2 %-го раствора FeCl3 . В результате гидролиза образуется золь гидроксида железа вишнево-красного цвета.

Опыт 3 Получениедисперсныхсистемметодомдиспергирования

Золь флуоресцеина . К 5 мл дистиллированной воды добавьте 2-3 капли раствора соды и внесите маленькую крупинку флуоресцеина. Встряхните раствор, обратите внимание на его цвет в проходящем и отраженном свете.

Золь крахмала . 0,5 г крахмала тщательно разотрите в фарфоровой ступке, перенесите в фарфоровую чашку и перемешайте с 10 мл дистиллированной воды, после чего добавьте еще 90 мл воды. При постоянном перемешивании доведите смесь до кипения. Получится 0,5 %-й золь крахмала.

Золь желатина . 0,5 г желатина залейте 50 мл дистиллированной воды и нагрейте на водяной бане при 40–50 о С до полного растворения набухшего желатина.

Золь яичного альбумина . В мерную колбу на 100 мл внесите 10 г порошка альбумина или белок куриного яйца и взболтайте с 50 мл холодной дистиллированной воды до полного растворения. Долейте водой колбу до метки. Получается золь белка.

Суспензия мела. Налейте в 2 пробирки дистиллированной воды до половины объема, в одну из них добавьте 1 мл 0,5 %-й раствор желатина. Затем внесите в пробирки по 2 г мела и сильно взболтайте. В пробирке с желатином (стабилизатор суспензии) образовалась устойчивая суспензия мела.

Химия. Лаб. практикум

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Экспериментальная часть

Получениезолягидроксидажелеза(III) пептизацией

К 5 мл 2 %-го раствора FeCl3 добавьте 20 мл воды, затем добавляйте концентрированный раствор аммиака до образования осадка Fe(OH)3 . Полученный осадок промойте дистиллированной водой и отделите декантацией (декантация – сливание жидкости с отстоявшегося осадка). Для этого осадок взболтайте с большим количеством воды, а после отстаивания прозрачную жидкость над осадком осторожно слейте. О конце отмывания судят по отсутствию запаха аммиака. Промытый осадок разлейте в две колбы. В одну прибавьте в качестве пептизатора раствор хлорида железа (III) (2 мл насыщенного раствора разводят водой до 100 мл), а другую оставьте для сравнения. Осадок с пептизатором взболтайте и осторожно нагрейте до кипения. При наступлении пептизации получается красно-коричневый золь гидроксидажелеза (III).

Опыт 5 Коагуляциязолейэлектролитамииопределениепорогакоагуляции

Налейте в пробирку 5 мл золя гидроксида железа (III), а в бюретку – 0,002 М раствора сульфата натрия. Из бюретки медленно приливайте раствор сульфата натрия в пробирку с золем гидроксида железа (III) при тщательном перемешивании. Признаком начала коагуляции считается помутнение золя по всему объему раствора. Вычислите порог коагуляции по формуле

C k = 5 1000 ,

где с – концентрация электролита, моль/л; ν – объем израсходованного электролита, мл; Ck – порог коагуляции, моль/л.

Повторите опыт, взяв в качестве коагулирующего электролита 0,002 М раствора Na3 PO4 . Определите порог коагуляции. Данные опытов занесите в таблицу:

Электролит	Коагулирующий ион	Порог коагуляции	Относительная
			коагулирующая способность
Na2 SO4	2−
	SO 4
Na3 PO4	3−
	PO 4

Относительная коагулирующая способность вычисляется делением более высокого порога коагуляции на более низкий порог коагуляции. Объясните, почему коагулирующая способность одного иона выше, чем другого?

Химия. Лаб. практикум

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Примерырешениятиповыхзадач

П р и м е р 1. Напишите формулу мицеллы для реакции

Na2 SO4 + BaCl2 = BaSO4 ↓ + 2NaCl – стабилизатор (избыток) Na2 SO4 .

Р е ш е н и е. Сульфат бария выпадает в осадок, его молекулы объединяются и образуют ядро коллоидной частицы m. На поверхности ядра адсорбируются из раствора ионы стабилизатора SO4 2– , близкие по природе к составу ядра, и частица приобретает отрицательный заряд. Эти адсорбированные ионы называются потенциалопределяющими. Отрицательно заряженная частица притягивает из раствора ионы противоположного знака – противоионы Ва2+ . Противоионы находятся в движении и часть их адсорбируется на частице. Адсорбированные потенциалопределяющие ионы и противоионы образуют адсорбционный слой. Другая часть противоионов находится в жидкой фазе и образует подвижный диффузионный слой. Ядро вместе с адсорбционным слоем называется коллоидной частицей и имеет заряд, одинаковый с зарядом потенциалопределяющего иона. Коллоидная частица и противоионы диффузного слоя образуют мицеллу. Заряд мицеллы равен нулю.

Строение мицеллы золя BaSO4 можно представить следующей схе-

{m nSO 2 4 − (n – x)Na+ }x– xNa+ .

П р и м е р 2. В каком порядке следует сливать растворы Na2 SO4 и BaCl2 , чтобы получить коллоидную частицу, несущую положительный электрический заряд?

Р е ш е н и е. В примере 1 получена коллоидная частица с отрицательным зарядом. Чтобы перезарядить ее, необходимо взять в качестве стабилизатора (в избытке) раствор BaCl2 и к нему приливать раствор Na2 SO4 . В данном случае в качестве потенциалопределяющих ионов будут адсорбироваться ионы Ва2+ , и частица приобретет положительный заряд, противоионы

– Cl– . Формула образующейся мицеллы будет иметь вид

{m nBa2+ (n – x)Cl– }x+ xCl– .

П р и м е р 3. Золь иодида серебра, получаемый по реакции

KJ + AgNO3 = AgJ + KNO3

Химия. Лаб. практикум

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Примеры решения типовых задач

при некотором избытке KJ, коагулируют растворами сульфата калия и ацетата кальция. Коагулирующее действие какого электролита сильнее?

Р е ш е н и е. Строение мицеллы золя следующее:

{m (n – x)J– xK+ }x– nK+ .

Ионами, образующими диффузный слой, т. е. противоионами, являются катионы К+ . Следовательно, при выяснении коагулирующего действия необходимо сравнить заряды катионов вводимого электролита. Так как заряд иона Са2+ выше заряда иона К+ , то в соответствии с правилом Шульце-Гарди коагулирующее действие Са(СН3 СОО)2 сильнее.

П р и м е р 4. Как изменится порог коагуляции золя As2 S3 , если для коагуляции 10 10–6 м3 золя потребуется 1,2 10–6 м3 раствора NaCl с концентрацией 0,5 кмоль/м3 ? Определите порог коагуляции под действием раствора MgCl2 концентрацией 0,036 кмоль/м3 (его потребуется 0,4 10–6 м3 на

10 10–6 м3 золя) и раствора AlCl3 концентрацией 0,01 кмоль/м3 (его потребуется 0,1 10–6 м3 на 10 10–6 м3 золя). Проверьте выполнение условия C1 k : С2 k : С3 k = = 729: 114: 1 = 1: (1/26 ) : (1/36 ) = 1: 0,016: 0,0014.

Р е ш е н и е. Воспользуемся формулой

Ck = cV w ,

где с – концентрация электролита (кмоль.м-3 ); V – объем раствора электролита; w – объем золя.

Формула справедлива при (V << w):

Ck (NaCl) =	0,5 1, 2 10− 6
		10− 6
	0,036 0, 4 10− 6
Ck (MgCl2 ) =					1,44 10 кмоль/м,
	10 10− 6
Ck (AlCl3 ) =		0,01 0,1 10− 6
		10 10− 6

Ck (NaCl): Ck (MgCl2 ): Ck (AlCl3 ) = 6 10–2 :1,44 10–3 :1 10–4 = 1:0,024:0,0017.

Из полученных расчетов следует, что условие коагуляции разноименно заряженными ионами удовлетворительно выполняется.

Химия. Лаб. практикум

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14. ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Контрольныевопросыизадачи

1. Какие системы называются дисперсными?

2. Чем отличаются истинные растворы, коллоидные и грубодисперсные системы?

3. Назовите методы получения дисперсных систем.

4. Чем объясняется устойчивость золей?

5. Что такое пептизация? Каковы виды пептизации?

6. Что такое химическая и физическая конденсация?

7. Какие условия должны соблюдаться при получении золя методом химической конденсации?

8. Напишите формулу мицеллы для реакций:

а) AgNO3 + NaCl = AgCl + NaNO3 – стабилизатор NaCl.

б) K4 + 2CuSO4 = Cu2 + 12KCl – стабилизаторCuSO4 .

9. Какой процесс называют коагуляцией и какой седиментацией?

10. Что такое порог коагуляции?

11. Как меняется коагулирующее действие электролита с ростом заряда ионакоагулятора и его размера?

12. На каких представлениях базируется теория ДЛФО?

13. Почему электролиты вызывают коагуляцию дисперсных систем?

14. Что такое нейтрализационная коагуляция и чем она отличается от концентрационной коагуляции?

Химия. Лаб. практикум

Лабораторная работа №2

Тема: Приготовление суспензии карбоната кальция в воде. Получение эмульсии моторного масла. Ознакомление со свойствами дисперсных систем.

Цели: изучить способы приготовления эмульсий и суспензий;научиться отличать коллоидный раствор от истинного; отработать навыки экспериментальной работы, соблюдая правила техники безопасности при работе в кабинете химии.

Методические указания:

Дисперсные системы – это системы, в которых мелкие частицы вещества, или дисперсная фаза, распределены в однородной среде (жидкость, газ, кристалл), или дисперсионной фазе

Химия дисперсных систем изучает поведение вещества в сильно раздробленном, высокодисперсном состоянии, характеризующемся очень высоким отношением общей площади поверхности всех частиц к их общему объему или массе (степень дисперсности).

От названия коллоидных систем произошло название отдельной области химии – коллоидной. «Коллоидная химия» – традиционное название химии дисперсных систем и поверхностных явлений. Важнейшая особенность дисперсного состояния вещества состоит в том, что энергия системы главным образом сосредоточена на поверхности раздела фаз. При диспергировании, или измельчении, вещества происходит значительное увеличение площади поверхности частиц (при постоянном суммарном их объеме). При этом энергия, затрачиваемая на измельчение и на преодоление сил притяжения между образующимися частицами, переходит в энергию поверхностного слоя – поверхностную энергию. Чем выше степень измельчения, тем больше поверхностная энергия. Поэтому область химии дисперсных систем (и коллоидных растворов) считают химией поверхностных явлений.

Коллоидные частицы настолько малы (содержат 103–109 атомов), что не задерживаются обычными фильтрами, не видны в обычный микроскоп, не оседают под действием силы тяжести. Их устойчивость со временем снижается, т.е. они подвержены «старению». Дисперсные системы термодинамически неустойчивы и стремятся к состоянию с наименьшей энергией, когда поверхностная энергия частиц становится минимальной. Это достигается за счет уменьшения общей площади поверхности при укрупнении частиц (что может также происходить при адсорбции на поверхности частиц других веществ).

Классификация дисперсных систем

Дисперсная фаза	Дисперсионная	Название системы
		(Дисперсная система не образуется)
	Жидкость		Пена газированной воды, пузырьки газа в жидкости, мыльная пена
	Твердое тело	Твердая пена	Пенопласт, микропористая резина, пемза, хлеб, сыр
Жидкость		Аэрозоль	Туман, облака, струя из аэрозольного баллона
	Жидкость	Эмульсия	Молоко, сливочное масло, майонез, крем, мазь
	Твердое тело	Твердая эмульсия	Жемчуг, опал
Твердое тело		Аэрозоль, порошок	Пыль, дым, мука, цемент
	Жидкость	Суспензия, золь (коллоидный раствор)	Глина, паста, ил, жидкие смазочные масла с добавкой графита или MoS
	Твердое тело	Твердый золь	Сплавы, цветные стекла, минералы

Методы исследования дисперсных систем (определение размера, формы и заряда частиц) основаны на изучении их особых свойств, обусловленных гетерогенностью и дисперсностью, в частности оптических. Коллоидные растворы обладают оптическими свойствами, отличающими их от настоящих растворов, – они поглощают и рассеивают проходящий через них свет. При боковом рассматривании дисперсной системы, через которую проходит узкий световой луч, внутри раствора на темном фоне виден светящийся голубоватый так называемый конус ТиндаляКонус Тиндаля тем ярче, чем выше концентрация и больше размер частиц. Интенсивность светорассеяния усиливается при коротковолновом излучении и при значительном отличии показателей преломления дисперсной и дисперсионной фаз. С уменьшением диаметра частиц максимум поглощения смещается в коротковолновую часть спектра, и высокодисперсные системы рассеивают более короткие световые волны и поэтому имеют голубоватую окраску. На спектрах рассеяния света основаны методы определения размера и формы частиц.

При определенных условиях в коллоидном растворе может начаться процесс коагуляции. Коагуляция – явление слипания коллоидных частиц и выпадения их в осадок. При этом коллоидный раствор превращается в суспензию или гель. Гели или студни представляют собой студенистые осадки, образующиеся при коагуляции золей. Со временем структура гелей нарушается (отслаивается) – из них выделяется вода(явление синерезиса

Приборы и реактивы; ступка с пестиком, ложка-шпатель, стакан, стеклянная палочка, фонарик, пробирка; вода, карбонат кальция (кусочек мела), масло, ПАВ, мука, молоко, зубная паста, раствор крахмала, раствор сахара. Ход работы: 1 Инструктаж по ТБ Меры безопасности: Осторожно использовать стеклянную посуду. Правила первой помощи: При ранении стеклом удалите осколки из раны, смажьте края раны раствором йода и перевяжите бинтом. При необходимости обратиться к врачу.

Опыт № 1. Приготовление суспензии карбоната кальция в воде

Суспензии имеют ряд общих свойств с порошками, они подобны по дисперсности. Если порошок поместить в жидкость и перемешать, то получится суспензия, а при высушивании суспензия снова превращается в порошок.

В стеклянную пробирку влить 4-5мл воды и всыпать 1-2 ложечки карбоната кальция. Пробирку закрыть резиновой пробкой и встряхнуть пробирку несколько раз. Опишите внешний вид и видимость частиц. Оцените способность осаждаться и способность к коагуляции Запишите наблюдения.

На что похожа полученная смесь?

Опыт № 2. Получение эмульсии моторного масла

В стеклянную пробирку влить 4-5мл воды и 1-2 мл масла, закрыть резиновой пробкой и встряхнуть пробирку несколько раз. Изучить свойства эмульсии. Опишите внешний вид и видимость частиц Оцените способность осаждаться и способность к коагуляции Добавьте каплю ПАВ (эмульгатора) и перемешайте ещё раз. Сравните результаты. Запишите наблюдения.

Опыт № 3. Приготовление коллоидного раствора и изучение его свойств

В стеклянный стакан с горячей водой внести 1-2 ложечки муки(или желатина), тщательно перемешать. Оцените способность осаждаться и способность к коагуляции. Пропустить через раствор луч света фонарика на фоне темной бумаги. Наблюдается ли эффект Тиндаля?

Вопросы для выводов

Как отличить коллоидный раствор от истинного?

Значение дисперсных систем в повседневной жизни.

Лабораторная работа №1

Ознакомление со свойствами смесей и дисперсных систем

Цель: получить дисперсные системы и исследовать их свойства

Оборудование: пробирки, штатив*

Реактивы: дистиллированная вода, раствор желатина, кусочки мела, раствор серы

Методические указания:

1. Приготовление суспензии карбоната кальция в воде.

Налить в 2 пробирки по 5мл дистиллированной воды.

В пробирку №1 добавить 1мл 0,5%-ного раствора желатина.

Затем в обе пробирки внести небольшое количество мела и сильно взболтать.

Поставить обе пробирки в штатив и наблюдать расслаивание суспензии.

Ответьте на вопросы:

Одинаково ли время расслаивания в обеих пробирках? Какую роль играет желатин? Что является в данной суспензии дисперсной фазой и дисперсионной средой?

2. Исследование свойств дисперсных систем

К 2-3мл дистиллированной воды добавьте по каплям 0,5-1мл насыщенного раствора серы. Получается опалесцирующий коллоидный раствор серы. Какую окраску имеет гидрозоль?

3. Напишите отчет:

В ходе работы отобразите проведенные опыты и их результат в виде таблицы:

	Цель	Схема опыта	Результат
	Приготовить суспензию карбоната кальция в воде
	Исследовать свойства дисперсных систем

Сделайте и запишите вывод о проделанной работе.

Практическая работа №2

Приготовление раствора заданной концентрации

Цель: приготовить растворы солей определенной концентрации.

Оборудование: стакан, пипетка, весы, стеклянная лопаточка, мерный цилиндр

Реактивы: сахар, поваренная соль, пищевая сода, холодная кипяченая вода

Методические указания:

Приготовьте раствор вещества с указанной массовой долей вещества (данные указаны в таблице для десяти вариантов).

Произведите расчеты: определите, какую массу вещества и воды потребуется взять для приготовления раствора, указанного для вашего варианта.

варианта	наименование	массовая доля вещества	масса раствора
	поваренная соль
	пищевая сода
	поваренная соль
	пищевая сода
	поваренная соль
	пищевая сода

1. Отвесьте соль и поместите ее в стакан.

2. Отмерьте измерительным цилиндром необходимый объем воды и вылейте в колбу с навеской соли.

Внимание! При отмеривании жидкости глаз наблюдателя должен находиться в одной плоскости с уровнем жидкости. Уровень жидкости прозрачных растворов устанавливают по нижнему мениску.

3. Напишите отчет о работе:
-укажите номер практической работы , ее название, цель, используемое оборудование и реактивы;

Оформите расчеты в виде задачи;

Схемой отобразите приготовление раствора;

Сделайте и запишите вывод.

Лабораторная работа №2

Свойства неорганических кислот

Цель: изучить свойства неорганических кислот на примере соляной кислоты

Оборудование: пробирки, шпатель, пипетка, пробиркодержатель, спиртовка*

Реактивы: раствор соляной кислоты, лакмус, фенолфталеин, метилоранж; гранулы цинка и меди, оксид меди, раствор нитрата серебра.

Методические указания:

1. Испытание растворов кислот индикаторами:

В три пробирки налейте раствор соляной кислоты и поставьте их в штатив.

В каждую из пробирок добавьте несколько капель каждого индикатора: 1- метилоранж, 2- лакмус, 3- фенолфталеин. Зафиксируйте результат.

Индикатор
	нейтральная	щелочная
Фенолфталеин	бесцветный	бесцветный
метилоранж			оранжевый

2. Взаимодействие кислот с металлами:

Возьмите две пробирки и поместите в 1 – гранулу цинка, во 2 – гранулу меди.

3. Взаимодействие с оксидами металлов:

Поместите в пробирку порошок оксида меди (II), прилейте раствора соляной кислоты. Нагрейте пробирку и зафиксируйте результат и объясните.

4. Взаимодействие с солями:

В пробирку налейте раствор нитрата серебра и добавьте раствор соляной кислоты. Результат зафиксируйте и объясните.

5. Напишите отчет о работе:

Укажите номер лабораторной работы, ее название, цель, используемое оборудование и реактивы;

Заполните таблицу

	Наименование опыта	Схема проведения опыта	Наблюдения	Объяснение наблюдений	Химическое уравнение реакции

*(при наличии технической возможности) компьютер, OMS модуль

Лабораторная работа №3

«Факторы, влияющие на скорость химической реакции»

Цель: выявить зависимость скорости химической реакции от различных факторов.

Оборудование: пробирки, стаканы, шпатель, электроплитки, колбы, мерный цилиндр, штатив, газоотводные трубки, весы, воронка, фильтровальная бумага, стеклянная палочка*

Реактивы: гранулы цинка, магния железа, кусочки мрамора, соляная и уксусная кислота; цинковая пыль; пероксид водорода , оксид марганца (II).

Методические указания:

1. Зависимость скорости химической реакции от природы веществ.

Налейте в три пробирки раствор соляной кислоты. В первую пробирку положите гранулу магния, во вторую – гранулу цинка, в третью – гранулу железа.

Возьмите 2 пробирки: в 1 – налейте соляной кислоты, во 2 – уксусной кислоты. В каждую пробирку положите по одинаковому кусочку мрамора. Зафиксируйте наблюдения, определите какая реакция идет с большей скоростью и почему.

2. Зависимость скорости химической реакции температуры.

В два химических стакана налейте одинаковое количество соляной кислоты и накройте их стеклянной пластинкой. Поставьте оба стакана на электроплитку: для первого стакана установите температуру - 20˚С, для второго - 40˚С. На каждую стеклянную пластинку положите по грануле цинка. Приведите приборы в действие, одновременным сбрасыванием гранул цинка с пластинок. Зафиксируйте наблюдений и объясните.

3. Зависимость скорости химической реакции от площади соприкосновения реагентов.

Соберите две одинаковых установки:

В колбы налейте по 3 мл соляной кислоты одинаковой концентрации, установите их горизонтально на штативе, шпателем в первую колбу (в ее горлышко) поместите порошок цинка, во вторую – гранулу цинка. Закройте колбы газоотводными т рубками. Одновременно приведите приборы в действие повернув их в вертикальную плоскость на 90 градусов против часовой стрелки.

4. Зависимость скорости химической реакции от катализатора.

В два химических стакана налейте одинаковое количество 3% пероксида водорода. Взвесьте один шпатель катализатора – оксида марганца (II). В первый стакан добавьте взвешенный катализатор. Что наблюдаете, оцените скорость разложения пероксида водорода с катализатором и без него.

5. Напишите отчет:

Проведенные опыты, их результаты и объяснения зафиксируйте в виде таблицы

	Наименование опыта	Схема проведения опыта	Наблюдения	Объяснение наблюдений	Химическое уравнение реакции

Сформулируйте и запишите вывод о влияние каждого фактора на скорость химической реакции

*(при наличии технической возможности) компьютер, OMS модуль

Практическая работа №3

Решение экспериментальных задач по теме: «Металлы и неметаллы»

Цель: научиться распознавать предложенные вам вещества, используя знания об их химических свойствах.

Оборудование: штатив с пробирками

Реактивы: растворы нитрата натрия, сульфата натрия, хлорида натрия, фосфата натрия, нитрата бария, нитрата кальция, нитрата серебра и нитрата меди

Методические указания:

1. Распознавание неметаллов:

В четырех пробирках находятся растворы: 1 - нитрата натрия, 2 - сульфата натрия, 3 – хлорид натрия, 4 – фосфат натрия, определите в какой из пробирок находится каждое из указанных веществ (для определения аниона следует подобрать такой катион, с которым анион даст осадок).

	1 - нитрата натрия	2 - сульфата натрия	3 – хлорид натрия	4 – фосфат натрия
Вещество (идентификатор)
Наблюдения
Химическая реакция

2. Распознавание металлов:

В четырех пробирках находятся растворы: 1 – нитрата бария, 2 – нитрата кальция, 3 - нитрата серебра, 4 – нитрат меди, определите в какой из пробирок находится каждое из указанных веществ (для определения катиона металла следует подобрать такой анион, с которым катион даст осадок).

Результаты проведенных опытов зафиксируйте в отчетной таблице:

	1 - нитрата бария	2 – нитрат кальция	3 – нитрат серебра	4 – нитрат меди
Вещество (идентификатор)
Наблюдения
Химическая реакция

Укажите номер практической работы, ее название, цель, используемое оборудование и реактивы;

Заполните отчетные таблицы

Напишите вывод о способах идентификации металлов и неметаллов.

Лабораторная работа №4

«Изготовление моделей молекул органических веществ»

Цель: построить шаростержневые и масштабные модели молекул первых гомологов предельных углеводородов и их галогенопроизводных.

Оборудование: набор шаростержневых моделей.

Методические указания.

Для построения моделей используйте детали готовых наборов или пластилин с палочками. Шарики, имитирующие атомы углерода, готовят обычно из пластилина темной окраски, шарики, имитирующие атомы водорода, - из светлой окраски, атомы хлора – из зеленого или синего цвета. Для соединения шариков используют палочки.

Ход работы:

1. Соберите шаростержневую модель молекулы метана. На «углеродном» атоме наметьте четыре равноудаленные друг от друга точки и вставьте в них палочки, к которым присоединены «водородные» шарики. Поставьте эту модель (у нее должны быть три точки опоры). Теперь соберите масштабную модель молекулы метана. Шарики «водорода» как бы сплющены и вдавлены в углеродный атом.

Сравните шаростержневую и масштабную модели между собой. Какая модель более реально передает строение молекулы метана? Дайте пояснения.

2. Соберите шаростержневую и масштабную модели молекулы этана. Изобразите эти модели на бумаги в тетради.

3. Соберите шаростержневые модели бутана и изобутана. Покажите на модели молекулы бутана, какие пространственные формы может принимать молекула, если происходит вращение атомов вокруг сигма связи. Изобразите на бумаге несколько пространственных форм молекулы бутана.

4. Соберите шаростержневые модели изомеров C5H12 . изобразите на бумаге.

5. Соберите шаростержневую модель молекулы дихлорметана CH2Cl2

Могут ли быть изомеры у этого вещества? Попытайтесь менять местами атомы водорода и хлора. К какому выводу вы приходите?

6. Напишите отчет:

Укажите номер лабораторной работы, ее название, цель, используемое оборудование;

Зафиксируйте выполненные задания в виде рисунка и ответов на вопросы к каждому заданию

Сформулируйте и запишите вывод.

Практическая работа №4

Решение экспериментальных задач по теме: «Углеводороды»

Цель: научиться распознавать предложенные вам углеводороды, используя знания об их химических свойствах.

Методические указания:

Проанализируйте, как можно распознать пропан, этилен, ацетилен, бутадиен и бензол, исходя из знаний об их химических и физических свойствах

Результаты анализа зафиксируйте в отчетной таблице:

			ацетилен	бутадиен
физические свойства
химические свойства

(укажите в таблице только наиболее отличительные свойства каждого из классов углеводородов)

3. Напишите отчет и сформулируйте вывод:

Укажите номер практической работы, ее название и цель

Заполните отчетную таблицу

Напишите вывод о способах идентификации углеводородов.

Лабораторная работа №5

«Свойства спиртов и карбоновых кислот»

Цель: на примере этанола, глицерина и уксусной кислоты изучить свойства предельных одноатомных спиртов, многоатомных спиртов и карбоновых кислот.

Оборудование: пробирки,металлические щипцы, фильтровальная бумага, фарфоровая чашка, газоотводная трубка, спички, шпатель, штатив, штатив для пробирок*

Реактивы: этанол, металлический натрий; сульфат меди(II), гидроксид натрия, глицерин; уксусная кислота, дистиллированная вода, лакмус, гранулы цинка, оксид кальция, гидроксид меди, мрамор, гидроксид кальция.

1. Свойства предельных одноатомных спиртов.

В две пробирки налейте этилового спирта.

В 1 добавьте дистиллированной воды и несколько капель лакмуса. Зафиксируйте наблюдения и объясните.

Во вторую пробирку металлическими щипцами поместите кусочек натрия, предварительно промокнув его в фильтровальной бумаге. Зафиксируйте наблюдения и объясните.

Выделяющийся газ соберите в пустую пробирку. Не переворачивая пробирку, поднесите к ней зажженную спичку. Зафиксируйте наблюдения и объясните.

В фарфоровую чашку налейте небольшое количество этилового спирта. С помощью лучинки подожгите спирт в чашке. Зафиксируйте наблюдения и объясните.

2. Качественная реакция на многоатомные спирты.

В пробирку налейте раствор сульфата меди (II) и раствор гидроксида натрия. Зафиксируйте наблюдения и объясните.

Затем прилейте небольшое количество глицерина. Зафиксируйте наблюдения и объясните.

3. Свойства предельных карбоновых кислот.

В пять пробирок налейте уксусной кислоты.

В 1 прилейте небольшое количество дистиллированной воды и несколько капель лакмуса. Во 2 поместите гранулу цинка. Выделяющийся газ соберите в пустую пробирку, и проверьте его на горючесть.

В 3 поместите один шпатель оксида кальция.

В 4 поместите один шпатель гидроксида меди.

В 5 поместите кусочек мрамора. Выделяющийся газ пропустите через раствор гидроксида кальция.

Зафиксируйте наблюдения в каждой из пяти пробирок, напишите уравнения химических реакций и объясните наблюдаемые изменения.

4. Напишите отчет по указанному ниже плану:

Укажите номер лабораторной работы, ее название, цель, используемое оборудование и реактивы;

Проведенные опыты, их результаты и объяснения зафиксируйте в виде таблицы (на двойном развороте страницы)

	Наименование опыта	Схема проведения опыта (описание действий)	Наблюдения	Объяснение наблюдений	Химические уравнения реакций
предельные одноатомные спирты
многоатомные спирты
карбоновые кислоты

Сформулируйте и запишите вывод о свойствах спиртов и карбоновых кислот

*(при наличии технической возможности) компьютер, OMS модуль

Лабораторная работа №6

«Свойства жиров и углеводов»

Цель: изучить свойства углеводов и доказать непредельный характер жидких жиров.

Оборудование: пробирки, мерная пипетка, спиртовка, стеклянная палочка, пробиркодержатель*

Реактивы: аммиачный раствор оксида серебра, раствор глюкозы, раствор сахарозы, раствор гидроксида натрия, раствор сульфата меди (II), растительное масло, бромная вода.

1. Свойства углеводов:

А) Реакция «серебряного зеркала»

В пробирку налейте аммиачный раствор оксида серебра (I). Добавьте пипеткой немного раствора глюкозы. Зафиксируйте наблюдения, объясните их исходя из строения молекулы глюкозы.

Б) Взаимодействие глюкозы и сахарозы с гидроксидом меди (II).

В пробирке №1 налито 0,5 мл раствора глюкозы, добавьте 2 мл раствора гидроксида натрия.

К полученной смеси добавьте 1 мл раствора сульфата меди (II).

К полученному раствору аккуратно добавьте 1 мл воды и нагрейте на пламени спиртовки до кипения. Прекратите нагревание, как только начнется изменение цвета.

Прибавьте к раствору сульфата меди (II) раствор сахарозы и смесь взболтайте. Как изменилась окраска раствора? О чем это свидетельствует?

Зафиксируйте наблюдения и ответьте на вопросы:

1. Почему образовавшийся вначале осадок гидроксида меди(II) растворяется с образованием прозрачного синего раствора?

2. Наличие каких функциональных групп в глюкозе обусловлена эта реакция?

3. Почему при нагревании происходит изменение цвета реакционной смеси с синего на оранжево-желтый?

4. Что представляет собой желто-красный осадок?

5. Наличие какой функциональной группы в глюкозе является причиной данной реакции?

6. Что доказывает реакции с раствором сахарозы?

2. Свойства жиров:

В пробирку прилить 2-3 капли растительного масла и добавить 1-2 мл бромной воды. Все перемешать стеклянной палочкой.

Зафиксируйте наблюдения и объясните.

3. Напишите отчет:

Укажите номер лабораторной работы, ее название, цель, используемое оборудование и реактивы;

Составьте схему каждого проведенного опыта, подпишите свои наблюдения на каждом этапе и уравнения химических реакций; ответьте на вопросы.

Сформулируйте и запишите вывод

*(при наличии технической возможности) компьютер, OMS модуль

Лабораторная работа №7

«Свойства белков»

Цель: изучить свойства белков

Оборудование: пробирки, пипетка, пробиркодержатель, спиртовка*

Реактивы: раствор куриного белка, раствор гидроксида натрия, раствор сульфата меди (II), концентрированная азотная кислота, раствор аммиака , раствор нитрата свинца, раствор ацетата свинца.

1. Цветные «реакции белков»

Налейте в пробирку раствор куриного белка. Добавьте 5-6 капель гидроксида натрия и взболтайте содержимое пробирки. Прибавьте 5-6 капель раствора сульфата меди (II).

Зафиксируйте наблюдения.

В другую пробирку налейте раствор куриного белка и добавьте 5-6 капель концентрированной азотной кислоты. Затем добавьте раствор аммиака и слегка нагрейте смесь. Зафиксируйте наблюдения.

2. Денатурация белка

Налейте в 4 пробирки раствор белка куриного яйца.

Раствор в первой пробирке нагрейте до кипения.

Во вторую добавьте по каплям раствор ацетата свинца.

В третью пробирку добавьте раствор нитрата свинца.

В четвертую прилейте в 2 раза больший объем органического раствори% этанола, хлороформа, ацетона или эфира) и перемешайте. Образование осадка можно усилить добавлением нескольких капель насыщенного раствора хлорида натрия.

Зафиксируйте наблюдения и объясните.

3. Напишите отчет:

Укажите номер лабораторной работы, ее название, цель, используемое оборудование и реактивы;

Составьте схему каждого проведенного опыта, подпишите свои наблюдения на каждом этапе и объяснения происходящих явлений.

Сформулируйте и запишите вывод

*(при наличии технической возможности) компьютер, OMS модуль

Практическая работа №5

«Решение экспериментальных задач на идентификацию органических соединений»

Цель: обобщить знания о свойствах органических веществ, научиться распознавать органические вещества, на основе знаний о качественных реакциях для каждого класса веществ

Оборудование: пробирки, спиртовка, пробиркодержатель, пипетка, стеклянная палочка*

Реактивы: раствор белка, раствор глюкозы, пентен – 1, глицерин, фенол, хлорид железа (III), раствор гидроксида меди, аммиачный раствор оксида серебра, раствор брома в воде, нитрат свинца

1. Идентификация органических соединений.

Проведите эксперименты, на основе анализа которых определите в какой из пробирок находится каждое из указанных веществ: 1- раствор белка, 2- раствор глюкозы, 3 - пентен – 1, 4 - глицерин, 5 - фенол.

2. Зафиксируйте полученные результаты в виде отчетной таблицы.

	раствор белка	раствор глюкозы	пентен - 1	глицерин
хлорид железа (III)
гидроксид меди
аммиачный раствор оксида серебра
раствор брома в воде
нитрат свинца

В каждой ячейке нарисуйте полученный результат, отметьте реакции – индетифицирующие каждое из веществ. Сформулируйте и запишите вывод о способах идентификации органических веществ.

*(при наличии технической возможности) компьютер, OMS модуль