Исследование зон коагуляции с помощью фотоэлектоколориметра

 

1.1.3 Гели

 

Гели (от лат. gelo- застываю), в коллоидной химии гели-дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой, в которых частицы дисперсной фазы образуют пространственную структурную сетку [10]. Представляют собой твердообразные ("студенистые") тела, способные сохранять форму, обладающие упругостью (эластичностью) и пластичностью. Типичные гели имеют коагуляционную структуру, т.е. частицы дисперсной фазы соединены в местах контакта силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через тонкую прослойку дисперсионной среды. Для них характерна тиксотропия, т.е. способность в изотермических условиях самопроизвольно восстанавливать свою структуру после механического разрушения. Такие гели образуются, например, при коагуляции золей (коагели), понижении растворы или концентрировании мицеллярных растворов мыл, выделении новой дисперсной фазы из пересыщенных растворов (лио - гели). Гели могут возникать в виде рыхлых осадков либо образуют структурную сетку во всем объеме первоначально жидкой системы без нарушения ее макрооднородности. Гели с водной дисперсионной средой называется гидрогелями, с углеводородной органогелями [11].

Большинство гелей термодинамически неустойчиво; при старении вследствие изотермической переконденсации или рекристаллизации обратимая по отношению к механическому воздействию коагуляционная структура перерождается в необратимую конденсационно-кристаллизационную [10].

Коагуляция лиофобных  золей вызывается растворами всех электролитов. Коагулирующей частью электролита может быть один из его ионов.

Явная коагуляция наступает  тогда, когда концентрация электролита  начинает превышать величину минимальной  концентрации, называемую порогом коагу-ляции.

Коагулирующее действие определяется валентностью того иона, который имеет заряд, противоположный по знаку заряду коллоидной частицы. Это положение известно под названием правила значности (правило Шуль-це-Гарди). С повышением заряда коагулирующего иона его действие (коагулирующее) возрастает.

Для ионов одинаковой валентности коагулирующая способность возрастает с увеличением эффективного радиуса иона (или с уменьшением радиуса гидратированного иона). Например, катионы щелочных металлов по коагулирующей способности можно расположить в обычный лиотропный ряд:

 

 Na⁺ < NH₄⁺ < K⁺, Mg²⁺ < Ca²⁺ < Ba²⁺ < Al³⁺.

 

Во всех случаях причиной коагуляции является уменьшение связи мицелл с окружающей их дисперсионной средой [11].

У типичных лиофобных коллоидных систем агрегативная устойчивость золей зависит от тех ионов, которые адсорбированы на поверхности их частиц. Обычно поверхностью ядра мицеллы адсорбируются ионы, одинаковые или сходные с какой-либо из составных частей, входящих в состав молекул, из которых слагается ядро.

 

Рисунок 3. Схема строения мицеллы

 

Ионы, заряженные противоположно адсорбированным, называют противно ионами. Часть из них связана с адсорбированными ионами электрическими силами и образует вместе с ними адсорбционный слой вокруг ядра. Остальная часть противно ионов диффундирует в окружающую среду, образуя диффузионный слой, слабо связанный с остальной частью мицеллы. Так как противно ионы адсорбционного слоя несут меньше электрических зарядов, чем адсорбированные ионы, то ядро приобретает знак заряда этих последних. Во внешнем электрическом поле ядро вместе с адсорбционным слоем движется в одном направлении, а ионы диффузионного слоя - в противоположном [12]. Устойчивость коллоидной системы зависит от состояния слоев, окружающих ядро; она убывает с уменьшением их толщины.

Коагуляция лиофильных (для водных растворов — гидрофильных) коллоидов, как и ряд других свойств этого  класса коллоидов, характеризуется некоторыми особенностями. Так, гидрофильные коллоиды более устойчивы по отношению к электролитам. Высокая устойчивость гидрофильных коллоидов определяется двумя факторами — наличием электрического заряда и сольватацией коллоидных частиц. Поэтому для коагуляции гидрофильного коллоида необходимо не только нейтрализовать заряд коллоидной частицы, но и разрушить жидкостную оболочку, которая окружает частицы обратимого коллоида. Для этой цели можно сначала ввести электролит и нейтрализовать заряд, причем при этом коагуляции не наблюдается. Затем можно добавить какое-либо из дегидратирующих веществ, например спирт, ацетон или танин, которые разрушают водную оболочку лиофильного коллоида, после чего начинается процесс коагуляции [13]. Последовательность может быть иная: вначале дегидратация, а затем нейтрализация заряда.

Начальную стадию коагуляции, когда  ее скорость увеличивается пропорционально повышению концентрации электролита, называют медленной коагуляцией. В дальнейшем процесс агрегации достигает максимальной скорости, не зависящей от концентрации добавленного электролита. Эту стадию называют быстрой коагуляцией. Коагуляция сопровождается помутнением золя, затем дисперсная фаза выпадает в осадок или образуется гель [10]. Минимальную концентрацию электролита, при которой начинается быстрая коагуляция, называют порогом коагуляции (С_к).

Величину, обратную порогу коагуляции, называют коагулирующей способностью (γ = 1/С_к).

Коагуляцию вызывают те ионы прибавляемого электролита, у которых знак заряда противоположен заряду коллоидных частиц. В соответствии с правилом Шульце-Гарди порог коагуляции резко снижается с увеличением заряда иона-коагулятора.

Порог коагуляции выражается в миллимолях на литр (ммоль/л) электролита. Порог коагуляции зависит как  от природы электролита, так и  от валентности коагулирующего иона [11].

Правило Шульце-Гарди (правило  значности, эмпирическое):

1. Коагулирующим действием обладает тот ион электролита, который имеет заряд, противоположный заряду потенциалопределяющих ионов мицеллы (гранулы), причем, коагулирующее действие тем сильнее, чем выше заряд. По правилу Шульца – Гарди значение порогов коагуляции для противоионов с зарядами 1, 2 и 3 соотносятся как 1:1/20:1/500, т.е. чем выше заряд, тем меньше требуется электролита, чтобы вызвать коагуляцию. Например, коагулируем золь сульфида мышьяка (As2S3): или Fe(OH)2 ( As₂S₃) Fe(OH)₂ NaCl (Na⁺=5 моль/л KBr (Brg) ^-=12,5g) MgCl₂ (Mg²⁺=0,72 Kg)₂ SO₄ (SO₄^2-=0,205g)  AlCl₃ (Al³⁺=0,092g)
2. Правило Шульце – Гарди имеет приближенный характер и описывает действие ионов лишь неорганических соединений.
3. В ряду органических ионов коагулирующее действие возрастает с повышением адсорбционной способности. В ряду неорганических ионов одинаковой зарядности их коагулирующая активность возрастает с уменьшением гидратации.
4. Лиотропные ряды или ряды Гофмейстера – это порядок расположения ионов по их способности гидратироваться (связывать воду).

Слово ''лиотропный'' значит ''стремящийся к жидкости'' (более  подходящий термин для случая водных сред – гидротропный).

 

Li⁺; Na⁺; K⁺; Rb⁺; Cs⁺

возрастание коагулирующей  активности

возрастание степени гидратации

 

Теплота гидратации: 140 117 93 86 (ккал/г-ион)

5. Очень часто началу коагуляции соответствует снижение дзета-потенциала до критического значения (около 0,03 В).

6. В осадках, получаемых при коагуляции электролитами, всегда присутствуют ионы, вызывающие ее [12].

1.1.4 Совместное действие электролитов при коагуляции

 

Смеси электролитов при  коагуляции золей редко действует  независимо. Наблюдаемые при этом явления можно свести к трем следующим: аддитивность, антагонизм и синергизм электролитов [13]. Зависимость 1 – характеризует аддитивное действие электролитов. Коагулирующее действие в смеси определяют по правилу простого сложения: KCl+KNO₃; NaCl+KCl

Кривая 2 – антагонизм электролитов – содержание каждого электролита в смеси превышает его собственную пороговую концентрацию Al(NO₃)₃+K₂SO₄; Ti(NO₃)₄+Na₂SO₄

Синергизм действия электролитов демонстрирует кривая 3. Усиливается  действие каждого из электролитов –  для коагуляции их требуется меньше в смеси, чем каждого по отдельности. LiCl+CaCl₂ действуют на гидрозоль H₂S

 

1.1.5 Скорость  коагуляции

 

Скорость коагуляции зависит от концентрации электролита. По мере роста концентрации скорость коагуляции увеличивается, но не все столкновения эффективны - такую коагуляцию называют медленной. При 1 г наступает быстрая коагуляция, при которой все столкновения частиц заканчиваются образованием агрегатов. Скорость коагуляции определяется температурой, величиной рН раствора, в котором происходит осаждение. Она уменьшается с повышением кислотности раствора, а кроме того, зависит от концентрации соосаждаемых солей [14].

Типичный вид коагуляционной кривой (зависимости отношения концентрации коллоидных частиц n к их начальной концентрации n₀ от времени t) и кривой зависимости скорости коагуляции V от концентрации электролита С показан на рисунках 4, 5. На кривой ОАБВ (рис. 5) отрезок ОА отвечает периоду скрытой коагуляции, при которой золь сохраняет свою устойчивость. В точке А при концентрации электролита С₁ начинается явная коагуляция, на участке АБ скорость коагуляции быстро возрастает с ростом концентрации электролита. На участке БВ скорость коагуляции остается постоянной, это связано с тем, что при концентрации электролита С₂ величина ς – потенциала становится равной нулю, скорость коагуляции при этом достигает максимального значения [15].

 

 

Рисунок 4. Коагуляционная кривая

Рисунок 5. Зависимость  скорости коагуляции от концентрации

 

1.1.6 Взаимная  коагуляция золей

 

Коагуляция золя может  быть вызвана его взаимодействием  с другим золем, частицы которого имеют противоположный заряд. Так, смешение золя гидроксида железа, частицы  которого имеют положительный заряд, с отрицательно заряженным золем  сульфида мышьяка приводит к их взаимной коагуляции:

{[Fe(OH)₃] n FeO⁺ (n-x)Cl^-}^x+  xCl^-{[As₂S₃]m   n HS^-  (nx)H⁺}^x-  xH⁺

В данном случае коагуляция обусловлена тем, что коллоидные частицы одного вида являются как  бы очень крупными многозарядными ионами – коагулянтами для частиц другого вида [14]. Взаимная коагуляция коллоидных систем может наблюдаться и тогда, когда частицы золей имеют одноименный заряд; в этом случае причиной потери устойчивости одного из золей является сильная специфическая адсорбция иона – стабилизатора данной системы поверхностью коллоидных частиц другой системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Цели и  задачи исследования

 

Актуальными учебно-технологическими направлениями в химический технологий Казахстана являются разработка эффективных  технологий и по изготовлений прочных материалов и их состав и использование современном индустрий. Основной целью данной работы является проведение процесса коагуляции в лабораторных условиях и изучение свойств коагулянтов.

 

Для того чтобы осуществить  поставленные цели необходимо выполнить следующие основными задачи учебно-исследовательский работы:

-собрать установку  проведения лабораторной работы;

-исследовать характеристику  исходного сырья;

-исследовать зоны коагуляции;

-исследовать процесс коагуляции канифоля;

-ознакомиться с физико – химическими свойствами хлорида железа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

2.Экспериментальная  часть

2.1 Характеристика  сырья и исходных  материалов

 

Хлорид железа(III), хлорное железо FeCl₃ — средняя соль трёхвалентного железа и соляной кислоты. Самым простым методом получения трихлорида железа является действие на железные опилки газообразным хлором [6]. При этом, в отличие от действия соляной кислоты, образуется соль трёхвалентного железа:

Мерцающие, черно-коричневые, либо темно-красные, либо фиолетовые в проходящем свете, зеленые в отраженном свете листочки с металлическим блеском. Сильно гигроскопичен, на воздухе превращается в гидрат FeCl₃· 6Н₂О — гигроскопичные жёлтые, по другим источникам желто-коричневые кристаллы, хорошо растворимые в воде (при 20  C в 100 г воды растворяется 91,9 г безводной соли). T_пл. 309°C.

Хлорид железа(III) применяется при травлении печатных плат (радиотехника, системотехника) [7]. Используется для травления печатных форм (офорт, цинкография), как альтернатива азотной кислоты, реакция с которой сопровождается выделением высокотоксичных паров («лисий хвост»). Применяется как протрава при крашении тканей. В промышленных масштабах применяется как коагулянт для очистки воды. За счёт чётко выраженных кислотных свойств, широко применяется в качестве катализатора в органическом синтезе [6]. Например, для реакции электрофильного замещения в ароматических углеводородах.