Особенность коллоидных растворов - Методичка

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН Методические рекомендации по использованию электронного методического пособия «Коллоидные растворы» в курсе физической и коллоидной химииЧастицы в таких системах имеют большую суммарную поверхность, что и определяет особые свойства коллоидных систем. Удаление лишнего количества электролита из коллоидного раствора называется очисткой коллоидного раствора от электролита. Молекулы и ионы, способные проходить через такую мембрану будут переходить в раствор, пока не установится равновесие между концентрациями молекул и ионов по обе стороны мембраны. Оптические свойства коллоидных растворов определяются светорассеянием в коллоидных растворах, окраской коллоидных растворов, поглощением света коллоидами, отражением света поверхностью частиц, а также ультрамикроскопические, электрономикроскопические и ренгеноско-пические свойства. В жидкой или газообразной среде частицы дисперсной фазы находятся под влиянием двух сил, направленных взаимно противоположно: силы тяжести, под действием которой частицы оседают, и диффузии, при которой частицы стремятся разойтись по всему объему и противодействовать оседанию.

Одним из разделов физической химии, который превратился в самостоятельную науку, является коллоидная химия. Коллоидная химия изучает физико-химические свойства систем, в которых одно вещество в виде отдельных сложных агрегатов атомов и молекул распределено в другом веществе. Частицы в таких системах имеют большую суммарную поверхность, что и определяет особые свойства коллоидных систем. Коллоидные системы очень широко распространены в природе и в технике. Почвы, торф, бактерии и другие частицы биологического происхождения, различные пористые тела, волокнистые материалы, порошки, туманы и пыли - все это объекты коллоидной химии. Такие процессы как дробление, фильтрация, адсорбция - лежат в основе многих производств в промышленности. Наука о коллоидах, созданная в последние несколько десятилетий, позволяет решать многие технические и экологические проблемы, начиная от создания материалов с небольшим сочетанием свойств и кончая предотвращением взрывов в каменноугольных шахтах.

В разработанном нами электронном методическом пособии «Коллоидные растворы» представлены анимации способов и методов получения и очистки коллоидных растворов, оптических и других их свойств. Выше перечисленные процессы увидеть и изучить воочию не представляется возможным, так как частицы коллоидных растворов можно разглядеть только при помощи электронного микроскопа, что не всегда представляется возможным. Способы очистки коллоидных растворов также являются затруднительным моментом, так как представляют собой технологические процессы производственного масштаба.

Разработанное методическое пособие, включающее в себя анимации тех или иных процессов, пояснения лектора теоретического материала, тестов по коллоидной химии, поможет глубже и доступней понять особенности коллоидных растворов.

Для успешного использования электронного методического пособия «Коллоидные растворы» на занятиях необходимо: - наличие соответствующего технического оснащения (компьютер, проектор, экран)

- умение преподавателя максимально использовать данное пособие в обучающем процессе

- готовность учителя к работе с пособием (психологическая, техническая и др.).

В данной работе предлагаются технологические карты, разработки каждого занятия с использованием электронного методического пособия «Коллоидные растворы» при преподавании курса физической и коллоидной химии.

Технологическая карта № 1

Тема Методы получения коллоидных растворов.

Цели, задачи Ознакомление студентов с методами получения коллоидных растворов (опорные слова: измельчение, конденсация, пептизация, стабилизаторы).

Содержание учебного процесса Объяснить способы получения коллоидных растворов (способ электрического распыления и ультразвука, физическая и химическая конденсация, пептизация).

Технология проведения занятия Метод: устно Форма: лекция Средства: с применением компьютера Контроль: устный опрос Оценка: поощрительная по 5 б. системе

Ожидаемый результат Преподаватель: пробудить интерес и «живое» участие студентов в процессе занятия, способствовать лучшему усвоению материала. Студент: овладение новыми знаниями, развитие памяти, самооценка полученных знаний.

Планы на будущее Преподаватель: расширение диапазона лекционных занятий путем внедрения компьютерных технологий в процесс обучения, работа над собой, преподавание темы в соответствии с современными требованиями. Студент: развитие навыков самостоятельной работы с информацией, умение правильно излагать свои мысли, поиск дополнительной информации и работа с ней.

Лекция 1. Методы получения коллоидных растворов

Цели занятия: Образовательная: ознакомление студентов с методами получения коллоидных растворов (способ электрического распыления и ультразвука, физическая и химическая конденсация, пептизация).

Развивающая: продолжить и расширить познавательную деятельность студентов, а также их представления о способах получения коллоидных растворов.

Воспитывающая: продолжить воспитывать внимательность, наблюдательность, эстетические чувства, навыки работы с техникой.

Средства наглядности: компьютер, экран, проектор.

Технология: лекция с применением ТСО (компьютерная технология).

Этапы занятия: I Организационная часть

II Основная часть

III Заключительная часть

1.1 Принцип работы коллоидной мельницы

Коллоидные растворы можно получить двумя противоположными друг другу способами. Один из этих способов - измельчение крупных частиц, а второй - путем агрегации молекул или ионов в более крупные частицы; первый способ называется методом диспергирования, второй методом конденсации.

Для получения коллоидных систем размер частичек дисперсной фазы должен быть от 1 нм до 100 нм. Для получения коллоидной системы с такими размерами частиц необходимо: первое условие чтобы вещество дисперсной фазы как можно меньше растворялось в дисперсионной среде; второе условие наличие, кроме дисперсной фазы и дисперсионной среды третьего вещества, которое, адсорбируясь на поверхности коллоидных частиц, способствует устойчивости связи между частичками дисперсной фазы и дисперсионной среды. Вещества, придающие устойчивость коллоидным растворам, называются стабилизаторами.

Для получения коллоидных растворов путем диспергирования проводят механическое измельчение твердого вещества в присутствии стабилизатора или электрическое и ультразвуковое распыление в присутствии жидкости.

Для измельчения твердого вещества применяется коллоидная мельница (рис 1). Частицы вещества, подлежащего диспергированию, в предварительно измельченном виде смешиваются с соответствующей жидкостью, содержащей стабилизатор, и в виде взвеси подаются через загрузочное отверстие (с). При помощи быстро вращающихся лопастей (в) (лопасти вращаются 10000-15000 раз в минуту), взвесь приводится в быстрое вращение, в результате чего частицы вещества приобретают скорость и, ударяясь о неподвижные выступы (а), разбиваются на мелкие частицы. Готовый тонкодисперсный продукт удаляется через отверстие (d). С помощью коллоидной мельницы получают коллоидные растворы красок, серы, графита, кварца и многих других веществ.

1.2 Просмотр анимации работы коллоидной мельницы

Метод электрического распыления и ультразвука.

Для этого между двумя электродами, изготовленными в виде проволочек из металла, золь которого получают, и погруженными в воду (дисперсионную среду) (с), пропускают электрическую дугу (в) (рис. 2). Это сопровождается распылением электродов, и в воде образуется золь металла. Для получения устойчивого золя в воду предварительно добавляют немного щелочи. Этим методом в основном получают золи металлов. При получении коллоидного раствора методом распыления, прежде всего металл распыляется, затем его молекулы конденсируются, образуя частички коллоидного раствора, поэтому данный способ относится к конденсационным.

Если поместить в ультразвуковую установку сосуда взвесь грубодисперсного вещества, происходит его раздробление до коллоидного состояния. С помощью ультразвука получают коллоидные растворы металлов Ag, Pb, Sn, Bi.

1.3 Просмотр анимации получения коллоидных растворов методом электрического распыления металлов

Физическая конденсация.

Одним из методов физической конденсации является перевод в дисперсионную среду паров твердого вещества. Этим методом получают золи ртути, серы, фосфора. Российскими учеными А.И.Шальниковым и С.З. Рогинским был разработан метод, основанный на конденсации паров в вакууме на поверхности сосуда, охлажденной жидким воздухом. Для этого в отростках (1) и (3) специально сконструированного прибора подвергаются испарению одновременно диспергируемое вещество (например, натрий) и дисперсионная среда (например, бензол) (рис. 3). Пары этих веществ конденсируются на поверхности сосуда (4), охлаждаемого жидким воздухом. По удалении из сосуда (4) жидкого воздуха, образовавшийся коллоидный раствор собирается в отростке (2).

К методам физической конденсации относится метод замены растворителя. Рассмотрим особенности данного способа получения на следующем примере. Известно, что некоторые органические кислоты хорошо растворяются в этиловом спирте, но плохо растворимы в воде. Для получения водных растворов таких кислот, их предварительно растворяют в спирте, затем полученный раствор разбавляют водой. Спирт растворяется в воде в любых соотношениях, поэтому растворенная в ней органическая кислота при добавлении воды образует коллоидный раствор. Например, путем добавления воды к спиртовому раствору серы можно получить ее белый коллоидный раствор.

1.4 Просмотр анимации получения коллоидных растворов методом физической конденсации

Методы химической конденсации и пептизации.

Метод химической конденсации основан на проведении в растворе химических реакций, сопровождающихся образованием нерастворимых или труднорастворимых веществ. К ним относятся реакции окисления-восстановления, обмена, гидролиза и другие.

Метод восстановления основан на образовании восстановителя дисперсной фазы в истинном растворе при помощи какого-либо вещества. Например, раствор хлораурата можно восстановить пероксидом водорода или формалином, оксид серебра водородом. Методом восстановления получены золи Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ru, Os, Hg, Bi, Te.

Для получения золей других элементов могут применяться также и окислительные реакции. Метод окисления применяется главным образом для получения золей серы.

Метод двойного обмена основан на реакциях двустороннего обмена с образованием нерастворимых веществ. Таким образом, можно, например, получить гидрозоли хлорида серебра.

Гидролизом в основном получают коллоидные растворы гидроксидов металлов. Для этого соли металлов подвергаются гидролизу, образуя малорастворимые гидроксиды. Таким способом получают малорастворимые в воде золи кремниевой, вольфрамовой и других кислот.

Коллоидные растворы можно также получить и методом пептизации. Пептизацией называется процесс перевода продукта коагуляции золя обратно в коллоидный раствор. Для осуществления пептизации к коллоидному осадку (коагулянту) добавляют раствор электролита и перемешивают. Электролит, используемый при получении коллоидного раствора, называется пептизатором. В качестве пептизаторов применяются электролиты и некоторые поверхностно-активные вещества. Пептизация, являясь сложным процессом, зависит от природы дисперсионной среды и пептизатора, и способности последнего адсорбироваться на поверхности коллоидных частиц осадка, образования сольватированных слоев и других. По мнению А.В. Думанского, во время пептизации между осадком и пептизатором образуется ряд промежуточных соединений типа комплексных. Если на поверхности частиц адсорбируется прибавленный стабилизатор, называется непосредственной пептизацией, если на поверхности частиц адсорбируется продукт взаимодействия пептизатора с веществом дисперсной фазы, то такая пептизация называется посредственной пептизацией. Примером непосредственной пептизации может служить диспергирование студенистого осадка гидроксида железа (III) при действии на него раствора хлорида железа (III). В этом случае ионы железа, адсорбируясь на поверхности частиц, сообщают им положительный заряд. После этого заряженные частицы в коагулянте взаимно отталкиваются и переходят из осадка в раствор.

Примером посредственной пептизации может служить получение того же золя гидроксида железа (III) при действии разбавленной соляной кислоты на осадок гидроксида железа (III). В этом случае часть молекул гидроксида железа (III) взаимодействует с соляной кислотой с образованием хлороксида железа FEOCL, выполняющего функцию пептизатора.

Технологическая карта № 2

Тема Способы очистки коллоидных растворов. Мицелла и ее строение.

Цели, задачи Ознакомление студентов с методами очистки коллоидных растворов, строением мицеллы (опорные слова: мицелла, гранула, ядро, диализ, ультрафильтрация).

Содержание учебного процесса Рассмотрение способов очистки коллоидных растворов методами диализа, ультрафильтрации, строение коллоидной частицы, его составных частей.

Технология проведения занятия Метод: устно Форма: лекция Средства: с применением компьютера Контроль: устный опрос Оценка: поощрительная по 5 б. системе

Ожидаемый результат Преподаватель: пробудить активность у студентов, организовать «живой» диалог с учащимися, способствовать лучшему усвоению материала. Студент: овладение новыми знаниями, развитие памяти, самооценка полученных знаний.

Планы на будущее Преподаватель: внедрение компьютерных технологий в процесс обучения, работа над собой, преподавание темы в соответствии с современными требованиями. Студент: развитие навыков самостоятельной работы с информацией, умение правильно излагать свои мысли, поиск дополнительной информации и работа с ней.

Лекция 2. Способы очистки коллоидных растворов. Мицелла и ее строение

Цели занятия: Образовательная: разъяснить студентам способы очистки коллоидных растворов, строение мицеллы.

Развивающая: продолжить развивать и расширить представления студентов о диализе, электродиализе, ультрафильтрации, о составных частях коллоидной частицы, и их практическом значении в повседневной жизни.

Воспитывающая: продолжить воспитывать внимательность, ответственность, бережное отношение к окружающей среде, эстетические чувства.

Средства наглядности: компьютер, экран, проектор.

Технология: лекция с применением ТСО (компьютерная технология).

Этапы занятия: I Организационная часть

2.1 Способ очистки коллоидных растворов методом диализа

При получении коллоидных систем в их составе кроме дисперсной фазы в большом количестве присутствуют кислоты, основания и соли. Для обеспечения устойчивости коллоидного раствора должно содержатся некоторое количество электролита в растворе, однако лишнее количество электролита следует удалить. Удаление лишнего количества электролита из коллоидного раствора называется очисткой коллоидного раствора от электролита. При очистке коллоидных растворов используются методы диализа, ультрафильтрации, электродиализа.

Особенность диализа состоит в том, что коллоидный раствор и присутствующие в нем электролиты отделяются от чистого растворителя (воды) при помощи полупроницаемой мембраны (рис. 4). Молекулы и ионы, способные проходить через такую мембрану будут переходить в раствор, пока не установится равновесие между концентрациями молекул и ионов по обе стороны мембраны. Периодически меняя растворитель можно до определенной степени очистить золь от примесей. Для диализа обычно используют пленки из коллодия, также перегородки, изготовленные из ацетилцеллюлозы, целлофана и других материалов. Наряду с этим используются и природные пленки, например, стенки мочевого пузыря.

В сосуд, затянутый мембраной (В) наливают коллоидный раствор (А), после чего он погружается в сосуд, наполненный чистой водой (С). Вода в наружном сосуде периодически меняется, т.е. используется проточный диализатор с непрерывной сменой воды. Стенки мочевого пузыря или других мембран имеют очень мелкие отверстия (диаметр их 20-30 мкм). Сквозь эти отверстия могут проходить молекулы или ионы, но не коллоидные частицы. Электролиты, содержащиеся в золе диффундируя в воду, вымываются из коллоидного раствора через мембрану. Сменяя воду можно очистить до определенной степени коллоидный раствор.

2.2 Просмотр анимации метода диализа

Способ очистки коллоидных растворов методом электродиализа.

При электродиализе диализ ускоряется действием электрического тока. Между двумя мембранами М1 и М2 помещают коллоидный раствор, который нужно очистить от электролитов (рис. 5). В боковых частях сосуда, в которых непрерывно пропускается чистая вода (растворитель), находятся электроды.

При пропускании электрического тока, положительно заряженные ионы направляются к катоду, а отрицательно заряженные к аноду. Ионы электролита, пройдя через мембрану, собираются в той части сосуда, где установлены электроды. Очищенный золь остается в средней части сосуда между двумя мембранами. Этот метод используется в основном при очистке органических коллоидов. В промышленности он широко применяется для получения в чистом виде желатина, клея.

2.3 Просмотр анимации метода электродиализа

Способ очистки коллоидных растворов методом ультрафильтрации

Коллоидные растворы можно очистить путем фильтрации их через полупроницаемые мембраны. Ультрафильтр состоит из воронки Бюхнера (1), мембраны (2), колбы Бюнзена (3) и насоса (4) (рис .6).

Для ускорения ультрафильтрацию проводят под давлением. Используя определенную мембрану можно очистить фильтрацией коллоидный раствор от электролита, а также золи друг от друга. Для этого диаметры отверстия мембраны должны быть крупнее частиц одного золя, и меньше частиц другого золя.

2.4 Просмотр анимации метода ультрафильтрации

Мицелла и ее строение. Теория В.А. Каргина и З.Я. Берестневой.

Коллоидная частица представляет собой ядро из малорастворимого вещества коллоидной дисперсности, на поверхности которого адсорбируются ионы электролита раствора. Ионы электролита обеспечивают устойчивость золя, поэтому данный электролит называют ионным стабилизатором. Значит, коллоидная частица представляет собой комплекс, состоящий из ядра, вместе с адсорбционным слоем противоионов. Агрегат частицы или ядро представляет собой вещество кристаллического строения, состоящий из сотен или тысячи атомов, ионов или молекул, окруженный ионами. Ядро вместе с адсорбированными ионами называется гранулой. Так гранула имеет определенный заряд. Вокруг нее собираются противоположно заряженные ионы, придающие ей в целом электронейтральность. Вся система, состоящая из гранулы и окружающих ее ионов называется мицеллой и является электронейтральной. Жидкая фаза, окружающая мицеллу, называется интермицелярной жидкостью. Это можно представить в виде следующей краткой схемы: гранула, т.е. коллоидная частица = ядро адсорбционный слой противоионный слой диффузный слой мицелла = гранула противоионы золь = мицеллы интермицеллярная жидкость.

Рассмотрим в качестве примера золь As2S3 (рис 7). Для получения данного золя на мышьяковую кислоту нужно подействовать сероводородом. Протекающую реакцию можно написать следующим образом: 2H3ASO3 3H2S= As2S3 6 H2О

Избыток H2S в данной системе играет роль ионного стабилизатора. H2S частично диссоциирует на ионы: H2S- HS- H

Из этих ионов HS- ионы адсорбируются на поверхности ядра мицеллы As2S3, поэтому в этой системе: [ As2S3 ]n- агрегат

[ As2S3 ]n, m HS- -ядро

{[ As2S3 ]n, m HS -,(m-x) Н }-x -гранула

{[ As2S3 ]n, m HS -,(m-x) Н }-x Н - мицелла

Ядра мицелл имеют кристаллическое строение. Процесс образования коллоидных частиц был подробно исследован В.А. Каргиным и З.Я. Берестневой в 1953 году при помощи электронного микроскопа и создана новая теория. Согласно этой теории механизм образования коллоидной частицы происходит в два этапа: сначала образуются шарообразные частицы, находящиеся в аморфном состоянии, в дальнейшем же внутри аморфных частиц возникают мелкие кристаллы. Благодаря возникновению кристаллических структур внутри аморфных частиц создается напряжение и согласно минимуму внутренней энергии системы при соблюдении условий (?Н|Т?S|, ?G<0) происходит самопроизвольный процесс распада на множество мелких кристаллических частиц и эти кристаллы становятся центром мицеллы. Скорость кристаллизации для различных золей различна.

Технологическая карта № 3

Тема Оптические свойства коллоидных растворов.

Цели, задачи Ознакомить студентов с оптическими свойствами коллоидных растворов (опорные слова: светорассеяние, опалесценция, эффект Тиндаля-Фарадея).

Содержание учебного процесса Объяснить оптические свойства коллоидных растворов (светорассеяние и окраска коллоидных растворов, поглощение света коллоидами и др.)

Технология проведения занятия Метод: устно Форма: лекция Средства: с применением компьютера Контроль: устный опрос Оценка: поощрительная по 5 б. системе

Ожидаемый результат Преподаватель: пробудить интерес и «живое» участие студентов в процессе занятия, способствовать лучшему усвоению материала. Студент: овладение новыми знаниями, развитие памяти, самооценка полученных знаний.

Планы на будущее Преподаватель: расширение диапазона лекционных занятий путем внедрения компьютерных технологий в процесс обучения, работа над собой, преподавание темы в соответствие с современными требованиями. Студент: развитие навыков самостоятельной работы с информацией, умение правильно излагать свои мысли, поиск дополнительной информации и работа с ней.

Лекция 3. Оптические свойства коллоидных растворов

Цели занятия: Образовательная: ознакомить студентов с оптическими свойствами коллоидных растворов.

Развивающая: расширить представления студентов об оптических свойствах коллоидных растворов. Развивать их познавательную деятельность и умение выделять главное в визуальной информации.

Воспитывающая: продолжить воспитывать внимательность, наблюдательность, эстетические чувства, умение обращаться с техникой.

Средства наглядности: компьютер, экран, проектор.

Технология: лекция с применением ТСО (компьютерная технология).

Этапы занятия: I Организационная часть

3.1 Светорассеяние в коллоидных растворах. Эффект Тиндаля-Фарадея

Оптические свойства коллоидных растворов определяются светорассеянием в коллоидных растворах, окраской коллоидных растворов, поглощением света коллоидами, отражением света поверхностью частиц, а также ультрамикроскопические, электрономикроскопические и ренгеноско-пические свойства. Очень часто коллоидные системы окрашены. Окраска меняется в зависимости от степени дисперсности, химической природы частиц и их формы, так как эти факторы влияют на рассеяние и адсорбцию света. Золи металлов, имеющих высокую степень дисперсности, имеют обычно красный или темно-желтый цвет, а металлы с низкой степенью дисперсности фиолетовый или бледно-голубой цвет. Например, при большей степени дисперсности золи золота приобретают красный цвет, а при низкой степени фиолетовый и бледно-голубой. Окраска золей металлов зависит также и от длины поглощаемой световой волны. Луч прожектора, туман, дым бесцветны. Голубой цвет неба объясняется светорассеиванием солнечных лучей в слоях воздуха.

Если размеры частиц больше длины световой волны то, согласно закону геометрической оптики свет отражается от поверхности частицы. Однако если частицы по своим размерам меньше длины световой волны, тогда среди наблюдаемых оптических явлений имеет место светорассеяние. Поэтому при прохождении света через коллоидно-дисперсные и грубодисперсные системы, происходит рассеивание света частицами дисперсной фазы. Если направить пучок светового луча на дисперсную систему, путь его виден при наблюдении сбоку в виде светящегося конуса. Это явление исследовали сначала Фарадей, а затем более подробно Тиндаль. Поэтому данное явление называется эффектом Тиндаля-Фарадея.

Для наблюдения эффекта Тиндаля-Фарадея, дисперсную систему (С) вливают в четырехгранную стеклянную емкость (кювет), ставят перед кюветом темный занавес и освещают проекционным фонарем (А) (рис. 8). При этом опыте образуется светящийся конус, причиной которого служит рассеяние света коллоидными частицами и в результате каждая частица кажется точкой, дающей свет. Процесс светорассеяния мельчайшими частицами называется опалесценцией. В истинных водных растворах, в смеси чистых жидкостей свет рассеивается в ничтожно малых количествах и поэтому эффект Тиндаля-Фарадея не наблюдается. Его можно увидеть только в специальном приборе. Иногда внешне не удается отличить истинный раствор от коллоидного, и для установления, является ли данный раствор коллоидом или истинным раствором пользуются эффектом Тиндаля-Фарадея. Интенсивность эффекта Тиндаля-Фарадея повышается с увеличением степени дисперсности золя, и при достижении некоторой степени дисперсности доходит до максимума и затем понижается. В грубодисперсных системах (в силу того, что размеры частиц больше длины световой волны) свет отражается от поверхности частицы под определенным углом и вследствие этого наблюдается отражение света.

В грубодисперсных системах одинаково отражаются световые волны различной длины. Если на систему падает белый свет, то и отраженный свет тоже будет белым.

Процесс рассеивания световых волн коллоидными частицами зависит от длины световой волны. Согласно закону Релея интенсивность светорассеяния в коллоидной системе, обусловленная дифракцией, пропорциональна числу частиц, квадрату объема частиц и обратно пропорциональна четвертой степени длины волны падающего света.

Здесь J0 ? интенсивность рассеянного света, J ? интенсивность падающего света, v - численная концентрация, V ? объем частицы, n1 -показатель преломления дисперсной фазы, n2 ? показатель преломления дисперсионной среды, k - константа, зависящая от интенсивности падающего света и от разности показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды, ? - длина световой волны, нм.

Значение n1 в данном уравнении зависит от природы вещества. Если n1 и n2 равны между собой, тогда в таких системах эффект Тиндаля-Фарадея не наблюдается. Чем больше разность между коэффициентами преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды, тем явно наблюдается эффект Тиндаля-Фарадея.

Уравнение Релея применимо только для таких коллоидных растворов, в которых размер частиц составляет не более 0,1 длины световой волны. Из уравнения видно, что интенсивность рассеяния света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны и поэтому в процессе рассеивания образуются более короткие волны. Поэтому при боковом освещении коллоидного раствора полихроматичным (белым) светом, коллоидные растворы имеют синеватую окраску.

3.2 Просмотр анимации эффекта Тиндаля-Фарадея

Принципы работы ультрамикроскопа, электронного микроскопа, рентгенографии, электронографии.

Размеры коллоидных частиц меньше 100 нм, однако, длина видимой световой волны находится в пределах 380-760 нм. Поэтому в обычном микроскопе разглядеть частицы коллоидного раствора невозможно

В 1903 году Зигмонди создал ультрамикроскоп, воспользовавшись эффектом Тиндаля-Фарадея (рис. 9). Основное отличие ультрамикроскопа от обычного в том, что в обычном микроскопе наблюдаемый объект помещается между источником проходящего света и микроскопом, в то время как в ультрамикроскопе освещение подается сбоку, поэтому и виден рассеиваемый коллоидными частицами свет.

В ультрамикроскопе исходящий от источника и рассеянный видимый свет перпендикулярны друг другу и исходящий от источника свет не попадает в глаз наблюдателя, поэтому в микроскопе наблюдается темнота. Если исходящий от источника свет падает на коллоидную частицу, частица отражает этот свет и таким образом сама становится как бы источником света. В ультрамикроскопе видна не сама частица, а свет, отражаемый этой частицей. Прямыми наблюдениями с помощью ультрамикроскопа нельзя определить размер и форму частиц, но можно подсчитать число частиц в единице объема. Однако, пользуясь некоторыми методами, можно примерно определить размер частиц по результатам данного наблюдения. Так как коллоидные системы являются полидисперсными, всегда определяют средний радиус частиц.

При помощи ультрамикроскопа можно определить количество частиц n в единице объема. Зная плотность вещества дисперсной фазы d и массовую концентрацию коллоидного раствора С, легко вычислить объем частицы.

Если частица имеет сферическую форму, тогда ее объем равен 4/3?r3 ( здесь, r - средний радиус частицы); отсюда

;

для частицы в форме куба 13=V еки 1= для сферической частицы 4/3?r3=V или r = .

Точную форму коллоидной частицы можно увидеть только в электронном микроскопе.

В 1934 году был создан электронный микроскоп. В электронном микроскопе вместо световых лучей используется пучок быстро движущихся электронов, потому что их скоростью, длиной волны и направлением движения удобно управлять электромагнитом. В этом микроскопе пучок электронов движущихся с катода попадают в магнитное поле электромагнитной катушки. Это поле, собрав электроны, направляет их на изучаемый объект. Электроны, в меньшем количестве, проходя через плотный слой объекта, и в большем количестве через неплотный слой объекта, достигают второго и третьего магнитных полей, в итоге на экране или фотопластинке появляется увеличенное изображение объекта.

Внутренняя структура коллоидных частиц и ее изменения в различных процессах определяются методами рентгенографии и электронографии. Один из этих методов основан на применении рентгеновских лучей, а второй потока электронов. Методом рентгенографии можно получить информацию о внутренней структуре коллоидных частиц. Вследствие малого размера этих частиц при исследовании коллоидных систем с помощью рентгенографии получать диаграммы Лауэ основанного на использовании монокристаллов затруднительно и приходится чаще всего ограничиваться получением и изучением диаграмм Дебая - Шеррера. Путем исследования диаграмм Дебая - Шеррера удалось установить кристаллическую структуру частиц многих золей. Особенно хорошие результаты были получены при исследовании золей тяжелых металлов и их соединений, так как способность рассеяния рентгеновских лучей тяжелыми атомами весьма велика, а дисперсионная среда здесь сравнительно мало мешает анализу.

3.3 Просмотр анимации прибора ультрамикроскопа

Метод нефелометрии

Прибор, позволяющий определять концентрацию коллоидных растворов и средний размер коллоидных частиц на основе явления «опалесценции» называется нефелометром (рис. 10). Если использовать известные значения величин источника света, дисперсную фазу и дисперсионную среду, то значения некоторых величин (n1, n2, ?, ?) входящих в уравнение Релея, меняться не будут. В таком случае уравнение Релея примет следующий сокращенный вид: I=K•C•V• I0 здесь

Для проведения измерения нефелометром берут две одинаковые стеклянные цилиндрические кюветы (4,5) в первую из них помещают раствор известной концентрации (стандартный), а во вторую испытуемый. Свет от источника (1) равномерно падает на обе кюветы. Рассеянный обеими коллоидными растворами свет попадает в оптическую часть прибора (8,9). Каждая из половинок окуляра (10) освещается за счет света поступающего из кюветы со стандартным раствором и испытуемым. В окуляр будут видны два различно освещенных полукруга - один темнее, другой светлее. Высоту освещенного столба жидкости в каждой кювете можно регулировать, поднимая и опуская специальные краны (2,3), добиваясь одинаковой освещенности обеих половинок окуляра. Допустим, обозначив эти высоты через h1 и h2, и учитывая что концентрация коллоидных частиц в обоих растворах должна быть одинакова, тогда для обоих растворов будет соблюдаться равенство К?=KV=Const. А так как полукруги имеют одинаковую освещенность, имеем: I1=I2= K?• C1• I01= K?• C2• I02 здесь I01 - интенсивность света, рассеянного исследуемым коллоидным раствором, I02 - интенсивность света, рассеянного стандартным коллоидным раствором, C1 - концентрация испытуемого раствора, C2 - концентрация стандартного коллоидного раствора. Из уравнения следует:

значит, на основе C1=C2h2/h1 мы можем вычислить C1.

Технологическая карта № 4

Тема Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов.

Цели, задачи Углубить представления студентов о молекулярно-кинетических свойствах коллоидных растворов (броуновское движение, осмотическое давление, мембранное равновесие Доннана ) (опорные слова: диффузия, осмос, седиментация ).

Содержание учебного процесса Дать дополнительные объяснения о броуновском движении, осмотическом давлении коллоидных растворов, теории мембранного равновесия Доннана.

Технология проведения занятия Метод: устно Форма: лекция Средства: с применением компьютера Контроль: устный опрос Оценка: поощрительная по 5 б. системе

Ожидаемый результат Преподаватель: способствовать доступному и лучшему усвоению материала. Студент: овладение новыми знаниями, развитие памяти, самооценка полученных знаний.

Планы на будущее Преподаватель: расширение диапазона лекционных занятий путем внедрения компьютерных технологий в процесс обучения, работа над собой, преподавание темы в соответствие с современными требованиями. Студент: развитие навыков самостоятельной работы с информацией, умение правильно излагать свои мысли.

Лекция 4. Молекулярно- кинетические свойства коллоидных растворов

Цели занятия: Образовательная: дать дополнительные сведения студентам о входящих в число самых главных молекулярно - кинетических свойств коллоидных растворов - броуновском движении, осмотическом давлении, теории мембранного равновесия Доннана.

Развивающая: продолжать развивать представления студентов о броуновском движении, осмотическом давлении коллоидных растворов, мембранном равновесии Доннана, выявлять причинно - следственные связи между ними.

Воспитывающая: продолжать воспитывать внимательность, наблюдательность, бережного отношения к природе.

Средства наглядности: компьютер, экран, проектор.

Технология: лекция с применением ТСО (компьютерная технология).

Этапы занятия: I Организационная часть

4.1 Броуновское движение

Согласно ранним теориям коллоидных растворов молекулярно-кинетические свойства считались присущими только молекулярным растворам. В процессе развития науки стало известно, что молекулярно- кинетические свойства свойственны и коллоидным растворам. Эти свойства в коллоидных растворах оказываются, зависят от размера их частиц и формы.

Открытие броуновского движения в дисперсных системах сыграло в этом смысле главную роль.

Если рассматривать в ультрамикроскоп коллоидный раствор, то видно, что частицы, находящиеся в жидкости совершают разнообразные беспорядочные движения. Еще до открытия ультрамикроскопа английский ботаник Броун (1827) при наблюдении под микроскопом водной суспензии цветочной пыльцы, установил, что частицы ее находятся в постоянном и беспорядочном движении (рис. 11). Впоследствии это явление получило название броуновское движение. Броун, наблюдая данное явление на различных веществах, определил, что беспорядочное движение зависит не от природы вещества, а от размера частиц. Причину броуновского движения еще долгое время не могли определить. Во второй половине прошлого века, на основе успехов молекулярно-кинетической теории газов смогли определить причину броуновского движения. Согласно данной теории, причина броуновского движения заключается в том, что молекулы жидкости находятся в постоянном движении, они, ударяясь об частицы, заставляют их двигаться в разных направлениях. Итак, причиной броуновского движения является тепловое движение молекул в системе.

Направление движения коллоидной частицы постоянно меняется, и нарисовать ее траекторию очень сложно. Исследования показали, что броуновское движение не зависит от природы вещества, а меняется с изменением температуры, вязкости, той среды, в которой они взвешены и размерами частиц. Частицы дисперсной фазы вследствие беспорядочных ударов, наносимых молекулами растворителя, тоже меняют свое направление движения. Если частица достаточно мала, то число ударов, приходящихся на нее с разных сторон обычно неодинаково, поэтому частицы двигаются в разных направлениях по очень сложной траектории. В частицах больших размеров броуновское движение не наблюдается.

В 1905 году Эйнштейном и в 1906 году Смолуховским (независимо друг от друга) была разработана кинетическая теория броуновского движения.

Эйнштейн, применив законы газов к броуновскому движению, вывел формулу определения среднего смещения частицы в промежуток времени ?t.

?х2=2D•?t здесь D - является коэффициентом диффузии растворенного вещества, и определяется по следующей формуле (Эйнштейн, 1908 г.):

здесь N - число Авогадро, R - газовая константа, T - абсолютная температура, ? - вязкость жидкости, r - радиус шарообразной частицы. Подставив значение D в уравнение Эйнштейна:

получим уравнение Эйнштейна-Смолуховского.

В жидкой или газообразной среде ча

1. Национальная программа подготовки кадров.

2. Зиямухамедов Б., Зиямухамедова С. Новая педагогическая технология. Т.: «Абу Али ибн Сино», 2002 .- 118 с.

3. Алимова Ф.А. Коллоидные растворы. Электронное методическое пособие по курсу физической и коллоидной химии. Т.: ТГПУ им. Низами,-2008 г. 20 с.

4. Герасимов Я.И. Курс физической химии. - М.: Химия, 1966. - 656 с.

5. Киреев В.А. Курс физической химии. - М.: Химия, 1975. - 776 с.

6. Балезин С.А, Ерофеев Б.В, Подобаев Н.И. Основы физической и коллоидной химии. - М.: Просвещение, 1975. - 398 с.

7. Лукьянов А.Б. Физическая и коллоидная химия. - М.: Химия, 1988. - 288 с.

8. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. - М.: Высшая школа, 2003. - 527 с.

9. Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. - М.: Высшая школа, 1990. - 487 с.

10. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.: Химия, 1976. - 512 с.

11. Добычин Д.П. и др. Физическая и коллоидная химия. - М.: Просвещение, 1986. - 463 с.

12. Болдырев А.И. Демонстрационные опыты по физической и коллоидной химии. - М.: Высшая школа, 1976. - 256 с.

13. Балезин С.А. Практикум по физической и коллоидной химии. М.: Учпедгиз, 1980. - 271 с.

14. Архангельский С.И. Лекции по теории обучения в высшей школе. - М.: Высшая школа, 1974. - 384 с с.

15. Архангельский С.И. Учебный процесс в высшей школе, его закономерные основы и выводы. - М.: Высшая школа, 1980. - 368 с.

16. Кирюшкин Д.М., Полосин В.С. Методика обучения химии. - М.: Просвещение, 1970. - 470 с.

17. Макареня А.А., Обухов В.Л. Методология химии. - М.: Просвещение, 1985. - 160 с.

18. Дрижун И.Л. Технические средства обучения в химии: - М.: Высшая школа, 1989. - 175 с.

19. Прессман Л.П. Методика применения технических средств обучения: экран.- звуковые средства - М.: Просвещение, 1988. - 191 с.

20. Ишмухамедов Р.Ж. Инновацион технологиялар ердамида таълим самарадорлигини ошириш йуллари. Тошкент. 2004. - 45 с.

Размещено на .ru