Как образуются и каково строение коллоидных частиц

Золь гидроксида железа

Задача 136.
Почему золь гидроксида железа, полученный при гидролизе FeCl₃, имеет вид прозрачного плотного чая, а этот же золь, полученный пептизацией, значительно светлее и немного каламутный?
Решение:
1. Получение золя гидроксида железа (III) при гидролизе

Золь гидроксида трехвалентного железа получают гидролизом хлорида железа(III). Гидролиз соли FeCl3 происходит по стадиям, причем скорость и степень гидролиза возрастают при повышении температуры и увеличении разведения:

FeCl₃ + H₂O ↔ FeOHCl₂  + HCl (1)
FeOHCl₂ + H₂O ↔ Fe(OH)₂Cl + HCl (2)
Fe(OH)₂Cl + H₂O ↔ Fe(OH)₃ + HCl. (3)

Так как на каждой ступени гидролиза выделяется HCl, то равновесие на последней стадии сдвинуто влево, т.е. гидролиз не протекает до конца и в системе присутствуют как Fe(OH)₃, так и Fe(OH)₂Cl. Дигидрохлорид железа (III) при нагревании подвергается дегидратации:

Fe(OH)₂Cl ↔ FeOCl + H₂O (4)

Образующаяся соль FeOCl играет роль стабилизатора.
Уравнение реакции в общем виде:

FеСl₃ + 3Н₂О = Fе(ОН)₃ + 3НСl

Так как на каждой ступени гидролиза выделяется HCl, то равновесие на последней стадии сдвинуто влево, т.е. гидролиз не протекает до конца и в
системе присутствуют как Fe(OH)₃, так и Fe(OH)₂Cl. Дигидрохлорид железа(III) при нагревании подвергается дегидратации:

Видео:Схема строения мицеллыСкачать

Fe(OH)₂Cl ↔ FeOCl + H₂O

Образующаяся соль FeOCl играет роль стабилизатора.
Элементарная частица золя называется мицеллой. 
В результате гидролиза FeCl₃ образуется красно-коричневый золь гидроксида железа(III). Строение мицеллы полученного золя можно изобразить следующим образом:

{m[Fe(OH)₃]·nFeO⁺ · (n-x)Cl^–}^x+ · xCl^–, где 

m[Fe(OH)₃] — агрегат; [Fe(OH)₃]m · nFeO⁺ — ядро; {m[Fe(OH)₃]·nFeO⁺ · (n-x)Cl^–}^x+ – коллоидная частица (гранула); nFeO⁺ · (n-x)Cl^– — адсорбционный слой; 
xCl^– — диффузный слой; FeO⁺ — противоион; (n-x)Cl^– противоионы адсорбционного слоя; xCl^– — противоионы диффузного слоя. 

2. Получение гидрозоля гидроксида железа (III) методом пептизации

Сначала приготовливается осадок гидроксида железа (III) по реакции FeCl₃ и концентрированного раствора NH₄OH. При этом образуется осадок гидроксида железа по уравнению:

FeCl₃ + NH₄OH = Fe(OH)₃ + 3NH₄Cl

Полученный осадок Fe(OH)₃ отмывают от хлорида аммония и избытка аммиака дистиллированной водой. К промытому осадку приливают примерно 100 мл дистиллированной воды.
Далее к взмученному в дистиллированной воде осадку Fe(OH)₃, в качестве пептизатора, вливают 2%-ный раствор FeCl₃. Содержимое тщательно перемешивают и нагревают. При этом осадок Fe(OH)₃ переходит в раствор, образуя высокодисперсный золь гидроксида железа. 
Пептизатором осадка служит оксихлорид железа, образующийся в результате реакции:

FeCl₃ + H₂O ↔ FeOCl + 2HCl

Молекулы FeOCl в растворе диссоциируют на ионы FeO⁺ и Cl^–. Ионы FeO⁺, адсорбируясь на частицах Fe(OH₃), сообщают им положительный заряд. Получается вишнево-красный золь Fe(OH)₃. Нужно иметь, что гидролиз насыщенного раствора FeCl₃ практически не идет.
Схема строения мицеллы образующегося гидрозоля гидроксида железа такая же, как и при гидролизе соли FeCl₃:

{m[Fe(OH)₃]·nFeO⁺ · (n-x)Cl^–}^x+ · xCl^–

Видео:СТРОЕНИЕ МИЦЕЛЛЫ - урок 1Скачать

Таким образом, золь гидроксида железа, полученный при гидролизе FeCl₃, имеет вид прозрачного плотного чая (красно-коричневый), а тот же золь, но олученный пептизацией, значительно светлее (вишнево-красный) и немного каламутный. Это объясняется тем, что гидролизный золь, за счет присутствия в растворе примесей от гидролиза соли FeCl₃ имеет более окрашенный коллоидный раствор, а тот же золь, но полученный методом пептизации, коллоидный раствор содержит меньше примесей за счет отсутствия гидролиза соли FeCl₃.

1. химизм получения золя методом гидролиза:

FeCl₃ + H₂O ↔ FeOHCl₂  + HCl (1)
FeOHCl₂ + H₂O ↔ Fe(OH)₂Cl + HCl (2)
Fe(OH)₂Cl + H₂O ↔ Fe(OH)₃ + HCl. (3)
Fe(OH)₂Cl ↔ FeOCl + H₂O. (4)

Уравнение реакции в общем виде:

FеСl₃ + 3Н₂О = Fе(ОН)₃ + 3НСl.

2. Метод пептизации:

Видео:СТРОЕНИЕ МИЦЕЛЛЫ - урок 2Скачать

FeCl₃ + NH₄OH = Fe(OH)₃ + 3NH₄Cl
FeCl₃ + H₂O ↔ FeOCl + 2HCl

Схема строения мицеллы образующегося гидрозоля гидроксида железа такая же, как и при гидролизе соли FeCl₃ и при пептизации:

{m[Fe(OH)₃]·nFeO⁺ · (n-x)Cl^–}^x+ · xCl^–
 

Формула и строение мицеллы карбоната кальция

Задача 137.
Какова формула  и схема  строения мицеллы, полученной  при действии избытка  Na₂CO₃ на CaCl₂?
Решение:
Составление формулы мицеллы, полученной при взаимодействии хлорида кальция с избытком карбоната натрия:

CaCl₂ + Na₂CO₃(изб) = CaCO₃ + 2NaCl

mCaCO₃  -зародыш(агрегат) — нерастворимое вещество, образовавееся в ходе реакции, где

Видео:СТРОЕНИЕ МИЦЕЛЛЫ - урок 4Скачать

m-коэффициент, указывающий число частиц вещества.

CaCl₂-противоион(ПИ)
Диссоциация вещества, взятого в избытке:

Na₂CO₃ = 2Na+ + CO₃^2–

n CO₃^2– — потенциалопределяющие ионы, адсорбирующие на зародыше. Они составляют агрегат мицеллы [mCaCO₃]·n CO₃^2–.
Часть противоионов адсорбируется непосредственно на ядре и оставляет адсорбиционный слой противоионов, его обозначают в данном случае 2(n-x)Na^+.
Ядро с с адсорбиционным слоем противоионов составляет гранулу мицеллы —

{[mCaCO3]^·n CO₃^{2– ·} 2(n-x)Na⁺}.

Гранула имеет заряд, знак которого определяется знаком заряда потенциалопределяющих ионов, в данном случае «2х-» —

[mCaCO₃]^·n CO₃^{2– ·} 2(n-x)Na₊}^2х–.

Заряд гранулы нейтрализуется противоионами диффузного слоя, число которых составляет 2хNa⁺.

Схема строения мицеллы золя CacO₃, полученного в избытке Na₂CO₃

Видео:решение задач на примесиСкачать

Катионы Са²⁺ будут связаны в агломерат (зародыш) и никак не могут быть противоионами для гранулы.
А вот катионов натрия Na⁺ в растворе «море».
Поэтому мицелла будет иметь вид:

[mCaCO₃]·n CO₃^2– · 2(n-x)Na⁺}^2х–· xNa⁺.
 

Строение мицеллы фосфата меди

Задача 138.
Составить из ядра формулу, а потом из формулы мицеллу. Ядро — Cu₃(PО₄)₂.
Решение:
Получение гидрозоля Cu₃(PО₄)₂ возможно при реакции:

3CuCl₂ + 2Na₃PO₄ = Cu₃(PO₄)₂ + 6NaCl

Такое ядро могут иметь 3 разных мицеллы.

Рассмотрим случай, если в избытке Na₃PO₄, значит, в качестве потенциалопределяющих ионов, т.е. ионов, входящих в его состав и находящиеся в растворе в избытке, выступают PO₄^3–.

Далее, к ядру притягиваются противоположно заряженные ионы – противоионы, которые компенсируют заряд твердой фазы и образуют адсорбционный слой. Противоионами будут служить, ионы, содержащиеся в растворе, но не входящие в состав агрегата – Na⁺.
Формула мицеллы золя будет выглядеть следующим образом:

Видео:СТРОЕНИЕ МИЦЕЛЛЫ - урок 3Скачать

{m[Cu₃(PO₄)₂]·nPO₄^3– · 3(n-x)Na⁺]^3x–·3xNa⁺  

Из чего следует:
m[Cu₃(PO₄)₂] — ядро мицеллы;
m[Cu₃(PO₄)₂]·nPO₄^3– — агрегат (плюс потенциалопределяющие ионы);
{m[Cu₃(PO₄)₂]·nPO₄^3– · 3(n-x)Na⁺]^3x– — гранула.
3(n-x)Na⁺ — адбсорбционный слой ионов;
3xNa⁺ — диффузионный слой ионов.