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:

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

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:

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

m-коэффициент, указывающий число частиц вещества.

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

Na2CO3 = 2Na+ + CO32–

n CO32– - потенциалопределяющие ионы, адсорбирующие на зародыше. Они составляют агрегат мицеллы [mCaCO3]·n CO32–.
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 CO32– · 2(n-x)Na+}.
Гранула имеет заряд, знак которого определяется знаком заряда потенциалопределяющих ионов, в данном случае "2х-" -
[mCaCO3]·n CO32– · 2(n-x)Na+}2х–.
Заряд гранулы нейтрализуется противоионами диффузного слоя, число которых составляет 2хNa+.

Схема строения мицеллы золя CacO3, полученного в избытке Na2CO3

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 CO32– · 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 PO43–.

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:

{m[Cu3(PO4)2]·nPO43– · 3(n-x)Na+]3x–·3xNa+  

Из чего следует:
m[Cu3(PO4)2] - ядро мицеллы;
m[Cu3(PO4)2]·nPO43– - агрегат (плюс потенциалопределяющие ионы);
{m[Cu3(PO4)2]·nPO43– · 3(n-x)Na+]3x– - гранула.
3(n-x)Na+ - адбсорбционный слой ионов;
3xNa+ - диффузионный слой ионов.