Коллоидная химия. Шпаргалка - С. Егоров

В адсорбционной хроматографии принято различать два ее основных вида: молекулярную хроматографию и ионообменную хроматографию. В первом случае имеет место различная адсорбируемость молекул различных веществ, во втором – неодинаковая адсорбируемость различных ионов.

Ионообменная хроматография основана на способности сорбентов не только поглощать, но и обменивать поглощенные ими компоненты на другие, которые находятся в жидкой среде. К таким сорбентам следует отнести гидросиликаты (цеолиты и пермутиты), а также ионообменные смолы, или иониты. Иониты обладают ограниченной набухаемостью, практически нерастворимы в воде. Частицы ионообменных смол состоят из неподвижного аниона (катиона) и подвижного катиона (аниона). Последние способны обмениваться на другие подвижные ионы. Обмен ионов сорбента и раствора происходит в эквивалентных соотношениях. Если подвижные ионы являются катионами, то ионит называют катионитом, если, наоборот, подвижностью обладают анионы, то ионит является анионитом. Существуют также биполярные иониты, или амфолиты, они проявляют свойства катионитов и анионитов. Метод ионной хроматографии может применяться для изучения сложных природных объектов, составными частями которых являются вещества, находящиеся в коллоидном состоянии. Одним из таких объектов является почва. Как правило, почвенные коллоидные частицы заряжены отрицательно, поэтому имеет место катионный обмен. При движении почвенной влаги наблюдается разделение катионов, встречающихся в почве. Анализируя почвенные хроматограммы, удалось глубже понять сущность происходящих процессов. Так, например, при образовании подзолистых почв имеет место закрепление ионов водорода в верхних частях, а катионы щелочно-земельных металлов проникают в нижние слои почвы. Таким образом, верхние слои почвы закисляются. Достоинство метода хроматографии является возможность разделять сложные смеси, не меняя химический состав компонентов. Это важно при исследовании биологических жидкостей, содержащих малоустойчивые органические соединения, состав и строение которых зависят от незначительного изменения температуры, кислотности и других факторов. Хроматографический анализ применяется для выделения из растворов веществ, концентрация которых очень мала: гормонов, интерферонов, витаминов и др. Этот метод позволяет разделить сходные по своим свойствам вещества, разделение которых химическими методами представляет собой большие трудности (аминокислоты, редкоземельные металлы).

14. Закономерности ионного обмена в коллоидных растворах. Ацидоиды. Роль pН в ионном обмене

В коллоидных системах обнаружено свойство твердых частиц обмениваться на одноименные по знаку заряда ионы, находящиеся в жидкой среде.

В частицах, которые окружены двойным электрическим слоем, такой способностью обладают противоионы, поэтому они называются обменными ионами.

Процесс ионного обмена можно выразить следующим равенством:

2 АВ + В2+ = А2В + 2В+,

где А – точка на поверхности частицы, несущая элементарный отрицательный заряд; В+ – одновалентный катион; В2+ – двухвалентный катион.

Способность катиона В2+ адсорбироваться на данной частице выражена сильнее, чем у катиона В+. Следовательно, при относительно малой концентрации ионов В2+ в растворе они вытеснят в раствор значительные количества ионов В+ из двойного слоя.

В этом случае говорят, что ионообменное равновесие сдвинуто вправо.

Уравнение для ионного обмена, в котором участвуют данные катионы, имеет вид:

X(В+) / X(В2+) = K C(В+) / [C(В2+)]0,5,

где X(В+) и X(В2+) – количества катионов в двойном слое; C(В+) и C(В2+) – концентрация катионов в растворе.

В ионном обмене могут участвовать также ионы Н+ и ОН—. Ионный обмен с участием этих ионов способен изменить реакцию среды в ту или иную сторону.

Если у коллоидных частиц обменными являются ионы водорода, то они адсорбируют из раствора содержащиеся в нем катионы. Содержание водородных ионов в результате обмена увеличивается. Такие коллоиды иначе называют ацидоидами.

Примером ацидоида является коллоидная кремниевая кислота.

АH + В+ = АВ + Н+,

где А – точка на поверхности частицы;

В+ – одновалентный катион.

Отрицательно заряженные коллоиды, которые содержат в качестве противоионов катионы металлов (например, ионы кальция), адсорбируют обменным путем ионы Н+. В этом случае происходит катионный обмен:

ХСа2+ + 2Н+ = Х[Н+]2 + Са2+.

Отрицательно заряженные коллоиды, содержащие обменные катионы металлов, связывают вводимые в раствор ионы водорода, таким способом они противодействуют подкислению среды.

Положительно заряженные коллоиды, в которых обменными являются анионы, способны адсорбировать обменным путем ионы гидроксила:

ХА + ОН— = ХОН + А—.

Коллоид при этом связывает гидроксильные ионы, тем самым он противодействует подщелачиванию среды.

На описанных свойствах основано буферное действие коллоидов.

Следует учитывать, что катионный и анионный обмен зависит от реакции среды.

Если в среде, где происходит катионный обмен, есть ионы водорода, которые также участвуют в обмене, то количество адсорбированных из раствора катионов М+ будет тем меньше, чем ниже щелочность рН среды.

15. Основные методы измерения поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение – это энергия переноса молекул из объема тела на поверхность или работа образования единицы поверхности. Существует несколько методов измерения поверхностного натяжения легкоподвижных поверхностей раздела фаз «жидкость – газ» и «жидкость – жидкость»: статические, полустатические, динамические.

В статических методах поверхностное натяжение определяется на основе изучения равновесного состояния, к которому самопроизвольно приходит изучаемая система.

В методе Вильгельми определяется сила, которая необходима для уравновешивания пластинки шириной d, погруженной в жидкость; используется полностью смачиваемая жидкостью пластинка, поверхностное натяжение рассчитывается по формуле:

(1)

где F – сила, втягивающая пластинку в жидкость, за вычетом веса пластинки.

Метод капиллярного поднятия основан на определении высоты столба жидкости h в капилляре радиуса r при полном смачивании; поверхностное натяжение рассчитывают по формуле:

(2)

где r – плотность жидкости; g – ускорение силы тяжести.

Полустатические методы основаны на достижении системой неустойчивого равновесного состояния. Это методы отрыва пластинки и кольца или максимального давления в пузырьке (капле).

Метод отрыва пластинки, как и метод Вильгельми, основан на определении силы, действующей со стороны жидкости на смачиваемую ею пластинку, но определение этой силы производится при отрыве пластинки от поверхности, что смягчает требования к смачиванию пластинки. Расчет поверхностного натяжения производится по формуле (1).

Метод отрыва кольца (метод дю Нуи) – один из наиболее распространенных методов определения поверхностного натяжения жидкостей. Связь поверхностного натяжения с силой F, необходимой для отрыва от поверхности жидкости тонкого кольца с радиусом R, хорошо смачиваемого жидкостью (краевой угол смачивания Θ = 0°), описывают выражением:

(3)

где величина k зависит от соотношения радиуса кольца и толщины проволоки, из которой сделано кольцо, и от поверхностного натяжения жидкости. Последняя зависимость слаба, что позволяет использовать этот метод как относительный:

(4)

где величины s и F относятся к эталонной жидкости.

Метод максимального давления пузырька (капли) основан на измерении максимального значения капиллярного давления, возникающего при образовании на срезе капилляра пузырька сферической формы:

Рσ = 2σ / r0.

Это максимальное давление определяется радиусом капилляра r0. Метод чаще всего используется как относительный, и поверхностное натяжение исследуемой жидкости определяется по отношению значений максимальных давлений Р исследуемой и эталонной Рэ жидкостей или из соотношения соответствующих высот поднятия манометрической жидкости: