Физикалық ЖӘне коллоидтық химия

Дисперсті жүйеде дисперсті фазалар ұсақталған заттар және дисперсті орта, дисперсті фаза таралған біртекті затты айырады. Дисперсті жүйеге кәдімгі ертінділері, коллоид ертінділер және суспензиялар мен эмульсиялар жатады.

Бөлшектердің мөлшері 1 км болатын жүйені (1 км=10^-19) нағыз ертінділер түзеді. Оларды бір фазалы жүйе түрінде қарау керек. Бөлшектердің мөлшері 100 км болатын жүйе суспензиялар мен эмульсиялар түзеді, бұларды ірі дисперсті жүйелер деп те атайды- екі фазалы жүйелер. Коллоидты ертінділер золдер ірі дисперсті жүйе мен нағыз ертінділердің аралық орнын алады. Дисперсті фазалардың мөлшері 1-100 км аралығында болады. Дисперсті жүйенің коллоиты бөлшектері молекулалар мен иондардың үлкен мөлшерінен тұрады, яғни олардың агрегаттары болады (жинақтаған). Бірдей ертінділер дисперстің дәрежесіне байланысты суспензияны қалай түзсе, коллоидты немесе нағыз ертінді түзе алады.

Фазалық агрегаттың күйіне байланысты дисперсті жүйе 8 негізгі типке бөлінеді:

Лиозолдер (Қ-С), эмульсия (С-С), көбік (Г-С), гель (С-Қ), балқыма (Қ-Қ), қатты көбік (Г-Қ) және аэрозольдердің екі түрі (Қ-Г және С-Г), мүлде Қ, С, Г – қатты, сұйық, газ тәрізді денелер. Дисперсті жүйелер өздігінен (конденсациялық алу) немесе өздемінен түзілмеуі мүмкін (дисперсті алу әдісі).

Екі жағдайда да золдер тұрақты болуы керек. Бұл беттік активті заттар (БАЗ) дисперсті фазаларының бетінде түзілген бөлшектердің адсорбциясы және тиісті түзілген бөлшектердің адсорбциясы және тиісті электролит – ион тұрақтандырғыш нәтижесінде жүзеге асады.

БАЗ золдерінің тұрақтануы коллоидтық қорғау деп аталады.

Электролиттердің тұрақтандырғыштың әсерін күміс иодиді гидролизінің түзілуі мысалында мына реакциядан қарастырамыз:

[(AgI)_m n Ag⁺]ⁿ⁺ электростатикалық әсер ету күшінің әсерінен ерітіндіден ядроға орташа есеппен әрбір (n-x) қатысушыдан NO₃⁻ қарсы иондар тартылды (ядро зарядына қарсы белгісі бар электр зарядты иондар). Соңында оң зарядталған коллоидты бөлшектер түзіледі.

Электростатикалық әсер ету күшімен қатар, дисперсті жүйеде диффузия күші де әсер етеді. Осының соңын ала NO₃⁻ қарап ионының бір бөлігі ерітіндіде қалып, еркін қозғала алады. Осыған қарап иондармен бірге коллоидты бөлшектер мицелла түзеді оның орташа құрамын мына формуламен өрнектеуге болады:

Ядро
˂ гранула ˃
М И Ц Е Л Л А

Егер күміс иодиді түзілу жағдайын өзгертсе: AgNO₃ ерітіндісін KI ерітіндісіне құйса, процесс K⁺, I⁻, NO₃⁻ иондары қатысында жүреді. Ag⁺ ионы бірден Ag тұнбасымен байланысады сондықтан жүйеде болмайды). Бұл коллоид бөлшектердің электр зарядының белгісінің өзгеруіне әкеп соғады. Бұл бөлшектің мицеллярлық формуласы:

Дисперсті бөлшектер бетіне адсорбцияланған құрамына иондар кіретін электролиттер (потенциал анықтағыш иондар). Электролит – тұрақтандырғыш деп аталады. Егер дисперсті жүйеге электролиттің үлкен мөлшерін қосса, коллоидты бөлшектердің адсорбция қабатында қарсы иондардың мөлшерінің өсуіне әкеп соғады, бұл коллоидтық бөлшектің электр зарядының кемуіне және дзета- потенциал жүйесінің кемуіне әкеп соғады. Нәтижесінде бөлшектердің бір-бірін тебуі әлсірейді және олардың соғысу мүмкіндігін арттырады, ал тебісу олардың жабысуына әкеп соғады. Нәтижесінде олардың соңынан іріленген бөлшек седиментация тұнуға әкеп соғатын коагуляциялануға әкеп соғады.

Коагуляциялаушы әсерді колллоидты бөлшектер зарядының тақташасына қарама-қарсы иондары бар электролиттер көрсетеді. Иондардың коагуляциялық әсері неғұрлым үлкен болса, соғұрлым олардың валенттілігі үлкен болады. Бұл Шульце Гарди заңдылығы. Коагуляция тудырушы иондар ион-коагуляциялар деп аталады, ал құрамына бұл иондар кіретін электролиттер электролит-коагулятор деп аталады. Жүйедегі коагуляция тудыратын электролит-коагулятордың минимал концентрациясы коагуляция табалдырығы деп аталады.
Жұмысты орындау реті
Тәжірибе №1. Конденсация әдісімен золь алу.

а) еріткіштерді ауыстырғанда золдің түзілуі.

Пробиркаға ½ көлемінде су құйып, оған бірнеше тамшы 2% канифолды спирт ерітіндісін немесе қаныққан спирт күкірт ерітіндісін қосу. Пробиркадағы затты араластырып 2-3 минутқа қоя тұрады. Не пайда болады? Дәптерлеріңе өз бақылағандарыңды жазып, түсіндіріңдер.

Тәжірибені фенолфталейннің спирт ерітіндісімен қайталап, оны да дәптерге жазыңдар және фенолфталейннің суда және спиртте ерігіштігі бойынша қорытынды жасаңдар.

б) Кремний ышқылының золін алу. Пробиркаға жартысына дейін (1:5) сұйытылған тұз қышқылын құйыңдар және оған араластыра отырып 8-10 тамшы сұйытылған сұйық шыны Na₂Si₂O₃ қосу. Алынған кремний қышқылының гидролизін 4 тәжірибе үшін сақтаңдар. Кремний қышқылы түзілуінің реакция теңдеуін жазыңдар. Осы золдің мицелярлық формуласын құрыңдар.

в) Тұздарды гидролиздер арқылы темір (ІІІ) гидроксидінің золін алу.

Кішкентай стақанға 20-30 мл дистилденген суды қайнағанша қайнатыңдар, қайнаған суға ақырындап, тамшылап 2% темір (ІІІ) хлориді ерітіндісін темір тригидроксилі коллоид ерітіндісі түзілгенше қосыңдар, түсі қою түске айналғанша темір (ІІІ) хлоридінің гидролиздену реакциясының теңдеуін жазыңдар. Алынған золдің коллоид бөлшектерінің құрылысын мицелярлық формуласын жазыңдар.

г) Күміс иодид золінің әртүрлі зарядталған бөлшектермен алу.

Пробиркаға 2-3мл 0,05 М калий иодид ерітіндісін құйып пипеткамен 5-10 тамшы 0,05 М күміс нитраты ерітіндісін қосу, үнемі ерітіндіні араластырып отыру қажет. Бірінші жағдайда AgNO₃ артық мөлшермен алынған екінші жағдайда – KI артық мөлшерімен алынған күміс иодиді золінің коллоидты бөлшектерінің құрылыс схемасын суреттеңдер, мұнда коллоид бөлшектердің заряды коллоидтың бастапқы түзілуіндегі артық мөлшеріндегі иондардың коллоидты бөлшектерінің зарядының есептеленетінінің есте ұстау қажет. Ерітіндіні 3-тәжірибеге сақтаңдар.

Тәжірибе №2. Диспергирлеу әдісімен золь алу.

Темір трихлориді ерітіндісіне сілтімен әсер етіп, темір (ІІІ) гидроксиді тұнбасын дайындаңдар. Тұнбаның түсін белгілеңдер. Тұнбаны сүзіңдер. Оны темір трихлоидінің концентрлі ерітіндісі құйылған пробиркаға салыңдар және қайнағанша қыздырыңдар. Қайнаған соң золь түзілу барысында түсінің өзгеруіне назар аударыңдар.

Коллоид ерітінділердің түзілуінің себебі Fe(OH)3 тұнбасының қатты бөлшектерінің темір (ІІІ) хлоридінің ерітіндісінен Fe³⁺ ионының адсорбциялануы болып табылады. Адсорбцияланған иондар тұнбаның бөлшектерінен бірдей зарядты болады да, нәтижесінде бөлшектер бір-бірін итеріп жібереді де тұнбаға бөліне бастайды, сөйтіп біртіндеп барлық сұйықтың көлемінде біркелкі таралады, яғни пептизация процесі жүреді.
Тәжірибе №3. Капиллярлық және тамшы әдісімен коллоид бөлшектердің зарядының таңбасын анықтау.

Сүзгі қағаздың тілімін 1-тәжірибеде алынған күміс иодидінің коллоид ерітіндісі бар пробиркаға бастырыңдар және оны сонда 1 сағатқа қалдырыңдар. Коллоид бөлшектердің зарядының таңбасын анықтау кейбір заттар, мысалы, қағаз, жібек мата, шыны,құм т.б. суға салғанда теріс зарядталады. Егер коллоид бөлшектері ерітіндінде теріс зарядталса, онда олар сүзгі қағаздан тебіле бастайды және сумен бірге жоғары көтеріле бастайды. Егер коллоид бөлшектердің заряды оң болса, онда олар сүзгі қағазға тартылып, оның шетіне шөгеді. Бұл тәжірибеде коллоид бөлшектер қандай зарядталған?

Тәжірибені өзгертіңдер. Сүзгі қағазға сол күміс иодидін тамызыңдар. Әрбір жағдайда бөлшектердің зарядының таңбасын анықтаңдар. Мұнда бөлшектердің заряд таңбасы оң болған жағдайда қағаздағы золдің тамшысы қабатталатыны есте болсын. Ерітіндіні 4в тәжірибе үшін сақтаңдар.
Тәжірибе №4. Гидрозолдердің коагуляциясы.

а) Қыздырғанда золдің коагуляциялануы.

Кремний қышқылының золін (1б тәжірибеде алынған) қайнағанша қыздырыңдар. Пробиркадан құйылмайтын ұйыған іркілдек-гелдің түзілуін бақылаңдар.

б) электролиттер әсерімен золдің коагуляциялануы.

1а тәжірибеде алынған темірдің тригидроксиді коллоид ерітіндісін 3 пробиркаға бөліп құйыңдар. Бір пробиркаға натрий фосфаты ерітіндісінің бірнеше тамшы тамызыңдар, екіншісіне – натрий сульфатын, үшіншісіне – натрий хлоридін қосыңдар. Қай жағдайда коагуляция тез өтеді? Себебін түсіндіріңдер.

в) Қарама-қарсы зарядталған коллоидтардың өзара коагуляциялануы.

KI және AgNO₃-тегі күміс иодидінің (5-6 тамшыдан) бірдей мөлшерін алып, пробиркаларға құйып араластырыңдар. Пробирканы сілкілей отырып, коллоид ерітінділердің коагуляциялануын бақылаңдар. Жүрген өзгеріске анықтама беріңдер.
Тәжірибе №5. Қорғаушы коллоид.

Пробирканы толтыра дистилденген су құйыңдар, оған 2-3 тамшы 0,1 н күміс нитраты ерітіндісін қосып, 2-3 тамшы 2 н азот қышқылымен қышқылдаңдар. Ерітіндіні араластырып, 2 пробиркаға тең бөліп құйыңдар. Пробирканың біреуіне 10 тамшы 0,5 % желатин ерітіндісін тамызып, ұқыпты араластырыңдар. Бұдан соң 2-ші пробиркаға екі тамшыдан 0,1 н калий хлоридін тамызыңдар. Екі пробиркадағы өзгерісті сипатттап жазып, екеуінің айырмашылығын түсіндіріңдер.

БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ

2. Коллоидты жүйе алуының негізгі әдістерінің мәні неде?

3. Пептизация деген не, қалай түсіндіруге болады?

4. Аэразолдер қандай қызмет атқарады?

5. Золдердің коагуляциялануын қандай факторлар жүзеге асыырады? Гель деген не?

6. Электрофорез деген не? Электролизден оның айрмашылығы қандай?

7. Мицелла деген не?

8. Коллоидты бөлшектердің заряды неге байланысты? Зарядтар таңбасын қалай анықтайды?

9. Қорғаушы коллоид деген не? Коллоид ерітінділердің тұрақтылығы қандай жағдайларға байланысты?

10.Лиофобты коллоидтың жоғары молекулалы қосылыстар (ЖМҚ) ерітінділерінен айырмашылығы қандай?

ЖМҚ ерітінділері бұрын лиофильді коллоид аталып келген қосылыстар дисперсті ерекшеленеді. Қазіргі уақытта коллоидты жүйені екі үлкен топқа лиофильді және лиофобты деп бөлу ескерді, дегенмен әдебиеттерде әлі де бұл термин көп қолданылады. Соңғы 20 жылда В.А.Каргин, С.М.Липатов т.б ғалымдар еңбектерінде бұрын лиофильді деп келген жүйе шын мәнінде жоғары молекулалық қосылыстардың шын ерітінділері екенін дәлелдеді.

Қазіргі кезде «лиофильді коллоид» және «лиофильді золь» терминінен бас тартып, оларды жоғары молекулалық қосылыстар ерітнділері деп айырбастау мойындалып отыр. Сондықтан дисперсті фазалар бөлшектерінің ортамен шабыт араласуы негізінде коллоидты жүйелерді лиофобты коллоидтар (металдар гидрозолі, сульфидтері) және жоғары молекулалық қосылыстар және олардың ерітінділері бөледі (ақуыз, каучук, полисахарид, полиамидтер), бұрынғы терминалы бойынша бұлар лиофильді коллоид деп аталып келген.

ЖМҚ ерітінділері өздігінен түзіледі және тұрақтылығын сақтау үшін басқа заттар құюдың қажеті жоқ. Кіші молекулалық заттардан жоғары молекулалық заттар алу екі түрлі жолмен жүзеге асады: полимерлену және поликонденсациялану. ЖМҚ-қа түрлі сызықты құрылысты иелігіне макромолекулалы (каучук, оның эфирі), сызықтың қатты макромолекуласы (целлюлоза, оның эфирі), спираль макромолекулалы (крахмал, гликоген) т.б жатады. Лиофобты золдер мен ЖМҚ ерітінділеріне ортақ мынадай қасиеттер бар:

1. Еріген заттың бөлшектерінің өзіндік жылу қозғалысы броундық қозғалысқа тең болады.

2. Диффузия жылдамдығы басқа типтік коллоид ерітінділер сияқты өте аз.

3. Жартылай өткізгіш мембрана арқылы өтуге бөлшектер бейім емес (диализ және ультрафильтрация).

4. Төмен молекулалық қосылыстармен салыстырғанда ЖМҚ ерітінділерінде көптеген физикалық және химиялық процестер баяу өтеді.

5. Молекулалық комплекстер түзуге өте бейім келеді.

6.Сыртқы факторлар әсерімен қосылыстарды коагуляциялауға және пептизациялауға бейім.

ЖМҚ ерітінділері кейбір қасиеттерінің ортақ ортақ екендігіне қарамай шын коллоидты лиофобты ерітінділерімен салыстырғанда өзіндік қасиеттері де бар. Бұл айырмашылығы үш термодинамикалық белгілерімен байланысты және олар кез-келген шын ерітінділерді сипаттайтын белгілер:

1. ЖМҚ ерітінділерінің өздігінен жасалуы.

2. Тұрақтылығы жоғары дәрежеде.

3. Оларда өтетін процестердің қайтымдылығы.

ЖМҚ еруі процесі төмен молекулалық заттардан өзгеше жүреді. Полимерлердің еруі ісіну арқылы жүзеге асады. Ол сольватация және полимерде төмен молекулалық сұйықтықта таралу процесіне жақындайды. Үркілдек полимердегі төмен молекулалық сұйықтықтың ерітіндідегі, оны жүйе есебінде қарастыру керек, ішінара бір-бірімен макромолекуладан және макромолекулалардың арасындағы кеңістікті толтырып тұратын еріткіш молекуласынан тұратын кеңістік тордан түзілген жүйе деп қарауға болады. Ісіну – бұл жоғары молекулалы қосылысқа еріткіш молекуласы ену арқылы оның массасы мен көлемінің өсуі. Ісіну шектеусіз және шектеулі ісіну деп екі түрге бөлінеді. Шектеусіз ісіну – бұл ең соңында полимердің еруімен аяқталады. Шектеулі ісіну– бұл еру стадиясына жетпейтін ісіну. Бұл жағдайда полимер төмен молекулалы қосылысты жұта алады, бірақ онда мүлде еріп кетпейді немесе аз ериді, нәтижесінде іркілдеп түзіледі.

Полимердің ісінуге қабілеттілігін әртүрлі ерітінділерде ісіну дәрежесі арқылы сипаттайды, мұнда төмен молекулалы сұйықтыққа массаның жұтылуымен полимердің ісінуге дейінгі массасының қатынасымен есептеледі:



Мұндағы, Q – ісіну дәрежесі; m₀ – ісінуге дейінгі полимер массасы; m – ісінген полимер массасы.

Гидрофильді коллоидтарда, яғни ЖМҚ ерітіндісінде судың кейбір бөлігі коллоид бөлшектермен мына байланыста болады да, солармен бірге броундық қозғалысқа қатысады, басқа бөлігі орта қызметін атқарып, коллоидты мицеллада болады. Ісінген полимерде судың екі түрін ажыратады: байланысқан және бос. Полимердегі байланысқан су мөлшері оның гидрофильдігіне байланысты болады. Мысалы, желатиндегі байланысқан құрғақ заттың массасын екі есе көбейтеді. ЖМҚ ерітіндісі тұтқырлығымен ерекшеленеді, яғни олардың дайындалуына, температурасына, басқа электролиттердің қатысуына, қысымға байланысты болады. Ақуыз тәрізді ЖМҚ-ны зерттеу минимум тұтқырлық изоэлектрлік нүктеде көрінетіні байқалады. Изоэлектрлік нүкте ЖМҚ молекуласы бейтарап болғандағы ерітінді рН-ының шамасымен анықталады. Әрбір ақуыздың ол изоэлектрлік қалпында болатын өзінің рН шамасы бар.
Тәжірибе №1. Ісіну кинетикасын зерттеу.

Ісіну дәрежесі ЖМҚ-ның құрғақ массасының проценттік шамасымен өрнектеледі. Ісіну дәрежесін белгіленетін уақыт аралығында (5, 10, 30, 50 мин) анықтай отырып, ісіну кинетикасын сипаттайтын қисық алуға болады. Ісіну жылдамдығының константасы мына теңдеумен өрнектеледі:



мұндағы t – ісіну уақыты, мин; Q – сіңген еріткіштің қаныққан мөлшері, ол 1 г ісінген затқа тең.

Кесте 1–Эксперимент нәтижелері

№ анықтау	Ісіну уақыты t, мин	Ісінген резеңке салмағы сым, г	Құрғақ резеңке салмағы сым, г	Сіңірілген еріткіш, г	1 г құрғақ резеңке сіңген еріткіш мөлшері
0 5 10 30 50

Тәжірибені жүргізу үшін шыны стақанға еріткіш (бензол) құяды да, оған сымға ілінген кішкене резеңкенің кесіндісін салады. 5, 10, 30, 50 минуттан кейін ісініп жатқан резеңкені өлшеп, алынған алынған санды 1-кестеге жазады. Тәжірибенің алынған сандарына қарап, ісіну константасын есептейді және Q – t тәуелділігіндегі графигін тұрғызады.

Концентрациясы белгілі өлшеніп алынған қант ерітіндісін ыдысқа, жоғары молекулалы құрғақ заттың белгілі мөлшерін салады. Қант ерітіндісінің бастапқы және соңғы концентрациясын және ерітіндінің мөлшерін біле отырып, құрғақ ЖМҚ-мен байланысқан судың мөлшерін мына формуламен табады:



Тәжірибені 25г 10% қант ерітіндісін дайындап, рефрактометр бойынша оның дәр концентрациясын анықтайды. Бұдан соң колбаға 0,3 г желатин салып, 20 минутқа қалдырады. Ерітіндіні сүзеді, тағы да рефрактометр бойынша қант ерітіндісінің концентрациясын анықтайды және (1) формула көмегімен желатинмен байланысқан су мөлшерін анықтайды.

Ақуыздың макромолекуласының диссоциациялануы негіздің немесе қышқылдық типті жүруі. Ерітіндідегі сутегі ионының концентрациясына байланысты, яғни ортаның рН-на байланысты. Ортаның рН-ы маңызды, мұндағы ақуыз бөлшектері изоэлектрлік болса, яғни неғұрлым тұрақты қалыпта болса, әртүрлі ақуыз үшін әртүрлі және ерітіндінің дәрежесі арқылы анықталады. Тәдірибені орындау үшін казеин ерітіндісін рН-ы әртүрлі ерітінділерге араластырады (кесте бойынша дайындалған).

Кесте 2 – Казеин ерітінділерін дайындау үлгісі

Пробиркалар №	1	2	3	4	5
рН мөлшері 0,1 кн мл CH3COOH 1 кн Миллилитр дистилденген су Миллилитр казеин ерітіндісі Тұну дәрежесі және тұрақталу	5,9 0,06 8,94 1	5,3 0,25 8,75 1	4,7 1 8 1	4,1 4 5 1	3,5 1,6 7,4 1

Тұнбаның түзілмеуін нольмен белгілейді, аздаған лайлануды + таңбамен. Көбірек лайланғанда рН ерітіндісінің мөлшерін казеин ақуызының изоэлектрлік нүктесіне тең болады.

1. Жоғары молекулалық қосылыстарға қандай заттар жатады?

2. ЖМҚ ерітінділердің коллоид ерітінділерден айырмашылығы неде?

3. ЖМҚ ерітінділерінің тұрақтылығының себебі?

4. Ақуыздың сулы ерітінділері қандай қасиет көрсетеді?

5. Ісінудің себебі? (шектеулі, шектеусіз)

6. Тұздықтану деген не? Лиотроптық қатар.

7. Байланысқан су, оның қасиеттері. Байланысқан суды анықтау әдісі.

ӘДЕБИЕТТЕР
1. Болдырев А.И. «Физическая и коллоидная химия» В.Ш. 1984, М.

2. Хмельницкий Р.А. «Физическая и коллоидная химия» В.Ш. 1988, М.

3. Киорре Д.Г., Крылова Л.Ф., Музыкантов В.С. «Физическая химия» В.Ш. 1990, M.

4. Ермекова Б.А., Скопин Ю.А., Некрасова Р.П. «Руководство к лабораторным работам по физической и коллоидной химии» Кайнар, Алма-Ата, 1973.