Урок 6. Дисперсные системы
Предмет: Химия, 11 класс

Конспект урока

Химия, 11 класс

Урок № 6. Дисперсные системы

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён изучению истинных растворов и дисперсных систем: способам выражения концентрации растворов, видам дисперсных систем, их свойствам, способам коагуляции золей, строению гелей.

Глоссарий

Аэрозоль – грубодисперсная система, в которой твёрдые или жидкие частицы размером более 10-3 см равномерно распределены в газообразной среде.

Гель – полутвёрдая трёхмерная ячеистая структура, каркас которой образован коллоидными частицами, а в прослойках между частицами удерживается дисперсионная среда.

Грубодисперсная система – дисперсная система, в которой размер частиц дисперсной фазы более 10-3 см.

Дисперсионная среда – сплошная фаза, составная часть дисперсной системы, в которой равномерно распределены частицы дисперсной фазы.

Дисперсная система – гетерогенная система, состоящая, как минимум, из двух фаз, одна из которых мелко раздроблена и равномерно распределена в другой, сплошной фазе.

Дисперсная фаза – мелко раздробленные частицы, равномерно распределённые в дисперсионной среде.

Гетерогенная система – неоднородная система, в которой компоненты находятся в разных фазах и между ними существует видимая граница раздела фаз.

Гомогенная система – однородная система, все компоненты которой находятся в одной фазе, граница раздела фаз между компонентами отсутствует.

Золь (коллоидный раствор) – тонкодисперсная система, в которой твёрдые частицы дисперсной фазы размером 10-7 – 10-5 см равномерно распределены в жидкой среде.

Истинный раствор – гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов, состав которой в определённых пределах можно изменять без нарушения однородности.

Коагуляция – процесс слипания коллоидных частиц в более крупные агрегаты.

Опалесценция – изменение окраски бесцветного коллоидного раствора с желтоватой в проходящем свете на голубую в отраженном свете.

Седиментация – процесс оседания крупных частиц дисперсной фазы.

Суспензия – грубодисперсная система, в которой твёрдые частицы размером более 10-3 см равномерно распределены в жидкой дисперсионной среде.

Фаза – часть системы, однородная по составу и свойствам, отделённая от окружающей среды видимой границей раздела.

Электрофорез – движение коллоидных частиц золя в постоянном электрическом поле к одному из электродов.

Эмульсия – грубодисперсная система, в которой одна жидкая фаза в виде отдельных мелких капель равномерно распределена в другой жидкости, при этом жидкости взаимно нерастворимы.

Эффект Тиндаля – образование светлого конуса в отраженном свете при прохождении через дисперсную систему луча света.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Истинные растворы

Истинным раствором называется гомогенная система, состоящая из нескольких компонентов, состав которой в определённых пределах можно менять без нарушения однородности.

Растворимостью называется такое количество вещества, которое можно при данной температуре растворить в 100 г растворителя. Абсолютно нерастворимых веществ в природе не существует.

Молярная концентрация показывает количество растворённого вещества в 1 литре раствора. Сокращенно молярная концентрация, или молярность, обозначается буквой М, например, 1 М – один моль на литр. моль/л.

Для того, чтобы найти молярную концентрацию по величине известной массовой доли, необходимо знать плотность раствора. При этом массовая доля должна быть выражена не в процентах, а в долях, а плотность – в г/л.

, моль/л.

С истинными растворами мы постоянно встречаемся в жизни. Пьём чай с сахаром, консервируем овощи. В сельском хозяйстве используют растворы минеральных удобрений и средств для борьбы с вредителями и болезнями растений. Растворы используют в промышленности, в медицине, в учебных и научно-исследовательских химических лабораториях.

Дисперсные системы

Дисперсной называется гетерогенная система, состоящая, как минимум, из двух фаз, одна из которых мелко раздроблена и равномерно распределена во второй, сплошной фазе. В отличие от истинных растворов, дисперсная система неоднородна, а между составляющими её фазами всегда существует граница раздела. Мелкораздробленная фаза называется дисперсной фазой, а сплошная фаза – дисперсионной средой. В зависимости от размера частиц дисперсной фазы различают грубодисперсные (размер частиц больше 100 нм) и тонкодисперсные (от 1 до 100 нм), или коллоидные системы. Если размер частиц дисперсной фазы становится меньше 1 нм, система перестает быть гетерогенной, образуется истинный раствор. В истинном растворе вещество раздроблено до отдельных молекул или ионов. В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды дисперсные системы разделяют на суспензии, эмульсии, пены и аэрозоли. В суспензии твёрдые частицы распределены в жидкости. Эмульсия состоит из мелких капель жидкости, равномерно распределённых в другой жидкости, причем эти жидкости взаимно нерастворимы. Пена – это мелкие пузырьки газа в жидкости. Аэрозоль представляет собой газообразную среду, в которой распылены мелкие твёрдые или жидкие частицы.

Получение и свойства коллоидных растворов

Тонкодисперсные коллоидные системы получили название «золь». Золи могут быть образованы как неорганическими веществами, так и органическими макромолекулами, размеры которых превышают 1 нм, например, белками. Приготовить золь можно смешиванием малорастворимого вещества с растворителем (раствор крахмала, яичного белка), так и с помощью химических реакций ионного обмена, гидролиза, окисления-восстановления, в которых один из продуктов реакции не растворяется в жидкости.

Золи прозрачны, как и истинные растворы. Чтобы отличить золь от истинного раствора, надо посмотреть на проходящий через раствор луч в отражённом свете. В коллоидном растворе свет рассеивается, образуя светлый конус. Это явление получило название «эффект Тиндаля» - по фамилии английского физика Джона Тиндаля, который впервые описал и объяснил это явление. С древних времён люди ценили драгоценный камень опал за игру света. Его окраска в зависимости от угла зрения изменяется с голубой на желтоватую. Опал – это затвердевший коллоидный раствор, а свойство золей изменять окраску в проходящем и отражённом свете получило название «опалесценция».

Если в U-образную стеклянную трубку налить золь гидроксида железа и погрузить в каждое колено трубки графитовые электроды, подсоединив их к источнику постоянного электрического тока, то жидкость в одном колене станет светлее, в другом интенсивность окраски увеличится. Происходит это, так как коллоидные частицы движутся в постоянном электрическом поле к одному из электродов. Это явление получило название «электрофорез».

Образование заряда на поверхности коллоидных частиц

Коллоидные частицы перемещаются в постоянном электрическом поле, так как они заряжены. Заряд на поверхности коллоидных частиц образуется по двум причинам. Одна из причин – адсорбция заряженных ионов на поверхности частиц дисперсной фазы. Огромное количество мелких частиц дисперсной фазы имеют большую суммарную поверхностную энергию. За счет этой энергии ионы из раствора, одноименные с частицами дисперсной фазы, притягиваются к поверхности, в результате коллоидные частица приобретают заряд. Например, коллоидная частица хлорида серебра, полученная в избытке ионов Cl-, имеет строение (mAgCl)·nCl-.

Другая причина образования заряда на поверхности коллоидных частиц – ионизация нерастворимых молекул. По такому механизму образуется заряд на поверхности коллоидных частиц золя кремниевой кислоты. Полярные молекулы воды отрывают от поверхностных молекул кремниевой кислоты ионы водорода, в результате на поверхности коллоидной частицы остаются заряженные гидросиликат ионы, которые придают заряд коллоидной частице. Коллоидные частицы золя кремниевой кислоты имеют строение (mH2SiO3)·nHSiO3-.

Для золей, как и для истинных растворов, характерно броуновское движение, а тяжёлые и крупные частицы грубодисперсных систем в броуновском движении не участвуют. Одноимённые заряды коллоидных частиц препятствуют их слипанию, поэтому золи длительное время остаются устойчивыми. Размеры частиц дисперсной фазы в грубодисперсных системах слишком большие, со временем они оседают – происходит седиментация.

Коагуляция коллоидных растворов

Если к золю добавить раствор электролита, произойдет нейтрализация заряда коллоидных частиц. Золь потеряет устойчивость, частицы начнут слипаться. Слипание коллоидных частиц называется коагуляцией. Коагуляцию можно вызвать длительным нагреванием золя, а также сливанием золей с противоположно заряженными частицами. Если коллоидные частицы слабо взаимодействуют с дисперсионной средой, то в результате коагуляции образуется осадок. Если коллоидные частицы хорошо взаимодействуют с растворителем, то они захватывают часть жидкости, в результате образуется гель. Гель – трёхмерная ячеистая структура, каркас которой образован коллоидными частицами, а в ячейках удерживается жидкость.

Дисперсные системы в природе и на службе у человека

Коллоидные растворы широко распространены в природе. Плазма крови, яичный белок, сырая нефть, речная и озёрная вода, почвенный раствор являются золями. Дисперсными системами являются облака, туман, дым, морская пена, молоко, газированная вода. В промышленности и быту человек использует эмульсионные краски, клеи, лаки, косметические и лечебные гели и шампуни. В пищевой промышленности дисперсными системами являются тесто, желе, студни, соусы, бульоны, мармелад, суфле. Без преувеличения можно сказать, что коллоидная химия – это химия реальных систем.

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

1. Приготовление насыщенного раствора

Условие задачи: Для приготовления насыщенного раствора поваренной соли надо в 100 г воды растворить 36 г хлорида натрия. Какое количество (моль) поваренной соли будет растворено в 360 г насыщенного раствора? Ответ запишите с точностью до десятых долей.

Шаг первый: найдём массу насыщенного раствора соли, в котором растворено 36 г хлорида натрия. Для этого сложим массу растворителя и растворённого вещества:

100 + 36 = 136 (г).

Шаг второй: найдём массу хлорида натрия, которая содержится в 360 г насыщенного раствора. Для этого составим пропорцию:

В 136 г насыщенного раствора содержится 36 г хлорида натрия;

в 360 г такого же раствора содержится т г хлорида натрия.

т = (360·36) : 136 = 95,3 (г).

Шаг третий: вычислим молярную массу хлорида натрия:

М = 23 + 35 = 58 (г/моль).

Шаг четвертый: найдём, сколько моль хлорида натрия содержится в 95,3 г.

Для этого массу хлорида натрия разделим на его молярную массу:

95,3 : 58 = 1,6 (моль).

Ответ: 1,6

2. Расчёт объёма раствора, который можно приготовить из раствора известной концентрации

Условие задачи: Какой объём 0,25 М раствора NaOH можно приготовить из 200 мл раствора гидроксида натрия с массовой долей 12% и плотностью 1,13 г/см3? Ответ запишите в мл в виде целого числа.

Шаг первый: найдём массу 200 мл 12%-ного раствора.

Для этого умножим объём раствора на его плотность:

200·1,13 = 226 (г).

Шаг второй: найдём массу гидроксида натрия, которая содержится в 226 г 12%-ного раствора.

Для этого составим пропорцию:

В 100 г раствора содержится 12 г гидроксида натрия;

в 226 г раствора содержится т г гидроксида натрия.

т = (226·12) : 100 = 27,12 (г)

Шаг третий: найдём количество моль гидроксида натрия, которое содержится в 27,12 г.

Для этого вычислим молярную массу гидроксида натрия:

М = 23 + 16 + 1 = 40 (г/моль).

Теперь разделим массу гидроксида натрия на его молярную массу:

27,12 : 40 = 0,68 (моль).

Шаг четвёртый: Найдём объём раствора, в котором это количество гидроксида натрия составит концентрацию 0,5 М.

Для этого составим пропорцию:

в 1000 мл раствора содержится 0,5 моль гидроксида натрия;

в V мл раствора содержится 0,68 моль гидроксида натрия.

V = (1000·0,68) : 0,5 = 1360 (мл).

Ответ: 1360.