Как составить мицеллу по уравнению реакции

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:

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:

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

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:

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:

3]·nFeO + · (n-x)Cl – > x+ · xCl – , где

m[Fe(OH)₃] — агрегат; [Fe(OH)₃]m · nFeO + — ядро; 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:

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:

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:

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:

Уравнение реакции в общем виде:

2. Метод пептизации:

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

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:

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

m-коэффициент, указывающий число частиц вещества.

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

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

Катионы Са 2+ 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:

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:

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

Составление формулы мицеллы коллоидного раствора

Методические рекомендации

По решению задач

«Коллоидные растворы»

для специальностей 19.02.03 «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий»; 19.02.05 «Технология бродильных производств и виноделие»; 19.02.10 «Технология продукции общественного питания»

Коллоидные растворы

Составление формулы мицеллы коллоидного раствора

Теоретические положения

Мицелла – это структурная коллоидная частица дисперсной фазы.

Правила построения мицеллы:

1.Агрегатом является получающийся в ходе реакции осадок.

2.Потенциалобразующими ионами являются ионы, удовлетворяющие двум условиям:

а) данные ионы должны быть в строении вещества, которое находится в реакции в избытке или является стабилизатором;

б) данные ионы должны быть подобны ионам, находящимся в агрегате (правило Панета-Фаянса: на кристаллической поверхности агрегата адсорбируются те ионы, которые могут достроить её кристаллическую структуру).

3.Противоионами и ионами, образующими диффузионный слой, являются оставшиеся ионы вещества, которое находится в реакции в избытке или является стабилизатором.

4.Коэффициенты m, n, (n-x), x являются постоянными для любой мицеллы и численно не определены.

При смешивании разбавленных растворов нитрата серебра и хлорида натрия взятого в избытке, хлорид серебра не выпадает в осадок, а образуется коллоидный раствор.

Сначала составляем уравнение реакции в молекулярном и ионном виде:

AgNO₃ + NaCl → NaNO₃ + AgCl↓

Ag + + NO₃ — + Na + + Cl — → Na + + NO₃ — + AgCl↓

Основу коллоидных частиц золя AgCl составляют микрокристаллы малорастворимого хлорида серебра, которые называются агрегатами, обозначаются m (AgCl).

Эта реакция происходит при наличии избытка хлорида натрия, вследствие избирательной адсорбции Сl — , на поверхности агрегата возникает отрицательно заряженный слой из хлорид-ионов.

Cl — называются потенциалопределяющими ионами.

Агрегат вместе с потенциалопределяющими ионами, которые адсорбировались и вошли в кристаллическую решётку агрегата, являются частицами твердой фазы – ядра.

Обратите внимание на то, что потенциалопределяющими ионами могут быть ионы, которые достраивают кристаллическую решетку агрегата или содержатся в составе агрегата.

Под действием электростатических сил к поверхности ядра притягиваются ионы противоположного знака – противоионы. В данном случае – это ионы Na + .

Адсорбционный слой

Агрегат, ядро, адсорбционный слой образуют гранулу. Заряд гранулы поределяется знаком заряда потенциалопределяющих ионов (Сl — ), обозначается в правом верхнем углу.

Гранула имеет вид:

Так как концентрация противоионов около поверхности больше, чем в растворе, то остальная часть противоионов Na + слабее связана с ядром и под влиянием теплового движения диффундирует в сторону с меньшей концентрацией, образуя диффузионный слой проивоионов.

< m (AgC ) n Cl - (n – x) Na + > х- x Na +

Гранула вместе с диффузионным слоем образует мицеллу. Мицеллы золей электронейтральны.

Формула мицеллы:

< m (AgCl) n Cl - (n – x) Na + > х- x Na +

агрегат адсорбционный слой диффузионный слой

гранула

m ‑ количество молекул, входящих в состав агрегата;

n – количество потенциалопределяющих ионов;

(n – х) – количество противоионов, входящих в адсорбционный слой;

х – количество противоионов, входящих в диффузионный слой.

Мицелла: строение, схема, описание и химическая формула

Коллоидные системы чрезвычайно важны в жизни любого человека. Это связано не только с тем, что практически все биологические жидкости в живом организме образуют коллоиды. Но и многие природные явления (туман, смог), почва, минералы, продукты питания, лекарственные средства тоже являются коллоидными системами.

Единицей таких образований, отражающих их состав и специфические свойства, принято считать макромолекулу, или мицеллу. Строение последней зависит от ряда факторов, но это всегда многослойная частица. Современной молекулярно-кинетической теорией коллоидные растворы рассматриваются в качестве частного случая истинных растворов, с более крупными частицами растворенного вещества.

Способы получения коллоидных растворов

Строение мицеллы, образующейся при возникновении коллоидной системы, отчасти зависит и от механизма этого процесса. Методы получения коллоидов делят на две принципиально разные группы.

Диспергационные методы связаны с измельчением довольно крупных частиц. В зависимости от механизма этого процесса различают следующие способы.

1. Размол. Может осуществляться сухим или мокрым способом. В первом случае твердое вещество сначала измельчают, а уже затем прибавляют жидкость. Во втором случае вещество смешивают с жидкостью, и только после этого превращают в однородную смесь. Размол проводят в специальных мельницах.
2. Набухание. Измельчение достигается благодаря тому, что частицы растворителя проникают внутрь дисперсной фазы, что сопровождается раздвиганием ее частиц вплоть до отрыва.
3. Диспергирование ультразвуком. Материал, подверженный измельчению, помещают в жидкость и действуют на него ультразвуком.
4. Диспергирование электрическим током. Востребовано при получении золей металлов. Проводится путем помещения в жидкость электродов из диспергируемого металла с последующей подачей на них высокого напряжения. В результате образуется вольтова дуга, в которой металл распыляется, а затем конденсируется в раствор.

Эти способы подходят для получения как лиофильных, так и лиофобных коллоидных частиц. Строение мицеллы осуществляется одновременно с разрушением исходной структуры твердого вещества.

Конденсационные методы

Вторая группа методов, основанная на укрупнении частиц, называется конденсационными. Этот процесс может основываться на физических или химических явлениях. К методам физической конденсации относят следующие.

1. Замена растворителя. Сводится она к переводу вещества из одного растворителя, в котором оно растворяется очень хорошо, в другой, растворимость в котором значительно ниже. В результате этого мелкие частицы объединятся в более крупные агрегаты и возникнет коллоидный раствор.
2. Конденсация из паров. В качестве примера можно назвать туманы, частицы которых способны оседать на холодных поверхностях и постепенно укрупняться.

К методам химической конденсации относят некоторые химические реакции, сопровождающиеся выпадением осадков комплексной структуры:

Условия проведения химической конденсации

Строение мицелл, образующихся в ходе этих химических реакций, зависит от избытка или недостатка участвующих в них веществ. Также для появления коллоидных растворов необходимо соблюдать ряд условий, предотвращающих выпадение в осадок труднорастворимого соединения:

• содержание веществ в смешиваемых растворах должно быть низким;
• скорость их смешивания должна быть невысокой;
• один из растворов должен быть взят в избытке.

Строение мицеллы

Основной частью мицеллы является ядро. Оно образовано большим числом атомов, ионов и молекул нерастворимого соединения. Обычно ядро характеризуется кристаллическим строением. Поверхность ядра имеет запас свободной энергии, позволяющей избирательно адсорбировать ионы из окружающей среды. Процесс этот подчиняется правилу Пескова, которое гласит: на поверхности твердого вещества преимущественно адсорбируются те ионы, которые способны достраивать его же кристаллическую решетку. Это возможно в том случае, если эти ионы родственные или сходные по природе и форме (размерам).

В ходе адсорбции на ядре мицеллы образуется слой положительно или отрицательно заряженных ионов, называемых потенциалопределяющими. Благодаря электростатическим силам полученный заряженный агрегат притягивает из раствора противоионы (ионы с противоположным зарядом). Таким образом, коллоидная частица имеет многослойное строение. Мицелла приобретает диэлектрический слой, построенный из двух типов противоположно заряженных ионов.

Гидрозоль BaSO4

В качестве примера удобно рассмотреть строение мицеллы сульфата бария в коллоидном растворе, приготовленном в избытке хлорида бария. Этому процессу соответствует уравнение реакции:

Малорастворимый в воде сульфат бария образует микрокристаллический агрегат, построенный из m-ного числа молекул BaSO₄. Поверхностью этого агрегата адсорбируется n-ное количество ионов Ва 2+ . Со слоем потенциалопределяющих ионов связано 2(n — x) ионов Cl — . А остальная же часть противоионов (2x) расположена в диффузном слое. То есть гранула данной мицеллы будет положительно заряженной.

Если же в избытке взят сульфат натрия, то потенциалопределяющими ионами будут ионы SO₄ 2- , а противоионами – Na + . В этом случае заряд гранулы будет отрицательным.

Этот пример наглядно демонстрирует, что знак заряда гранулы мицеллы напрямую зависит от условий ее получения.

Запись мицеллы

Предыдущий пример показал, что химическое строение мицелл и формула, его отражающая, определяется тем веществом, которое взято в избытке. Рассмотрим способы записи названия отдельных частей коллоидной частицы на примере гидрозоля сульфида меди. Для его приготовления в избыточное количество раствора хлорида меди медленно приливают раствор сульфида натрия:

Строение мицеллы CuS, полученной в избытке CuCl₂, записывается следующим образом:

Структурные части коллоидной частицы

В квадратных скобках записывают формулу труднорастворимого соединения, являющегося основой всей частицы. Ее принято называть агрегатом. Обычно число молекул, составляющих агрегат, записывают латинской буквой m.

Потенциалопределяющие ионы содержатся в избыточном количестве в растворе. Они располагаются на поверхности агрегата, а в формуле их записывают сразу за квадратными скобками. Число этих ионов обозначают символом n. Название этих ионов говорит о том, что их заряд определяет заряд гранулы мицеллы.

Гранула образована ядром и частью противоионов, находящихся в адсорбционном слое. Величина заряда гранулы равняется сумме зарядов потенциалопределяющих и адсорбированных противоионов: +(2n – x). Оставшаяся часть противоионов находится в диффузном слое и компенсирует заряд гранулы.

Если бы в избытке взяли Na₂S, то для образовавшейся коллоидной мицеллы схема строения имела бы вид:

Мицеллы поверхностно-активных веществ

В том случае если концентрация поверхностно-активных веществ (ПАВ) в воде слишком высока, могут начать формироваться агрегаты из их молекул (или ионов). Эти укрупненные частицы имеют форму сферы и называются мицеллами Гартли — Ребиндера. Стоит отметить, что такой способностью обладают далеко не все ПАВ, а только те, у которых соотношение гидрофобной и гидрофильной частей оптимально. Это соотношение называется гидрофильно-липофильным балансом. Также немалую роль играет способность их полярных групп защищать углеводородное ядро от воды.

Агрегаты молекул ПАВ образуются по определенным законам:

• в отличие от низкомолекулярных веществ, агрегаты которых могут включать различное число молекул m, существование мицелл ПАВ возможно со строго определенным числом молекул;
• если для неорганических веществ старт мицеллообразования обусловлен пределом растворимости, то для органических поверхностно-активных веществ он определяется достижением критических концентраций мицеллообразования;
• сначала в растворе увеличивается число мицелл, а затем происходит увеличение их размеров.

Влияние концентрации на форму мицеллы

На строение мицелл ПАВ оказывает влияние их концентрация в растворе. При достижении некоторых ее значений, коллоидные частицы начинают друг с другом взаимодействовать. Это приводит к изменению их формы следующим образом:

• сфера превращается в эллипсоид, а затем в цилиндр;
• высокая концентрация цилиндров ведет к формированию гексагональной фазы;
• в некоторых случаях возникает ламелярная фаза и твердый кристалл (частицы мыла).

Виды мицелл

По особенностям организации внутренней структуры выделяют три типа коллоидных систем: суспензоиды, мицеллярные коллоиды, молекулярные коллоиды.

Суспензоидами могут быть необратимые коллоиды, а также лиофобные коллоиды. Эта структура характерна для растворов металлов, а также их соединений (различных оксидов и солей). Строение дисперсной фазы, образованной суспензоидами, не отличается от структуры компактного вещества. Она имеет молекулярную или ионную кристаллическую решетку. Отличие от суспензий заключается в более высокой дисперсности. Необратимость проявляется в способности их растворов после выпаривания образовывать сухой осадок, который невозможно превратить в золь простым растворением. Лиофобными их называют из-за слабого взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Мицеллярными коллоидами являются растворы, коллоидные частицы которых возникают при слипании дифильных молекул, содержащих полярные группы атомов и неполярные радикалы. Примером являются мыла и ПАВ. Молекулы в таких мицеллах удерживаются дисперсионными силами. Форма этих коллоидов может быть не только сферической, но и пластинчатой.

Молекулярные коллоиды вполне устойчивы без стабилизаторов. Их структурными единицами являются отдельные макромолекулы. Форма частицы коллоида может варьироваться в зависимости от свойств молекулы и внутримолекулярных взаимодействий. Так линейная молекула может образовывать стержень или клубок.